Eyes-Off Physically Grounded Mobile Interaction

This thesis explores the possibilities, challenges and future scope for eyes-off, physically grounded mobile interaction. We argue that for interactions with digital content in physical spaces, our focus should not be constantly and solely on the device we are using, but fused with an experience of the places themselves, and the people who inhabit them. Through the design, development and evaluation of a series ofnovel prototypes we show the benefits of a more eyes-off mobile interaction style.Consequently, we are able to outline several important design recommendations for future devices in this area.The four key contributing chapters of this thesis each investigate separate elements within this design space. We begin by evaluating the need for screen-primary feedback during content discovery, showing how a more exploratory experience can be supported via a less-visual interaction style. We then demonstrate how tactilefeedback can improve the experience and the accuracy of the approach. In our novel tactile hierarchy design we add a further layer of haptic interaction, and show how people can be supported in finding and filtering content types, eyes-off. We then turn to explore interactions that shape the ways people interact with aphysical space. Our novel group and solo navigation prototypes use haptic feedbackfor a new approach to pedestrian navigation. We demonstrate how variations inthis feedback can support exploration, giving users autonomy in their navigationbehaviour, but with an underlying reassurance that they will reach the goal.Our final contributing chapter turns to consider how these advanced interactionsmight be provided for people who do not have the expensive mobile devices that areusually required. We extend an existing telephone-based information service to support remote back-of-device inputs on low-end mobiles. We conclude by establishingthe current boundaries of these techniques, and suggesting where their usage couldlead in the future

Designing Tactile Interfaces for Abstract Interpersonal Communication, Pedestrian Navigation and Motorcyclists Navigation

The tactile medium of communication with users is appropriate for displaying information in situations where auditory and visual mediums are saturated. There are situations where a subject's ability to receive information through either of these channels is severely restricted by the environment they are in or through any physical impairments that the subject may have. In this project, we have focused on two groups of users who need sustained visual and auditory focus in their task: Soldiers on the battle field and motorcyclists. Soldiers on the battle field use their visual and auditory capabilities to maintain awareness of their environment to guard themselves from enemy assault. One of the major challenges to coordination in a hazardous environment is maintaining communication between team members while mitigating cognitive load. Compromise in communication between team members may result in mistakes that can adversely affect the outcome of a mission. We have built two vibrotactile displays, Tactor I and Tactor II, each with nine actuators arranged in a three-by-three matrix with differing contact areas that can represent a total of 511 shapes. We used two dimensions of tactile medium, shapes and waveforms, to represent verb phrases and evaluated ability of users to perceive verb phrases the tactile code. We evaluated the effectiveness of communicating verb phrases while the users were performing two tasks simultaneously. The results showed that performing additional visual task did not affect the accuracy or the time taken to perceive tactile codes. Another challenge in coordinating Soldiers on a battle field is navigating them to respective assembly areas. We have developed HaptiGo, a lightweight haptic vest that provides pedestrians both navigational intelligence and obstacle detection capabilities. HaptiGo consists of optimally-placed vibro-tactile sensors that utilize natural and small form factor interaction cues, thus emulating the sensation of being passively guided towards the intended direction. We evaluated HaptiGo and found that it was able to successfully navigate users with timely alerts of incoming obstacles without increasing cognitive load, thereby increasing their environmental awareness. Additionally, we show that users are able to respond to directional information without training. The needs of motorcyclists are di erent from those of Soldiers. Motorcyclists' need to maintain visual and auditory situational awareness at all times is crucial since they are highly exposed on the road. Route guidance systems, such as the Garmin, have been well tested on automobilists, but remain much less safe for use by motorcyclists. Audio/visual routing systems decrease motorcyclists' situational awareness and vehicle control, and thus increase the chances of an accident. To enable motorcyclists to take advantage of route guidance while maintaining situational awareness, we created HaptiMoto, a wearable haptic route guidance system. HaptiMoto uses tactile signals to encode the distance and direction of approaching turns, thus avoiding interference with audio/visual awareness. Evaluations show that HaptiMoto is intuitive for motorcyclists, and a safer alternative to existing solutions

Integrating Haptic Feedback into Mobile Location Based Services

Haptics is a feedback technology that takes advantage of the human sense of touch by applying forces, vibrations, and/or motions to a haptic-enabled device such as a mobile phone. Historically, human-computer interaction has been visual - text and images on the screen. Haptic feedback can be an important additional method especially in Mobile Location Based Services such as knowledge discovery, pedestrian navigation and notification systems. A knowledge discovery system called the Haptic GeoWand is a low interaction system that allows users to query geo-tagged data around them by using a point-and-scan technique with their mobile device. Haptic Pedestrian is a navigation system for walkers. Four prototypes have been developed classified according to the user’s guidance requirements, the user type (based on spatial skills), and overall system complexity. Haptic Transit is a notification system that provides spatial information to the users of public transport. In all these systems, haptic feedback is used to convey information about location, orientation, density and distance by use of the vibration alarm with varying frequencies and patterns to help understand the physical environment. Trials elicited positive responses from the users who see benefit in being provided with a “heads up” approach to mobile navigation. Results from a memory recall test show that the users of haptic feedback for navigation had better memory recall of the region traversed than the users of landmark images. Haptics integrated into a multi-modal navigation system provides more usable, less distracting but more effective interaction than conventional systems. Enhancements to the current work could include integration of contextual information, detailed large-scale user trials and the exploration of using haptics within confined indoor spaces

Obstacle detection display for visually impaired:Coding of direction, distance, and height on a vibrotactile waist band

Electronic travel aids (ETAs) can potentially increase the safety and comfort of blind users by detecting and displaying obstacles outside the range of the white cane. In a series of experiments, we aim to balance the amount of information displayed and the comprehensibility of the information taking into account the risk of information overload. In Experiment 1, we investigate perception of compound signals displayed on a tactile vest while walking. The results confirm that the threat of information overload is clear and present. Tactile coding parameters that are sufficiently discriminable in isolation may not be so in compound signals and while walking and using the white cane. Horizontal tactor location is a strong coding parameter, and temporal pattern is the preferred secondary coding parameter. Vertical location is also possible as coding parameter but it requires additional tactors and makes the display hardware more complex and expensive and less user friendly. In Experiment 2, we investigate how we can off-load the tactile modality by mitigating part of the information to an auditory display. Off-loading the tactile modality through auditory presentation is possible, but this off-loading is limited and may result in a new threat of auditory overload. In addition, taxing the auditory channel may in turn interfere with other auditory cues from the environment. In Experiment 3, we off-load the tactile sense by reducing the amount of displayed information using several filter rules. The resulting design was evaluated in Experiment 4 with visually impaired users. Although they acknowledge the potential of the display, the added of the ETA as a whole also depends on its sensor and object recognition capabilities. We recommend to use not more than two coding parameters in a tactile compound message and apply filter rules to reduce the amount of obstacles to be displayed in an obstacle avoidance ETA.</p

Haptic Interaction with a Guide Robot in Zero Visibility

Search and rescue operations are often undertaken in dark and noisy environment in which rescue team must rely on haptic feedback for exploration and safe exit. However, little attention has been paid specifically to haptic sensitivity in such contexts or the possibility of enhancing communicational proficiency in the haptic mode as a life-preserving measure. The potential of root swarms for search and rescue has been shown by the Guardians project (EU, 2006-2010); however the project also showed the problem of human robot interaction in smoky (non-visibility) and noisy conditions. The REINS project (UK, 2011-2015) focused on human robot interaction in such conditions. This research is a body of work (done as a part of he REINS project) which investigates the haptic interaction of a person wit a guide robot in zero visibility. The thesis firstly reflects upon real world scenarios where people make use of the haptic sense to interact in zero visibility (such as interaction among firefighters and symbiotic relationship between visually impaired people and guide dogs). In addition, it reflects on the sensitivity and trainability of the haptic sense, to be used for the interaction. The thesis presents an analysis and evaluation of the design of a physical interface (Designed by the consortium of the REINS project) connecting the human and the robotic guide in poor visibility conditions. Finally, it lays a foundation for the design of test cases to evaluate human robot haptic interaction, taking into consideration the two aspects of the interaction, namely locomotion guidance and environmental exploration

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

An Orientation & Mobility Aid for People with Visual Impairments

Orientierung&Mobilität (O&M) umfasst eine Reihe von Techniken für Menschen mit Sehschädigungen, die ihnen helfen, sich im Alltag zurechtzufinden. Dennoch benötigen sie einen umfangreichen und sehr aufwendigen Einzelunterricht mit O&M Lehrern, um diese Techniken in ihre täglichen Abläufe zu integrieren. Während einige dieser Techniken assistive Technologien benutzen, wie zum Beispiel den Blinden-Langstock, Points of Interest Datenbanken oder ein Kompass gestütztes Orientierungssystem, existiert eine unscheinbare Kommunikationslücke zwischen verfügbaren Hilfsmitteln und Navigationssystemen. In den letzten Jahren sind mobile Rechensysteme, insbesondere Smartphones, allgegenwärtig geworden. Dies eröffnet modernen Techniken des maschinellen Sehens die Möglichkeit, den menschlichen Sehsinn bei Problemen im Alltag zu unterstützen, die durch ein nicht barrierefreies Design entstanden sind. Dennoch muss mit besonderer Sorgfalt vorgegangen werden, um dabei nicht mit den speziellen persönlichen Kompetenzen und antrainierten Verhaltensweisen zu kollidieren, oder schlimmstenfalls O&M Techniken sogar zu widersprechen. In dieser Dissertation identifizieren wir eine räumliche und systembedingte Lücke zwischen Orientierungshilfen und Navigationssystemen für Menschen mit Sehschädigung. Die räumliche Lücke existiert hauptsächlich, da assistive Orientierungshilfen, wie zum Beispiel der Blinden-Langstock, nur dabei helfen können, die Umgebung in einem limitierten Bereich wahrzunehmen, während Navigationsinformationen nur sehr weitläufig gehalten sind. Zusätzlich entsteht diese Lücke auch systembedingt zwischen diesen beiden Komponenten — der Blinden-Langstock kennt die Route nicht, während ein Navigationssystem nahegelegene Hindernisse oder O&M Techniken nicht weiter betrachtet. Daher schlagen wir verschiedene Ansätze zum Schließen dieser Lücke vor, um die Verbindung und Kommunikation zwischen Orientierungshilfen und Navigationsinformationen zu verbessern und betrachten das Problem dabei aus beiden Richtungen. Um nützliche relevante Informationen bereitzustellen, identifizieren wir zuerst die bedeutendsten Anforderungen an assistive Systeme und erstellen einige Schlüsselkonzepte, die wir bei unseren Algorithmen und Prototypen beachten. Existierende assistive Systeme zur Orientierung basieren hauptsächlich auf globalen Navigationssatellitensystemen. Wir versuchen, diese zu verbessern, indem wir einen auf Leitlinien basierenden Routing Algorithmus erstellen, der auf individuelle Bedürfnisse anpassbar ist und diese berücksichtigt. Generierte Routen sind zwar unmerklich länger, aber auch viel sicherer, gemäß den in Zusammenarbeit mit O&M Lehrern erstellten objektiven Kriterien. Außerdem verbessern wir die Verfügbarkeit von relevanten georeferenzierten Datenbanken, die für ein derartiges bedarfsgerechtes Routing benötigt werden. Zu diesem Zweck erstellen wir einen maschinellen Lernansatz, mit dem wir Zebrastreifen in Luftbildern erkennen, was auch über Ländergrenzen hinweg funktioniert, und verbessern dabei den Stand der Technik. Um den Nutzen von Mobilitätsassistenz durch maschinelles Sehen zu optimieren, erstellen wir O&M Techniken nachempfundene Ansätze, um die räumliche Wahrnehmung der unmittelbaren Umgebung zu erhöhen. Zuerst betrachten wir dazu die verfügbare Freifläche und informieren auch über mögliche Hindernisse. Weiterhin erstellen wir einen neuartigen Ansatz, um die verfügbaren Leitlinien zu erkennen und genau zu lokalisieren, und erzeugen virtuelle Leitlinien, welche Unterbrechungen überbrücken und bereits frühzeitig Informationen über die nächste Leitlinie bereitstellen. Abschließend verbessern wir die Zugänglichkeit von Fußgängerübergängen, insbesondere Zebrastreifen und Fußgängerampeln, mit einem Deep Learning Ansatz. Um zu analysieren, ob unsere erstellten Ansätze und Algorithmen einen tatsächlichen Mehrwert für Menschen mit Sehschädigung erzeugen, vollziehen wir ein kleines Wizard-of-Oz-Experiment zu unserem bedarfsgerechten Routing — mit einem sehr ermutigendem Ergebnis. Weiterhin führen wir eine umfangreichere Studie mit verschiedenen Komponenten und dem Fokus auf Fußgängerübergänge durch. Obwohl unsere statistischen Auswertungen nur eine geringfügige Verbesserung aufzeigen, beeinflußt durch technische Probleme mit dem ersten Prototypen und einer zu geringen Eingewöhnungszeit der Probanden an das System, bekommen wir viel versprechende Kommentare von fast allen Studienteilnehmern. Dies zeigt, daß wir bereits einen wichtigen ersten Schritt zum Schließen der identifizierten Lücke geleistet haben und Orientierung&Mobilität für Menschen mit Sehschädigung damit verbessern konnten