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

Automatic Placement of Outer Volume Suppression Slices in MR Spectroscopic Imaging of the Human Brain

Spatial suppression of peripheral regions (outer volume suppression) is used in MR spectroscopic imaging to reduce contamination from strong lipid and water signals. The manual placement of outer volume suppression slices requires significant operator interaction, which is time consuming and introduces variability in volume coverage. Placing a large number of outer volume saturation bands for volumetric MR spectroscopic imaging studies is particularly challenging and time consuming and becomes unmanageable as the number of suppression bands increases. In this study, a method is presented that automatically segments a high-resolution MR image in order to identify the peripheral lipid-containing regions. This method computes an optimized placement of suppression bands in three dimensions and is based on the maximization of a criterion function. This criterion function maximizes coverage of peripheral lipid-containing areas and minimizes suppression of cortical brain regions and regions outside of the head. Computer simulation demonstrates automatic placement of 16 suppression slices to form a convex hull that covers peripheral lipid-containing regions above the base of the brain. In vivo metabolite mapping obtained with short echo time proton-echo-planar spectroscopic imaging shows that the automatic method yields a placement of suppression slices that is very similar to that of a skilled human operator in terms of lipid suppression and usable brain voxels.Publicad

COVIDx-US -- An open-access benchmark dataset of ultrasound imaging data for AI-driven COVID-19 analytics

The COVID-19 pandemic continues to have a devastating effect on the health and well-being of the global population. Apart from the global health crises, the pandemic has also caused significant economic and financial difficulties and socio-physiological implications. Effective screening, triage, treatment planning, and prognostication of outcome plays a key role in controlling the pandemic. Recent studies have highlighted the role of point-of-care ultrasound imaging for COVID-19 screening and prognosis, particularly given that it is non-invasive, globally available, and easy-to-sanitize. Motivated by these attributes and the promise of artificial intelligence tools to aid clinicians, we introduce COVIDx-US, an open-access benchmark dataset of COVID-19 related ultrasound imaging data that is the largest of its kind. The COVIDx-US dataset was curated from multiple sources and consists of 93 lung ultrasound videos and 10,774 processed images of patients infected with SARS-CoV-2 pneumonia, non-SARS-CoV-2 pneumonia, as well as healthy control cases. The dataset was systematically processed and validated specifically for the purpose of building and evaluating artificial intelligence algorithms and models.Comment: 12 pages, 5 figures, to be submitted to Nature Scientific Dat

Pilot sequence based IQ imbalance estimation and compensation

Abstract. As modern radio access technologies strive to achieve progressively higher data rates and to become increasingly more reliable, minimizing the effects of hardware imperfections becomes a priority. One of those imperfections is in-phase quadrature imbalance (IQI), caused by amplitude and phase response differences between the I and Q branches of the IQ demodulation process. IQI has been shown to deteriorate bit error rates, possibly compromise positioning performance, amongst other effects. Minimizing IQI by tightening hardware manufacturing constraints is not always a commercially viable approach, thus, baseband processing for IQI compensation provides an alternative. The thesis begins by presenting a study in IQI modeling for direct conversion receivers, we then derive a model for general imbalances and show that it reproduces the two most common models in the bibliography. We proceed by exploring some of the existing IQI compensation techniques and discussing their underlying assumptions, advantages, and possible relevant issues. A novel pilot-sequence based approach for tackling IQI estimation and compensation is introduced in this thesis. The idea is to minimize the square Frobenius norm of the error between candidate covariance matrices, which are functions of the candidate IQI parameters, and the sample covariance matrices, obtained from measurements. This new method is first presented in a positioning context with flat fading channels, where IQI compensation is used to improve the positioning estimates mean square error. The technique is then adapted to orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems,including an version that exploits the 5G New Radio reference signals to estimate the IQI coefficients. We further generalize the new approach to solve joint transmitter and receiver IQI estimation and discuss the implementation details and suggested optimization techniques. The introduced methods are evaluated numerically in their corresponding chapters under a set of different conditions, such as varying signal-to-noise ratio, pilot sequence length, channel model, number of subcarriers, etc. Finally, the proposed compensation approach is compared to other well-established methods by evaluating the bit error rate curves of 5G transmissions. We consistently show that the proposed method is capable of outperforming these other methods if the SNR and pilot sequence length values are sufficiently high. In the positioning simulations, the proposed IQI compensation method was able to improve the root mean squared error (RMSE) of the position estimates by approximately 25 cm. In the OFDM scenario, with high SNR and a long pilot sequence, the new method produced estimates with mean squared error (MSE) about a million times smaller than those from a blind estimator. In bit error rate (BER) simulations, the new method was the only compensation technique capable of producing BER curves similar to the curves without IQI in all of the studied scenarios

Machine Learning in Wireless Sensor Networks: Algorithms, Strategies, and Applications

Wireless sensor networks monitor dynamic environments that change rapidly over time. This dynamic behavior is either caused by external factors or initiated by the system designers themselves. To adapt to such conditions, sensor networks often adopt machine learning techniques to eliminate the need for unnecessary redesign. Machine learning also inspires many practical solutions that maximize resource utilization and prolong the lifespan of the network. In this paper, we present an extensive literature review over the period 2002-2013 of machine learning methods that were used to address common issues in wireless sensor networks (WSNs). The advantages and disadvantages of each proposed algorithm are evaluated against the corresponding problem. We also provide a comparative guide to aid WSN designers in developing suitable machine learning solutions for their specific application challenges.Comment: Accepted for publication in IEEE Communications Surveys and Tutorial

Technology 2003: The Fourth National Technology Transfer Conference and Exposition, volume 2

Proceedings from symposia of the Technology 2003 Conference and Exposition, Dec. 7-9, 1993, Anaheim, CA, are presented. Volume 2 features papers on artificial intelligence, CAD&E, computer hardware, computer software, information management, photonics, robotics, test and measurement, video and imaging, and virtual reality/simulation

Atlas-based automated positioning of outer volume suppression slices in short-TE 3D MR spectroscopic imaging of the human brain

Spatial suppression of peripheral lipid-containing regions in volumetric MR spectroscopic imaging (MRSI) of the human brain requires placing large numbers of outer volume suppression (OVS) slices, which is time consuming, prone to operator error and may introduce subject-dependent variability in volume coverage. We developed a novel, computationally efficient atlas-based approach for automated positioning of up to 16 OVS slices and the MRSI slab. Standardized positions in MNI atlas space were established offline using a recently developed iterative optimization procedure. During the scanning session, positions in subject space were computed using affine transformation of standardized positions in MNI space. This atlas-based approach was characterized offline using MPRAGE data collected in 11 subjects. The method was further validated in 14 subjects on a clinical 3T scanner using 3D short TE (15-20ms) Proton-Echo-Planar-Spectroscopic-Imaging (PEPSI) in upper cerebrum. Comparison of manual and automatic placement using 8 OVS slices demonstrated consistent MRSI volume selection and comparable spectral quality with similar degree of lipid suppression and number of usable voxels. Automated positioning of 16 OVS slices enabled larger volume coverage, while maintaining similar spectral quality and lipid suppression. Atlas-based automatic prescription of short TE MRSI is expected to be advantageous for longitudinal and cross sectional studiesThis work was supported in part by the MIND Research Network (DOE Grant No. DE-FG02-99ER62764) and the University of New Mexico School of Medicine Brain and Behavioral Illness Signature Program.Publicad

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