Tangible user interfaces : past, present and future directions

In the last two decades, Tangible User Interfaces (TUIs) have emerged as a new interface type that interlinks the digital and physical worlds. Drawing upon users' knowledge and skills of interaction with the real non-digital world, TUIs show a potential to enhance the way in which people interact with and leverage digital information. However, TUI research is still in its infancy and extensive research is required in or- der to fully understand the implications of tangible user interfaces, to develop technologies that further bridge the digital and the physical, and to guide TUI design with empirical knowledge. This paper examines the existing body of work on Tangible User In- terfaces. We start by sketching the history of tangible user interfaces, examining the intellectual origins of this field. We then present TUIs in a broader context, survey application domains, and review frame- works and taxonomies. We also discuss conceptual foundations of TUIs including perspectives from cognitive sciences, phycology, and philoso- phy. Methods and technologies for designing, building, and evaluating TUIs are also addressed. Finally, we discuss the strengths and limita- tions of TUIs and chart directions for future research

Integrating 2D Mouse Emulation with 3D Manipulation for Visualizations on a Multi-Touch Table

We present the Rizzo, a multi-touch virtual mouse that has been designed to provide the fine grained interaction for information visualization on a multi-touch table. Our solution enables touch interaction for existing mouse-based visualizations. Previously, this transition to a multi-touch environment was difficult because the mouse emulation of touch surfaces is often insufficient to provide full information visualization functionality. We present a unified design, combining many Rizzos that have been designed not only to provide mouse capabilities but also to act as zoomable lenses that make precise information access feasible. The Rizzos and the information visualizations all exist within a touch-enabled 3D window management system. Our approach permits touch interaction with both the 3D windowing environment as well as with the contents of the individual windows contained therein. We describe an implementation of our technique that augments the VisLink 3D visualization environment to demonstrate how to enable multi-touch capabilities on all visualizations written with the popular prefuse visualization toolkit.

Interactive Visualization Lenses:: Natural Magic Lens Interaction for Graph Visualization

Information visualization is an important research field concerned with making sense and inferring knowledge from data collections. Graph visualizations are specific techniques for data representation relevant in diverse application domains among them biology, software-engineering, and business finance. These data visualizations benefit from the display space provided by novel interactive large display environments. However, these environments also cause new challenges and result in new requirements regarding the need for interaction beyond the desktop and according redesign of analysis tools. This thesis focuses on interactive magic lenses, specialized locally applied tools that temporarily manipulate the visualization. These may include magnification of focus regions but also more graph-specific functions such as pulling in neighboring nodes or locally reducing edge clutter. Up to now, these lenses have mostly been used as single-user, single-purpose tools operated by mouse and keyboard. This dissertation presents the extension of magic lenses both in terms of function as well as interaction for large vertical displays. In particular, this thesis contributes several natural interaction designs with magic lenses for the exploration of graph data in node-link visualizations using diverse interaction modalities. This development incorporates flexible switches between lens functions, adjustment of individual lens properties and function parameters, as well as the combination of lenses. It proposes interaction techniques for fluent multi-touch manipulation of lenses, controlling lenses using mobile devices in front of large displays, and a novel concept of body-controlled magic lenses. Functional extensions in addition to these interaction techniques convert the lenses to user-configurable, personal territories with use of alternative interaction styles. To create the foundation for this extension, the dissertation incorporates a comprehensive design space of magic lenses, their function, parameters, and interactions. Additionally, it provides a discussion on increased embodiment in tool and controller design, contributing insights into user position and movement in front of large vertical displays as a result of empirical investigations and evaluations.Informationsvisualisierung ist ein wichtiges Forschungsfeld, das das Analysieren von Daten unterstützt. Graph-Visualisierungen sind dabei eine spezielle Variante der Datenrepräsentation, deren Nutzen in vielerlei Anwendungsfällen zum Einsatz kommt, u.a. in der Biologie, Softwareentwicklung und Finanzwirtschaft. Diese Datendarstellungen profitieren besonders von großen Displays in neuen Displayumgebungen. Jedoch bringen diese Umgebungen auch neue Herausforderungen mit sich und stellen Anforderungen an Nutzerschnittstellen jenseits der traditionellen Ansätze, die dadurch auch Anpassungen von Analysewerkzeugen erfordern. Diese Dissertation befasst sich mit interaktiven „Magischen Linsen“, spezielle lokal-angewandte Werkzeuge, die temporär die Visualisierung zur Analyse manipulieren. Dabei existieren zum Beispiel Vergrößerungslinsen, aber auch Graph-spezifische Manipulationen, wie das Anziehen von Nachbarknoten oder das Reduzieren von Kantenüberlappungen im lokalen Bereich. Bisher wurden diese Linsen vor allem als Werkzeug für einzelne Nutzer mit sehr spezialisiertem Effekt eingesetzt und per Maus und Tastatur bedient. Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert die Erweiterung dieser magischen Linsen, sowohl in Bezug auf die Funktionalität als auch für die Interaktion an großen, vertikalen Displays. Insbesondere trägt diese Dissertation dazu bei, die Exploration von Graphen mit magischen Linsen durch natürliche Interaktion mit unterschiedlichen Modalitäten zu unterstützen. Dabei werden flexible Änderungen der Linsenfunktion, Anpassungen von individuellen Linseneigenschaften und Funktionsparametern, sowie die Kombination unterschiedlicher Linsen ermöglicht. Es werden Interaktionstechniken für die natürliche Manipulation der Linsen durch Multitouch-Interaktion, sowie das Kontrollieren von Linsen durch Mobilgeräte vor einer Displaywand vorgestellt. Außerdem wurde ein neuartiges Konzept körpergesteuerter magischer Linsen entwickelt. Funktionale Erweiterungen in Kombination mit diesen Interaktionskonzepten machen die Linse zu einem vom Nutzer einstellbaren, persönlichen Arbeitsbereich, der zudem alternative Interaktionsstile erlaubt. Als Grundlage für diese Erweiterungen stellt die Dissertation eine umfangreiche analytische Kategorisierung bisheriger Forschungsarbeiten zu magischen Linsen vor, in der Funktionen, Parameter und Interaktion mit Linsen eingeordnet werden. Zusätzlich macht die Arbeit Vor- und Nachteile körpernaher Interaktion für Werkzeuge bzw. ihre Steuerung zum Thema und diskutiert dabei Nutzerposition und -bewegung an großen Displaywänden belegt durch empirische Nutzerstudien

Extending domain-specific modeling editors with multi-touch interactions

L'ingénierie dirigée par les modèles (MDE) est une méthodologie d'ingénierie logiciel qui permet aux ingénieurs de définir des modèles conceptuels pour un domaine spécifique. La MDE est supportée par des outils de modélisation, qui sont des éditeurs pour créer et manipuler des modèles spécifiques au domaine. Cependant, l'état actuel de la pratique de ces éditeurs de modélisation offre des interactions utilisateur très limitées, souvent restreintes à glisser-déposer en utilisant les mouvements de souris et les touches du clavier. Récemment, un nouveau cadre propose de spécifier explicitement les interactions utilisateur des éditeurs de modélisation. Dans cette thèse, nous étendons ce cadre pour supporter les interactions multitouches lors de la modélisation. Nous proposons un catalogue initial de gestes multitouches pour offrir une variété de gestes tactiles utiles. Nous démontrons comment notre approche est applicable pour générer des éditeurs de modélisation. Notre approche permet des interactions plus naturelles pour l'utilisateur quand il effectue des tâches de modélisation types.Model-driven engineering (MDE) is a software engineering methodology that enables engineers to define conceptual models for a specific domain. Modeling is supported by modeling language workbenches, acting as editor to create and manipulate domain-specific models. However, the current state of practice of these modeling editors offers very limited user interactions, often restricted to drag-and-drop with mouse movement and keystrokes. Recently, a novel framework proposes to explicitly specify the user interactions of modeling editors. In this thesis, we extend this framework to support multi-touch interactions when modeling. We propose an initial set of multi-touch gesture catalog to offer a variety of useful touch gestures. We demonstrate how our approach is applicable for generating modeling editors. Our approach yields more natural user interactions to perform typical modeling tasks

Light on horizontal interactive surfaces: Input space for tabletop computing

In the last 25 years we have witnessed the rise and growth of interactive tabletop research, both in academic and in industrial settings. The rising demand for the digital support of human activities motivated the need to bring computational power to table surfaces. In this article, we review the state of the art of tabletop computing, highlighting core aspects that frame the input space of interactive tabletops: (a) developments in hardware technologies that have caused the proliferation of interactive horizontal surfaces and (b) issues related to new classes of interaction modalities (multitouch, tangible, and touchless). A classification is presented that aims to give a detailed view of the current development of this research area and define opportunities and challenges for novel touch- and gesture-based interactions between the human and the surrounding computational environment. © 2014 ACM.This work has been funded by Integra (Amper Sistemas and CDTI, Spanish Ministry of Science and Innovation) and TIPEx (TIN2010-19859-C03-01) projects and Programa de Becas y Ayudas para la Realización de Estudios Oficiales de Máster y Doctorado en la Universidad Carlos III de Madrid, 2010

Designing Hybrid Interactions through an Understanding of the Affordances of Physical and Digital Technologies

Two recent technological advances have extended the diversity of domains and social contexts of Human-Computer Interaction: the embedding of computing capabilities into physical hand-held objects, and the emergence of large interactive surfaces, such as tabletops and wall boards. Both interactive surfaces and small computational devices usually allow for direct and space-multiplex input, i.e., for the spatial coincidence of physical action and digital output, in multiple points simultaneously. Such a powerful combination opens novel opportunities for the design of what are considered as hybrid interactions in this work. This thesis explores the affordances of physical interaction as resources for interface design of such hybrid interactions. The hybrid systems that are elaborated in this work are envisioned to support specific social and physical contexts, such as collaborative cooking in a domestic kitchen, or collaborative creativity in a design process. In particular, different aspects of physicality characteristic of those specific domains are explored, with the aim of promoting skill transfer across domains. irst, different approaches to the design of space-multiplex, function-specific interfaces are considered and investigated. Such design approaches build on related work on Graspable User Interfaces and extend the design space to direct touch interfaces such as touch-sensitive surfaces, in different sizes and orientations (i.e., tablets, interactive tabletops, and walls). These approaches are instantiated in the design of several experience prototypes: These are evaluated in different settings to assess the contextual implications of integrating aspects of physicality in the design of the interface. Such implications are observed both at the pragmatic level of interaction (i.e., patterns of users' behaviors on first contact with the interface), as well as on user' subjective response. The results indicate that the context of interaction affects the perception of the affordances of the system, and that some qualities of physicality such as the 3D space of manipulation and relative haptic feedback can affect the feeling of engagement and control. Building on these findings, two controlled studies are conducted to observe more systematically the implications of integrating some of the qualities of physical interaction into the design of hybrid ones. The results indicate that, despite the fact that several aspects of physical interaction are mimicked in the interface, the interaction with digital media is quite different and seems to reveal existing mental models and expectations resulting from previous experience with the WIMP paradigm on the desktop PC

The cockpit for the 21st century

Interactive surfaces are a growing trend in many domains. As one possible manifestation of Mark Weiser’s vision of ubiquitous and disappearing computers in everywhere objects, we see touchsensitive screens in many kinds of devices, such as smartphones, tablet computers and interactive tabletops. More advanced concepts of these have been an active research topic for many years. This has also influenced automotive cockpit development: concept cars and recent market releases show integrated touchscreens, growing in size. To meet the increasing information and interaction needs, interactive surfaces offer context-dependent functionality in combination with a direct input paradigm. However, interfaces in the car need to be operable while driving. Distraction, especially visual distraction from the driving task, can lead to critical situations if the sum of attentional demand emerging from both primary and secondary task overextends the available resources. So far, a touchscreen requires a lot of visual attention since its flat surface does not provide any haptic feedback. There have been approaches to make direct touch interaction accessible while driving for simple tasks. Outside the automotive domain, for example in office environments, concepts for sophisticated handling of large displays have already been introduced. Moreover, technological advances lead to new characteristics for interactive surfaces by enabling arbitrary surface shapes. In cars, two main characteristics for upcoming interactive surfaces are largeness and shape. On the one hand, spatial extension is not only increasing through larger displays, but also by taking objects in the surrounding into account for interaction. On the other hand, the flatness inherent in current screens can be overcome by upcoming technologies, and interactive surfaces can therefore provide haptically distinguishable surfaces. This thesis describes the systematic exploration of large and shaped interactive surfaces and analyzes their potential for interaction while driving. Therefore, different prototypes for each characteristic have been developed and evaluated in test settings suitable for their maturity level. Those prototypes were used to obtain subjective user feedback and objective data, to investigate effects on driving and glance behavior as well as usability and user experience. As a contribution, this thesis provides an analysis of the development of interactive surfaces in the car. Two characteristics, largeness and shape, are identified that can improve the interaction compared to conventional touchscreens. The presented studies show that large interactive surfaces can provide new and improved ways of interaction both in driver-only and driver-passenger situations. Furthermore, studies indicate a positive effect on visual distraction when additional static haptic feedback is provided by shaped interactive surfaces. Overall, various, non-exclusively applicable, interaction concepts prove the potential of interactive surfaces for the use in automotive cockpits, which is expected to be beneficial also in further environments where visual attention needs to be focused on additional tasks.Der Einsatz von interaktiven Oberflächen weitet sich mehr und mehr auf die unterschiedlichsten Lebensbereiche aus. Damit sind sie eine mögliche Ausprägung von Mark Weisers Vision der allgegenwärtigen Computer, die aus unserer direkten Wahrnehmung verschwinden. Bei einer Vielzahl von technischen Geräten des täglichen Lebens, wie Smartphones, Tablets oder interaktiven Tischen, sind berührungsempfindliche Oberflächen bereits heute in Benutzung. Schon seit vielen Jahren arbeiten Forscher an einer Weiterentwicklung der Technik, um ihre Vorteile auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Interaktion zwischen Mensch und Automobil, nutzbar zu machen. Und das mit Erfolg: Interaktive Benutzeroberflächen werden mittlerweile serienmäßig in vielen Fahrzeugen eingesetzt. Der Einbau von immer größeren, in das Cockpit integrierten Touchscreens in Konzeptfahrzeuge zeigt, dass sich diese Entwicklung weiter in vollem Gange befindet. Interaktive Oberflächen ermöglichen das flexible Anzeigen von kontextsensitiven Inhalten und machen eine direkte Interaktion mit den Bildschirminhalten möglich. Auf diese Weise erfüllen sie die sich wandelnden Informations- und Interaktionsbedürfnisse in besonderem Maße. Beim Einsatz von Bedienschnittstellen im Fahrzeug ist die gefahrlose Benutzbarkeit während der Fahrt von besonderer Bedeutung. Insbesondere visuelle Ablenkung von der Fahraufgabe kann zu kritischen Situationen führen, wenn Primär- und Sekundäraufgaben mehr als die insgesamt verfügbare Aufmerksamkeit des Fahrers beanspruchen. Herkömmliche Touchscreens stellen dem Fahrer bisher lediglich eine flache Oberfläche bereit, die keinerlei haptische Rückmeldung bietet, weshalb deren Bedienung besonders viel visuelle Aufmerksamkeit erfordert. Verschiedene Ansätze ermöglichen dem Fahrer, direkte Touchinteraktion für einfache Aufgaben während der Fahrt zu nutzen. Außerhalb der Automobilindustrie, zum Beispiel für Büroarbeitsplätze, wurden bereits verschiedene Konzepte für eine komplexere Bedienung großer Bildschirme vorgestellt. Darüber hinaus führt der technologische Fortschritt zu neuen möglichen Ausprägungen interaktiver Oberflächen und erlaubt, diese beliebig zu formen. Für die nächste Generation von interaktiven Oberflächen im Fahrzeug wird vor allem an der Modifikation der Kategorien Größe und Form gearbeitet. Die Bedienschnittstelle wird nicht nur durch größere Bildschirme erweitert, sondern auch dadurch, dass Objekte wie Dekorleisten in die Interaktion einbezogen werden können. Andererseits heben aktuelle Technologieentwicklungen die Restriktion auf flache Oberflächen auf, so dass Touchscreens künftig ertastbare Strukturen aufweisen können. Diese Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung großer und nicht-flacher interaktiver Oberflächen und analysiert ihr Potential für die Interaktion während der Fahrt. Dazu wurden für jede Charakteristik verschiedene Prototypen entwickelt und in Testumgebungen entsprechend ihres Reifegrads evaluiert. Auf diese Weise konnten subjektives Nutzerfeedback und objektive Daten erhoben, und die Effekte auf Fahr- und Blickverhalten sowie Nutzbarkeit untersucht werden. Diese Dissertation leistet den Beitrag einer Analyse der Entwicklung von interaktiven Oberflächen im Automobilbereich. Weiterhin werden die Aspekte Größe und Form untersucht, um mit ihrer Hilfe die Interaktion im Vergleich zu herkömmlichen Touchscreens zu verbessern. Die durchgeführten Studien belegen, dass große Flächen neue und verbesserte Bedienmöglichkeiten bieten können. Außerdem zeigt sich ein positiver Effekt auf die visuelle Ablenkung, wenn zusätzliches statisches, haptisches Feedback durch nicht-flache Oberflächen bereitgestellt wird. Zusammenfassend zeigen verschiedene, untereinander kombinierbare Interaktionskonzepte das Potential interaktiver Oberflächen für den automotiven Einsatz. Zudem können die Ergebnisse auch in anderen Bereichen Anwendung finden, in denen visuelle Aufmerksamkeit für andere Aufgaben benötigt wird

Phrasing Bimanual Interaction for Visual Design

Architects and other visual thinkers create external representations of their ideas to support early-stage design. They compose visual imagery with sketching to form abstract diagrams as representations. When working with digital media, they apply various visual operations to transform representations, often engaging in complex sequences. This research investigates how to build interactive capabilities to support designers in putting together, that is phrasing, sequences of operations using both hands. In particular, we examine how phrasing interactions with pen and multi-touch input can support modal switching among different visual operations that in many commercial design tools require using menus and tool palettes—techniques originally designed for the mouse, not pen and touch. We develop an interactive bimanual pen+touch diagramming environment and study its use in landscape architecture design studio education. We observe interesting forms of interaction that emerge, and how our bimanual interaction techniques support visual design processes. Based on the needs of architects, we develop LayerFish, a new bimanual technique for layering overlapping content. We conduct a controlled experiment to evaluate its efficacy. We explore the use of wearables to identify which user, and distinguish what hand, is touching to support phrasing together direct-touch interactions on large displays. From design and development of the environment and both field and controlled studies, we derive a set methods, based upon human bimanual specialization theory, for phrasing modal operations through bimanual interactions without menus or tool palettes