Seamless and Secure VR: Adapting and Evaluating Established Authentication Systems for Virtual Reality

Virtual reality (VR) headsets are enabling a wide range of new opportunities for the user. For example, in the near future users may be able to visit virtual shopping malls and virtually join international conferences. These and many other scenarios pose new questions with regards to privacy and security, in particular authentication of users within the virtual environment. As a first step towards seamless VR authentication, this paper investigates the direct transfer of well-established concepts (PIN, Android unlock patterns) into VR. In a pilot study (N = 5) and a lab study (N = 25), we adapted existing mechanisms and evaluated their usability and security for VR. The results indicate that both PINs and patterns are well suited for authentication in VR. We found that the usability of both methods matched the performance known from the physical world. In addition, the private visual channel makes authentication harder to observe, indicating that authentication in VR using traditional concepts already achieves a good balance in the trade-off between usability and security. The paper contributes to a better understanding of authentication within VR environments, by providing the first investigation of established authentication methods within VR, and presents the base layer for the design of future authentication schemes, which are used in VR environments only

Enhancing interaction in mixed reality

With continuous technological innovation, we observe mixed reality emerging from research labs into the mainstream. The arrival of capable mixed reality devices transforms how we are entertained, consume information, and interact with computing systems, with the most recent being able to present synthesized stimuli to any of the human senses and substantially blur the boundaries between the real and virtual worlds. In order to build expressive and practical mixed reality experiences, designers, developers, and stakeholders need to understand and meet its upcoming challenges. This research contributes a novel taxonomy for categorizing mixed reality experiences and guidelines for designing mixed reality experiences. We present the results of seven studies examining the challenges and opportunities of mixed reality experiences, the impact of modalities and interaction techniques on the user experience, and how to enhance the experiences. We begin with a study determining user attitudes towards mixed reality in domestic and educational environments, followed by six research probes that each investigate an aspect of reality or virtuality. In the first, a levitating steerable projector enables us to investigate how the real world can be enhanced without instrumenting the user. We show that the presentation of in-situ instructions for navigational tasks leads to a significantly higher ability to observe and recall real-world landmarks. With the second probe, we enhance the perception of reality by superimposing information usually not visible to the human eye. In amplifying the human vision, we enable users to perceive thermal radiation visually. Further, we examine the effect of substituting physical components with non-functional tangible proxies or entirely virtual representations. With the third research probe, we explore how to enhance virtuality to enable a user to input text on a physical keyboard while being immersed in the virtual world. Our prototype tracked the user’s hands and keyboard to enable generic text input. Our analysis of text entry performance showed the importance and effect of different hand representations. We then investigate how to touch virtuality by simulating generic haptic feedback for virtual reality and show how tactile feedback through quadcopters can significantly increase the sense of presence. Our final research probe investigates the usability and input space of smartphones within mixed reality environments, pairing the user’s smartphone as an input device with a secondary physical screen. Based on our learnings from these individual research probes, we developed a novel taxonomy for categorizing mixed reality experiences and guidelines for designing mixed reality experiences. The taxonomy is based on the human sensory system and human capabilities of articulation. We showcased its versatility and set our research probes into perspective by organizing them inside the taxonomic space. The design guidelines are divided into user-centered and technology-centered. It is our hope that these will contribute to the bright future of mixed reality systems while emphasizing the new underlining interaction paradigm.Mixed Reality (vermischte Realitäten) gehen aufgrund kontinuierlicher technologischer Innovationen langsam von der reinen Forschung in den Massenmarkt über. Mit der Einführung von leistungsfähigen Mixed-Reality-Geräten verändert sich die Art und Weise, wie wir Unterhaltungsmedien und Informationen konsumieren und wie wir mit Computersystemen interagieren. Verschiedene existierende Geräte sind in der Lage, jeden der menschlichen Sinne mit synthetischen Reizen zu stimulieren. Hierdurch verschwimmt zunehmend die Grenze zwischen der realen und der virtuellen Welt. Um eindrucksstarke und praktische Mixed-Reality-Erfahrungen zu kreieren, müssen Designer und Entwicklerinnen die künftigen Herausforderungen und neuen Möglichkeiten verstehen. In dieser Dissertation präsentieren wir eine neue Taxonomie zur Kategorisierung von Mixed-Reality-Erfahrungen sowie Richtlinien für die Gestaltung von solchen. Wir stellen die Ergebnisse von sieben Studien vor, in denen die Herausforderungen und Chancen von Mixed-Reality-Erfahrungen, die Auswirkungen von Modalitäten und Interaktionstechniken auf die Benutzererfahrung und die Möglichkeiten zur Verbesserung dieser Erfahrungen untersucht werden. Wir beginnen mit einer Studie, in der die Haltung der nutzenden Person gegenüber Mixed Reality in häuslichen und Bildungsumgebungen analysiert wird. In sechs weiteren Fallstudien wird jeweils ein Aspekt der Realität oder Virtualität untersucht. In der ersten Fallstudie wird mithilfe eines schwebenden und steuerbaren Projektors untersucht, wie die Wahrnehmung der realen Welt erweitert werden kann, ohne dabei die Person mit Technologie auszustatten. Wir zeigen, dass die Darstellung von in-situ-Anweisungen für Navigationsaufgaben zu einer deutlich höheren Fähigkeit führt, Sehenswürdigkeiten der realen Welt zu beobachten und wiederzufinden. In der zweiten Fallstudie erweitern wir die Wahrnehmung der Realität durch Überlagerung von Echtzeitinformationen, die für das menschliche Auge normalerweise unsichtbar sind. Durch die Erweiterung des menschlichen Sehvermögens ermöglichen wir den Anwender:innen, Wärmestrahlung visuell wahrzunehmen. Darüber hinaus untersuchen wir, wie sich das Ersetzen von physischen Komponenten durch nicht funktionale, aber greifbare Replikate oder durch die vollständig virtuelle Darstellung auswirkt. In der dritten Fallstudie untersuchen wir, wie virtuelle Realitäten verbessert werden können, damit eine Person, die in der virtuellen Welt verweilt, Text auf einer physischen Tastatur eingeben kann. Unser Versuchsdemonstrator detektiert die Hände und die Tastatur, zeigt diese in der vermischen Realität an und ermöglicht somit die verbesserte Texteingaben. Unsere Analyse der Texteingabequalität zeigte die Wichtigkeit und Wirkung verschiedener Handdarstellungen. Anschließend untersuchen wir, wie man Virtualität berühren kann, indem wir generisches haptisches Feedback für virtuelle Realitäten simulieren. Wir zeigen, wie Quadrokopter taktiles Feedback ermöglichen und dadurch das Präsenzgefühl deutlich steigern können. Unsere letzte Fallstudie untersucht die Benutzerfreundlichkeit und den Eingaberaum von Smartphones in Mixed-Reality-Umgebungen. Hierbei wird das Smartphone der Person als Eingabegerät mit einem sekundären physischen Bildschirm verbunden, um die Ein- und Ausgabemodalitäten zu erweitern. Basierend auf unseren Erkenntnissen aus den einzelnen Fallstudien haben wir eine neuartige Taxonomie zur Kategorisierung von Mixed-Reality-Erfahrungen sowie Richtlinien für die Gestaltung von solchen entwickelt. Die Taxonomie basiert auf dem menschlichen Sinnessystem und den Artikulationsfähigkeiten. Wir stellen die vielseitige Verwendbarkeit vor und setzen unsere Fallstudien in Kontext, indem wir sie innerhalb des taxonomischen Raums einordnen. Die Gestaltungsrichtlinien sind in nutzerzentrierte und technologiezentrierte Richtlinien unterteilt. Es ist unsere Anliegen, dass diese Gestaltungsrichtlinien zu einer erfolgreichen Zukunft von Mixed-Reality-Systemen beitragen und gleichzeitig die neuen Interaktionsparadigmen hervorheben

Sublimate: State-Changing Virtual and Physical Rendering to Augment Interaction with Shape Displays

Recent research in 3D user interfaces pushes towards immersive graphics and actuated shape displays. Our work explores the hybrid of these directions, and we introduce sublimation and deposition, as metaphors for the transitions between physical and virtual states. We discuss how digital models, handles and controls can be interacted with as virtual 3D graphics or dynamic physical shapes, and how user interfaces can rapidly and fluidly switch between those representations. To explore this space, we developed two systems that integrate actuated shape displays and augmented reality (AR) for co-located physical shapes and 3D graphics. Our spatial optical see-through display provides a single user with head-tracked stereoscopic augmentation, whereas our handheld devices enable multi-user interaction through video seethrough AR. We describe interaction techniques and applications that explore 3D interaction for these new modalities. We conclude by discussing the results from a user study that show how freehand interaction with physical shape displays and co-located graphics can outperform wand-based interaction with virtual 3D graphics.National Science Foundation (U.S.) (Graduate Research Fellowship Grant 1122374

UltraBots: Large-Area Mid-Air Haptics for VR with Robotically Actuated Ultrasound Transducers

We introduce UltraBots, a system that combines ultrasound haptic feedback and robotic actuation for large-area mid-air haptics for VR. Ultrasound haptics can provide precise mid-air haptic feedback and versatile shape rendering, but the interaction area is often limited by the small size of the ultrasound devices, restricting the possible interactions for VR. To address this problem, this paper introduces a novel approach that combines robotic actuation with ultrasound haptics. More specifically, we will attach ultrasound transducer arrays to tabletop mobile robots or robotic arms for scalable, extendable, and translatable interaction areas. We plan to use Sony Toio robots for 2D translation and/or commercially available robotic arms for 3D translation. Using robotic actuation and hand tracking measured by a VR HMD (e.g., Oculus Quest), our system can keep the ultrasound transducers underneath the user's hands to provide on-demand haptics. We demonstrate applications with workspace environments, medical training, education and entertainment.Comment: UIST 2022 SI

From Manual Driving to Automated Driving: A Review of 10 Years of AutoUI

This paper gives an overview of the ten-year devel- opment of the papers presented at the International ACM Conference on Automotive User Interfaces and Interactive Vehicular Applications (AutoUI) from 2009 to 2018. We categorize the topics into two main groups, namely, manual driving-related research and automated driving-related re- search. Within manual driving, we mainly focus on studies on user interfaces (UIs), driver states, augmented reality and head-up displays, and methodology; Within automated driv- ing, we discuss topics, such as takeover, acceptance and trust, interacting with road users, UIs, and methodology. We also discuss the main challenges and future directions for AutoUI and offer a roadmap for the research in this area.https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/153959/1/From Manual Driving to Automated Driving: A Review of 10 Years of AutoUI.pdfDescription of From Manual Driving to Automated Driving: A Review of 10 Years of AutoUI.pdf : Main articl