Design and recognition of microgestures for always-available input

Gestural user interfaces for computing devices most commonly require the user to have at least one hand free to interact with the device, for example, moving a mouse, touching a screen, or performing mid-air gestures. Consequently, users find it difficult to operate computing devices while holding or manipulating everyday objects. This limits the users from interacting with the digital world during a significant portion of their everyday activities, such as, using tools in the kitchen or workshop, carrying items, or workout with sports equipment. This thesis pushes the boundaries towards the bigger goal of enabling always-available input. Microgestures have been recognized for their potential to facilitate direct and subtle interactions. However, it remains an open question how to interact using gestures with computing devices when both of the user’s hands are occupied holding everyday objects. We take a holistic approach and focus on three core contributions: i) To understand end-users preferences, we present an empirical analysis of users’ choice of microgestures when holding objects of diverse geometries. Instead of designing a gesture set for a specific object or geometry and to identify gestures that generalize, this thesis leverages the taxonomy of grasp types established from prior research. ii) We tackle the critical problem of avoiding false activation by introducing a novel gestural input concept that leverages a single-finger movement, which stands out from everyday finger motions during holding and manipulating objects. Through a data-driven approach, we also systematically validate the concept’s robustness with different everyday actions. iii) While full sensor coverage on the user’s hand would allow detailed hand-object interaction, minimal instrumentation is desirable for real-world use. This thesis addresses the problem of identifying sparse sensor layouts. We present the first rapid computational method, along with a GUI-based design tool that enables iterative design based on the designer’s high-level requirements. Furthermore, we demonstrate that minimal form-factor devices, like smart rings, can be used to effectively detect microgestures in hands-free and busy scenarios. Overall, the presented findings will serve as both conceptual and technical foundations for enabling interaction with computing devices wherever and whenever users need them.Benutzerschnittstellen für Computergeräte auf Basis von Gesten erfordern für eine Interaktion meist mindestens eine freie Hand, z.B. um eine Maus zu bewegen, einen Bildschirm zu berühren oder Gesten in der Luft auszuführen. Daher ist es für Nutzer schwierig, Geräte zu bedienen, während sie Gegenstände halten oder manipulieren. Dies schränkt die Interaktion mit der digitalen Welt während eines Großteils ihrer alltäglichen Aktivitäten ein, etwa wenn sie Küchengeräte oder Werkzeug verwenden, Gegenstände tragen oder mit Sportgeräten trainieren. Diese Arbeit erforscht neue Wege in Richtung des größeren Ziels, immer verfügbare Eingaben zu ermöglichen. Das Potential von Mikrogesten für die Erleichterung von direkten und feinen Interaktionen wurde bereits erkannt. Die Frage, wie der Nutzer mit Geräten interagiert, wenn beide Hände mit dem Halten von Gegenständen belegt sind, bleibt jedoch offen. Wir verfolgen einen ganzheitlichen Ansatz und konzentrieren uns auf drei Kernbeiträge: i) Um die Präferenzen der Endnutzer zu verstehen, präsentieren wir eine empirische Analyse der Wahl von Mikrogesten beim Halten von Objekte mit diversen Geometrien. Anstatt einen Satz an Gesten für ein bestimmtes Objekt oder eine bestimmte Geometrie zu entwerfen, nutzt diese Arbeit die aus früheren Forschungen stammenden Taxonomien an Griff-Typen. ii) Wir adressieren das Problem falscher Aktivierungen durch ein neuartiges Eingabekonzept, das die sich von alltäglichen Fingerbewegungen abhebende Bewegung eines einzelnen Fingers nutzt. Durch einen datengesteuerten Ansatz validieren wir zudem systematisch die Robustheit des Konzepts bei diversen alltäglichen Aktionen. iii) Auch wenn eine vollständige Sensorabdeckung an der Hand des Nutzers eine detaillierte Hand-Objekt-Interaktion ermöglichen würde, ist eine minimale Ausstattung für den Einsatz in der realen Welt wünschenswert. Diese Arbeit befasst sich mit der Identifizierung reduzierter Sensoranordnungen. Wir präsentieren die erste, schnelle Berechnungsmethode in einem GUI-basierten Designtool, das iteratives Design basierend auf den Anforderungen des Designers ermöglicht. Wir zeigen zudem, dass Geräte mit minimalem Formfaktor wie smarte Ringe für die Erkennung von Mikrogesten verwendet werden können. Insgesamt dienen die vorgestellten Ergebnisse sowohl als konzeptionelle als auch als technische Grundlage für die Realisierung von Interaktion mit Computergeräten wo und wann immer Nutzer sie benötigen.Bosch Researc

From wearable towards epidermal computing : soft wearable devices for rich interaction on the skin

Human skin provides a large, always available, and easy to access real-estate for interaction. Recent advances in new materials, electronics, and human-computer interaction have led to the emergence of electronic devices that reside directly on the user's skin. These conformal devices, referred to as Epidermal Devices, have mechanical properties compatible with human skin: they are very thin, often thinner than human hair; they elastically deform when the body is moving, and stretch with the user's skin. Firstly, this thesis provides a conceptual understanding of Epidermal Devices in the HCI literature. We compare and contrast them with other technical approaches that enable novel on-skin interactions. Then, through a multi-disciplinary analysis of Epidermal Devices, we identify the design goals and challenges that need to be addressed for advancing this emerging research area in HCI. Following this, our fundamental empirical research investigated how epidermal devices of different rigidity levels affect passive and active tactile perception. Generally, a correlation was found between the device rigidity and tactile sensitivity thresholds as well as roughness discrimination ability. Based on these findings, we derive design recommendations for realizing epidermal devices. Secondly, this thesis contributes novel Epidermal Devices that enable rich on-body interaction. SkinMarks contributes to the fabrication and design of novel Epidermal Devices that are highly skin-conformal and enable touch, squeeze, and bend sensing with co-located visual output. These devices can be deployed on highly challenging body locations, enabling novel interaction techniques and expanding the design space of on-body interaction. Multi-Touch Skin enables high-resolution multi-touch input on the body. We present the first non-rectangular and high-resolution multi-touch sensor overlays for use on skin and introduce a design tool that generates such sensors in custom shapes and sizes. Empirical results from two technical evaluations confirm that the sensor achieves a high signal-to-noise ratio on the body under various grounding conditions and has a high spatial accuracy even when subjected to strong deformations. Thirdly, Epidermal Devices are in contact with the skin, they offer opportunities for sensing rich physiological signals from the body. To leverage this unique property, this thesis presents rapid fabrication and computational design techniques for realizing Multi-Modal Epidermal Devices that can measure multiple physiological signals from the human body. Devices fabricated through these techniques can measure ECG (Electrocardiogram), EMG (Electromyogram), and EDA (Electro-Dermal Activity). We also contribute a computational design and optimization method based on underlying human anatomical models to create optimized device designs that provide an optimal trade-off between physiological signal acquisition capability and device size. The graphical tool allows for easily specifying design preferences and to visually analyze the generated designs in real-time, enabling designer-in-the-loop optimization. Experimental results show high quantitative agreement between the prediction of the optimizer and experimentally collected physiological data. Finally, taking a multi-disciplinary perspective, we outline the roadmap for future research in this area by highlighting the next important steps, opportunities, and challenges. Taken together, this thesis contributes towards a holistic understanding of Epidermal Devices}: it provides an empirical and conceptual understanding as well as technical insights through contributions in DIY (Do-It-Yourself), rapid fabrication, and computational design techniques.Die menschliche Haut bietet eine große, stets verfügbare und leicht zugängliche Fläche für Interaktion. Jüngste Fortschritte in den Bereichen Materialwissenschaft, Elektronik und Mensch-Computer-Interaktion (Human-Computer-Interaction, HCI) [so that you can later use the Englisch abbreviation] haben zur Entwicklung elektronischer Geräte geführt, die sich direkt auf der Haut des Benutzers befinden. Diese sogenannten Epidermisgeräte haben mechanische Eigenschaften, die mit der menschlichen Haut kompatibel sind: Sie sind sehr dünn, oft dünner als ein menschliches Haar; sie verformen sich elastisch, wenn sich der Körper bewegt, und dehnen sich mit der Haut des Benutzers. Diese Thesis bietet, erstens, ein konzeptionelles Verständnis von Epidermisgeräten in der HCI-Literatur. Wir vergleichen sie mit anderen technischen Ansätzen, die neuartige Interaktionen auf der Haut ermöglichen. Dann identifizieren wir durch eine multidisziplinäre Analyse von Epidermisgeräten die Designziele und Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um diesen aufstrebenden Forschungsbereich voranzubringen. Im Anschluss daran untersuchten wir in unserer empirischen Grundlagenforschung, wie epidermale Geräte unterschiedlicher Steifigkeit die passive und aktive taktile Wahrnehmung beeinflussen. Im Allgemeinen wurde eine Korrelation zwischen der Steifigkeit des Geräts und den taktilen Empfindlichkeitsschwellen sowie der Fähigkeit zur Rauheitsunterscheidung festgestellt. Basierend auf diesen Ergebnissen leiten wir Designempfehlungen für die Realisierung epidermaler Geräte ab. Zweitens trägt diese Thesis zu neuartigen Epidermisgeräten bei, die eine reichhaltige Interaktion am Körper ermöglichen. SkinMarks trägt zur Herstellung und zum Design neuartiger Epidermisgeräte bei, die hochgradig an die Haut angepasst sind und Berührungs-, Quetsch- und Biegesensoren mit gleichzeitiger visueller Ausgabe ermöglichen. Diese Geräte können an sehr schwierigen Körperstellen eingesetzt werden, ermöglichen neuartige Interaktionstechniken und erweitern den Designraum für die Interaktion am Körper. Multi-Touch Skin ermöglicht hochauflösende Multi-Touch-Eingaben am Körper. Wir präsentieren die ersten nicht-rechteckigen und hochauflösenden Multi-Touch-Sensor-Overlays zur Verwendung auf der Haut und stellen ein Design-Tool vor, das solche Sensoren in benutzerdefinierten Formen und Größen erzeugt. Empirische Ergebnisse aus zwei technischen Evaluierungen bestätigen, dass der Sensor auf dem Körper unter verschiedenen Bedingungen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht und eine hohe räumliche Auflösung aufweist, selbst wenn er starken Verformungen ausgesetzt ist. Drittens, da Epidermisgeräte in Kontakt mit der Haut stehen, bieten sie die Möglichkeit, reichhaltige physiologische Signale des Körpers zu erfassen. Um diese einzigartige Eigenschaft zu nutzen, werden in dieser Arbeit Techniken zur schnellen Herstellung und zum computergestützten Design von multimodalen Epidermisgeräten vorgestellt, die mehrere physiologische Signale des menschlichen Körpers messen können. Die mit diesen Techniken hergestellten Geräte können EKG (Elektrokardiogramm), EMG (Elektromyogramm) und EDA (elektrodermale Aktivität) messen. Darüber hinaus stellen wir eine computergestützte Design- und Optimierungsmethode vor, die auf den zugrunde liegenden anatomischen Modellen des Menschen basiert, um optimierte Gerätedesigns zu erstellen. Diese Designs bieten einen optimalen Kompromiss zwischen der Fähigkeit zur Erfassung physiologischer Signale und der Größe des Geräts. Das grafische Tool ermöglicht die einfache Festlegung von Designpräferenzen und die visuelle Analyse der generierten Designs in Echtzeit, was eine Optimierung durch den Designer im laufenden Betrieb ermöglicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen eine hohe quantitative Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Optimierers und den experimentell erfassten physiologischen Daten. Schließlich skizzieren wir aus einer multidisziplinären Perspektive einen Fahrplan für zukünftige Forschung in diesem Bereich, indem wir die nächsten wichtigen Schritte, Möglichkeiten und Herausforderungen hervorheben. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem ganzheitlichen Verständnis von Epidermisgeräten bei: Sie liefert ein empirisches und konzeptionelles Verständnis sowie technische Einblicke durch Beiträge zu DIY (Do-It-Yourself), schneller Fertigung und computergestützten Entwurfstechniken

Indutivo: Contact-Based, Object-Driven Interactions with Inductive Sensing

We present Indutivo, a contact-based inductive sensing technique for contextual interactions. Our technique recognizes conductive objects (metallic primarily) that are commonly found in households and daily environments, as well as their individual movements when placed against the sensor. These movements include sliding, hinging, and rotation. We describe our sensing principle and how we designed the size, shape, and layout of our sensor coils to optimize sensitivity, sensing range, recognition and tracking accuracy. Through several studies, we also demonstrated the performance of our proposed sensing technique in environments with varying levels of noise and interference conditions. We conclude by presenting demo applications on a smartwatch, as well as insights and lessons we learned from our experience

WRIST : Watch-Ring Interaction and Sensing Technique for wrist gestures and macro-micro pointing

Funding: Next-Generation In-ormation Computing Development Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT (NRF-2017M3C4A7066316) and Institute of Information & communications Technology Planning & Evaluation (IITP) grant funded by the Korea government (MSIT) (No.2019-0-01270, WISE AR UI/UX Platform Development for Smartglasses).To better explore the incorporation of pointing and gesturing into ubiquitous computing, we introduce WRIST, an interaction and sensing technique that leverages the dexterity of human wrist motion. WRIST employs a sensor fusion approach which combines inertial measurement unit (IMU) data from a smartwatch and a smart ring. The relative orientation difference of the two devices is measured as the wrist rotation that is independent from arm rotation, which is also position and orientation invariant. Employing our test hardware, we demonstrate that WRIST affords and enables a number of novel yet simplistic interaction techniques, such as (i) macro-micro pointing without explicit mode switching and (ii) wrist gesture recognition when the hand is held in different orientations (e.g., raised or lowered). We report on two studies to evaluate the proposed techniques and we present a set of applications that demonstrate the benefits of WRIST. We conclude with a discussion of the limitations and highlight possible future pathways for research in pointing and gesturing with wearable devices.Postprin

Continuous Estimation of Smoking Lapse Risk from Noisy Wrist Sensor Data Using Sparse and Positive-Only Labels

Estimating the imminent risk of adverse health behaviors provides opportunities for developing effective behavioral intervention mechanisms to prevent the occurrence of the target behavior. One of the key goals is to find opportune moments for intervention by passively detecting the rising risk of an imminent adverse behavior. Significant progress in mobile health research and the ability to continuously sense internal and external states of individual health and behavior has paved the way for detecting diverse risk factors from mobile sensor data. The next frontier in this research is to account for the combined effects of these risk factors to produce a composite risk score of adverse behaviors using wearable sensors convenient for daily use. Developing a machine learning-based model for assessing the risk of smoking lapse in the natural environment faces significant outstanding challenges requiring the development of novel and unique methodologies for each of them. The first challenge is coming up with an accurate representation of noisy and incomplete sensor data to encode the present and historical influence of behavioral cues, mental states, and the interactions of individuals with their ever-changing environment. The next noteworthy challenge is the absence of confirmed negative labels of low-risk states and adequate precise annotations of high-risk states. Finally, the model should work on convenient wearable devices to facilitate widespread adoption in research and practice. In this dissertation, we develop methods that account for the multi-faceted nature of smoking lapse behavior to train and evaluate a machine learning model capable of estimating composite risk scores in the natural environment. We first develop mRisk, which combines the effects of various mHealth biomarkers such as stress, physical activity, and location history in producing the risk of smoking lapse using sequential deep neural networks. We propose an event-based encoding of sensor data to reduce the effect of noises and then present an approach to efficiently model the historical influence of recent and past sensor-derived contexts on the likelihood of smoking lapse. To circumvent the lack of confirmed negative labels (i.e., annotated low-risk moments) and only a few positive labels (i.e., sensor-based detection of smoking lapse corroborated by self-reports), we propose a new loss function to accurately optimize the models. We build the mRisk models using biomarker (stress, physical activity) streams derived from chest-worn sensors. Adapting the models to work with less invasive and more convenient wrist-based sensors requires adapting the biomarker detection models to work with wrist-worn sensor data. To that end, we develop robust stress and activity inference methodologies from noisy wrist-sensor data. We first propose CQP, which quantifies wrist-sensor collected PPG data quality. Next, we show that integrating CQP within the inference pipeline improves accuracy-yield trade-offs associated with stress detection from wrist-worn PPG sensors in the natural environment. mRisk also requires sensor-based precise detection of smoking events and confirmation through self-reports to extract positive labels. Hence, we develop rSmoke, an orientation-invariant smoking detection model that is robust to the variations in sensor data resulting from orientation switches in the field. We train the proposed mRisk risk estimation models using the wrist-based inferences of lapse risk factors. To evaluate the utility of the risk models, we simulate the delivery of intelligent smoking interventions to at-risk participants as informed by the composite risk scores. Our results demonstrate the envisaged impact of machine learning-based models operating on wrist-worn wearable sensor data to output continuous smoking lapse risk scores. The novel methodologies we propose throughout this dissertation help instigate a new frontier in smoking research that can potentially improve the smoking abstinence rate in participants willing to quit

Earables: Wearable Computing on the Ears

Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer

Blending the Material and Digital World for Hybrid Interfaces

The development of digital technologies in the 21st century is progressing continuously and new device classes such as tablets, smartphones or smartwatches are finding their way into our everyday lives. However, this development also poses problems, as these prevailing touch and gestural interfaces often lack tangibility, take little account of haptic qualities and therefore require full attention from their users. Compared to traditional tools and analog interfaces, the human skills to experience and manipulate material in its natural environment and context remain unexploited. To combine the best of both, a key question is how it is possible to blend the material world and digital world to design and realize novel hybrid interfaces in a meaningful way. Research on Tangible User Interfaces (TUIs) investigates the coupling between physical objects and virtual data. In contrast, hybrid interfaces, which specifically aim to digitally enrich analog artifacts of everyday work, have not yet been sufficiently researched and systematically discussed. Therefore, this doctoral thesis rethinks how user interfaces can provide useful digital functionality while maintaining their physical properties and familiar patterns of use in the real world. However, the development of such hybrid interfaces raises overarching research questions about the design: Which kind of physical interfaces are worth exploring? What type of digital enhancement will improve existing interfaces? How can hybrid interfaces retain their physical properties while enabling new digital functions? What are suitable methods to explore different design? And how to support technology-enthusiast users in prototyping? For a systematic investigation, the thesis builds on a design-oriented, exploratory and iterative development process using digital fabrication methods and novel materials. As a main contribution, four specific research projects are presented that apply and discuss different visual and interactive augmentation principles along real-world applications. The applications range from digitally-enhanced paper, interactive cords over visual watch strap extensions to novel prototyping tools for smart garments. While almost all of them integrate visual feedback and haptic input, none of them are built on rigid, rectangular pixel screens or use standard input modalities, as they all aim to reveal new design approaches. The dissertation shows how valuable it can be to rethink familiar, analog applications while thoughtfully extending them digitally. Finally, this thesis’ extensive work of engineering versatile research platforms is accompanied by overarching conceptual work, user evaluations and technical experiments, as well as literature reviews.Die Durchdringung digitaler Technologien im 21. Jahrhundert schreitet stetig voran und neue Geräteklassen wie Tablets, Smartphones oder Smartwatches erobern unseren Alltag. Diese Entwicklung birgt aber auch Probleme, denn die vorherrschenden berührungsempfindlichen Oberflächen berücksichtigen kaum haptische Qualitäten und erfordern daher die volle Aufmerksamkeit ihrer Nutzer:innen. Im Vergleich zu traditionellen Werkzeugen und analogen Schnittstellen bleiben die menschlichen Fähigkeiten ungenutzt, die Umwelt mit allen Sinnen zu begreifen und wahrzunehmen. Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, stellt sich daher die Frage, wie neuartige hybride Schnittstellen sinnvoll gestaltet und realisiert werden können, um die materielle und die digitale Welt zu verschmelzen. In der Forschung zu Tangible User Interfaces (TUIs) wird die Verbindung zwischen physischen Objekten und virtuellen Daten untersucht. Noch nicht ausreichend erforscht wurden hingegen hybride Schnittstellen, die speziell darauf abzielen, physische Gegenstände des Alltags digital zu erweitern und anhand geeigneter Designparameter und Entwurfsräume systematisch zu untersuchen. In dieser Dissertation wird daher untersucht, wie Materialität und Digitalität nahtlos ineinander übergehen können. Es soll erforscht werden, wie künftige Benutzungsschnittstellen nützliche digitale Funktionen bereitstellen können, ohne ihre physischen Eigenschaften und vertrauten Nutzungsmuster in der realen Welt zu verlieren. Die Entwicklung solcher hybriden Ansätze wirft jedoch übergreifende Forschungsfragen zum Design auf: Welche Arten von physischen Schnittstellen sind es wert, betrachtet zu werden? Welche Art von digitaler Erweiterung verbessert das Bestehende? Wie können hybride Konzepte ihre physischen Eigenschaften beibehalten und gleichzeitig neue digitale Funktionen ermöglichen? Was sind geeignete Methoden, um verschiedene Designs zu erforschen? Wie kann man Technologiebegeisterte bei der Erstellung von Prototypen unterstützen? Für eine systematische Untersuchung stützt sich die Arbeit auf einen designorientierten, explorativen und iterativen Entwicklungsprozess unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden und neuartiger Materialien. Im Hauptteil werden vier Forschungsprojekte vorgestellt, die verschiedene visuelle und interaktive Prinzipien entlang realer Anwendungen diskutieren. Die Szenarien reichen von digital angereichertem Papier, interaktiven Kordeln über visuelle Erweiterungen von Uhrarmbändern bis hin zu neuartigen Prototyping-Tools für intelligente Kleidungsstücke. Um neue Designansätze aufzuzeigen, integrieren nahezu alle visuelles Feedback und haptische Eingaben, um Alternativen zu Standard-Eingabemodalitäten auf starren Pixelbildschirmen zu schaffen. Die Dissertation hat gezeigt, wie wertvoll es sein kann, bekannte, analoge Anwendungen zu überdenken und sie dabei gleichzeitig mit Bedacht digital zu erweitern. Dabei umfasst die vorliegende Arbeit sowohl realisierte technische Forschungsplattformen als auch übergreifende konzeptionelle Arbeiten, Nutzerstudien und technische Experimente sowie die Analyse existierender Forschungsarbeiten

Designing Efficient and Accurate Behavior-Aware Mobile Systems

The proliferation of sensors on smartphones, tablets and wearables has led to a plethora of behavior classification algorithms designed to sense various aspects of individual user\u27s behavior such as daily habits, activity, physiology, mobility, sleep, emotional and social contexts. This ability to sense and understand behaviors of mobile users will drive the next generation of mobile applications providing services based on the users\u27 behavioral patterns. In this thesis, we investigate ways in which we can enhance and utilize the understanding of user behaviors in such applications. In particular, we focus on identifying the key challenges in the following three aspects of behavior-aware applications: detection, understanding, and prediction of user behaviors; and present systems and techniques developed to address these challenges. In this thesis, we first demonstrate the utility of wristbands equipped with inertial sensors in real-time detection of health-related behaviors such as smoking and eating. Our approach detects these behaviors in a passive manner without any explicit user interaction and does not require use of any cumbersome device. Our results show that we can detect smoking with 95% accuracy, 91% precision and 81% recall in the natural environment. Second, we design a context-query engine for sensing multiple user contexts continuously, accurately and efficiently on mobile devices; the key necessity for understanding and analyzing behaviors. Our context-query engine performs information fusion of contexts for an individual user to enable optimizations like i) energy-efficient sensing, and ii) accurate context inference. Our results show that we can improve accuracy of a context classifier by up to 42% and reduce the number of classifiers required to observe the user state by 33%. Finally, we demonstrate the utility of predicting app usage behavior, in improving the freshness of mobile apps such as Facebook that present users with the latest content fetched from remote servers. We present an app prediction algorithm that utilizes user contexts to predict the app a user is likely to use and pre-fetches the data over the network for the predicted app. We show that our proposed algorithm delivers application content to the user that is on an average fresh within 3 minutes