An Evaluation of Input Controls for In-Car Interactions

The way drivers operate in-car systems is rapidly changing as traditional physical controls, such as buttons and dials, are being replaced by touchscreens and touch-sensing surfaces. This has the potential to increase driver distraction and error as controls may be harder to find and use. This paper presents an in-car, on the road driving study which examined three key types of input controls to investigate their effects: a physical dial, pressure-based input on a touch surface and touch input on a touchscreen. The physical dial and pressure-based input were also evaluated with and without haptic feedback. The study was conducted with users performing a list-based targeting task using the different controls while driving on public roads. Eye-gaze was recorded to measure distraction from the primary task of driving. The results showed that target accuracy was high across all input methods (greater than 94%). Pressure-based targeting was the slowest while directly tapping on the targets was the faster selection method. Pressure-based input also caused the largest number of glances towards to the touchscreen but the duration of each glance was shorter than directly touching the screen. Our study will enable designers to make more appropriate design choices for future in-car interactions

An Evaluation of Touch and Pressure-Based Scrolling and Haptic Feedback for In-car Touchscreens

An in-car study was conducted to examine different input techniques for list-based scrolling tasks and the effectiveness of haptic feedback for in-car touchscreens. The use of physical switchgear on centre consoles is decreasing which allows designers to develop new ways to interact with in-car applications. However, these new methods need to be evaluated to ensure they are usable. Therefore, three input techniques were tested: direct scrolling, pressure-based scrolling and scrolling using onscreen buttons on a touchscreen. The results showed that direct scrolling was less accurate than using onscreen buttons and pressure input, but took almost half the time when compared to the onscreen buttons and was almost three times quicker than pressure input. Vibrotactile feedback did not improve input performance but was preferred by the users. Understanding the speed vs. accuracy trade-off between these input techniques will allow better decisions when designing safer in-car interfaces for scrolling applications

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

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

Intelligent in-vehicle interaction technologies

With rapid advances in the field of autonomous vehicles (AVs), the ways in which human–vehicle interaction (HVI) will take place inside the vehicle have attracted major interest and, as a result, intelligent interiors are being explored to improve the user experience, acceptance, and trust. This is also fueled by parallel research in areas such as perception and control of robots, safe human–robot interaction, wearable systems, and the underpinning flexible/printed electronics technologies. Some of these are being routed to AVs. Growing number of network of sensors are being integrated into the vehicles for multimodal interaction to draw correct inferences of the communicative cues from the user and to vary the interaction dynamics depending on the cognitive state of the user and contextual driving scenario. In response to this growing trend, this timely article presents a comprehensive review of the technologies that are being used or developed to perceive user's intentions for natural and intuitive in-vehicle interaction. The challenges that are needed to be overcome to attain truly interactive AVs and their potential solutions are discussed along with various new avenues for future research

Supporting Eyes-Free Human–Computer Interaction with Vibrotactile Haptification

The sense of touch is a crucial sense when using our hands in complex tasks. Some tasks we learn to do even without sight by just using the sense of touch in our fingers and hands. Modern touchscreen devices, however, have lost some of that tactile feeling while removing physical controls from the interaction. Touch is also a sense that is underutilized in interactions with technology and could provide new ways of interaction to support users. While users are using information technology in certain situations, they cannot visually and mentally focus completely during the interaction. Humans can utilize their sense of touch more comprehensively in interactions and learn to understand tactile information while interacting with information technology. This thesis introduces a set of experiments that evaluate human capabilities to understand and notice tactile information provided by current actuator technology and further introduces a couple of examples of haptic user interfaces (HUIs) to use under eyes-free use scenarios. These experiments evaluate the benefits of such interfaces for users and concludes with some guidelines and methods for how to create this kind of user interfaces. The experiments in this thesis can be divided into three groups. In the first group, with the first two experiments, the detection of vibrotactile stimuli and interpretation of the abstract meaning of vibrotactile feedback was evaluated. Experiments in the second group evaluated how to design rhythmic vibrotactile tactons to be basic vibrotactile primitives for HUIs. The last group of two experiments evaluated how these HUIs benefit the users in the distracted and eyes-free interaction scenarios. The primary aim for this series of experiments was to evaluate if utilizing the current level of actuation technology could be used more comprehensively than in current-day solutions with simple haptic alerts and notifications. Thus, to find out if the comprehensive use of vibrotactile feedback in interactions would provide additional benefits for the users, compared to the current level of haptic interaction methods and nonhaptic interaction methods. The main finding of this research is that while using more comprehensive HUIs in eyes-free distracted-use scenarios, such as while driving a car, the user’s main task, driving, is performed better. Furthermore, users liked the comprehensively haptified user interfaces

Ambient hues and audible cues: An approach to automotive user interface design using multi-modal feedback

The use of touchscreen interfaces for in-vehicle information, entertainment, and for the control of comfort settings is proliferating. Moreover, using these interfaces requires the same visual and manual resources needed for safe driving. Guided by much of the prevalent research in the areas of the human visual system, attention, and multimodal redundancy the Hues and Cues design paradigm was developed to make touchscreen automotive user interfaces more suitable to use while driving. This paradigm was applied to a prototype of an automotive user interface and evaluated with respects to driver performance using the dual-task, Lane Change Test (LCT). Each level of the design paradigm was evaluated in light of possible gender differences. The results of the repeated measures experiment suggests that when compared to interfaces without both the Hues and the Cues paradigm applied, the Hues and Cues interface requires less mental effort to operate, is more usable, and is more preferred. However, the results differ in the degradation in driver performance with interfaces that only have visual feedback resulting in better task times and significant gender differences in the driving task with interfaces that only have auditory feedback. Overall, the results reported show that the presentation of multimodal feedback can be useful in design automotive interfaces, but must be flexible enough to account for individual differences

In-vehicle touchscreens : reducing attentional demands and improving driving performance.

Touchscreens are increasingly being used in cars, motorcycles, aircraft, ships, and agricultural machinery to access a wide range of vehicle functions. The primary motivation for incorporating touchscreens in vehicles is that they offer several advantages over physical mechanical controls, including inexpensive to pro- duce, lightweight, low space requirements, design flexibility to handle multiple input/output, quick and easy interface modification, and easy replacement. Touch- screens, on the other hand, lack some features that physical controls have, such as tactile feedback and the same tactile sensations for all controls. The absence of these features on a touchscreen increases visual attentional demands and re- duces driving performance, potentially posing a serious safety risk. We have set a primary goal for this research in order to address these issues: Develop new touchscreen interaction methods to improve driving performance by reducing visual attentional demands. We have set three objectives to achieve the primary goal of this research: (1) Examine the design and use of layout-agnostic stencil overlays for in-vehicle touchscreen; (2) To propose in-vehicle dashboard controls interaction framework; (3) To empirically characterise proprioceptive target acquisition accuracy for in-vehicle touchscreens while driving. Addressing goal (1). Prior stencil based studies suggested that stencil overlays can reduce the need for visual attention on the touchscreen while driving. However, those stencils were Layout-specific with cuts and holes at the underlying touch- screen controls’ location. As a result, each stencil could only be used with a single underlying interface. Because contemporary in-vehicle touchscreens are almost always multi-functional, with different interface layouts in different parts of the interface, this restriction is unrealistic for in-vehicle touchscreens. To address the limitations of previous stencil-based studies. We aimed to design Layout-agnostic stencils. Layout-agnostic means that one stencil can provide tactile guidance to user interface targets regardless of the underlying interface layout, with the term layout agnostic’ capturing our intention that the stencils should provide tactile guidance to user interface targets regardless of the underlying interface layout. We designed several versions of layout-agnostic stencils iteratively and evaluated them in a simulated driving scenario. Our layout-agnostic stencils failed to reduce visual attentional demands and worsen driving performance, according to the findings. Addressing goal (2). The failure of objective one prompted us to take a different approach in order to continue working on the research’s main goal. In this regard, we have set a new objective, aiming to yield a new understanding. Our stencils failed despite the iterative design process of layout-agnostic stencils, which was supported by prior studies that showed stencils could reduce visual attentional de- mands. We proposed a “In-vehicle dashboard controls interaction framework” to identify the root causes of layout-agnostic stencils failure. The framework allows for a better understanding of how the driver interacts with the vehicle’s dash- board controls. The framework could be used to create new dashboard interaction techniques as well as evaluate current ones. Addressing goal (3). We used the proposed framework to evaluate the results of layout-agnostic stencils and discovered three knowledge gaps regarding human- dashboard controls interaction while driving. The first knowledge gap was a lack of understanding of how precisely a human can use proprioception to reach a dash- board control. In this regard, we set another goal and conducted an experimental study to assess human proprioceptive abilities to reach dashboard controls in a simulated driving scenario in terms of distance from the body. We empirically characterise proprioceptive target acquisition accuracy for in-vehicle touchscreens while driving based on experimental results. From various distances, we can now determine how accurately humans can reach a specific location on the touchscreen. We proposed touchscreen control sizes (in cm) based on the characterisation. Ex- isting touchscreen user interfaces could be modified to enable eyes-free proprioceptive target acquisition while driving, which would improve touchscreen interaction safety, based on our recommended touchscreen control sizes. In conclusion, this thesis makes two minor and one major contribution to the field of in-vehicle touchscreen research. The minor contribution is as follows: (1) Better understanding the use of stencil overlays for in-vehicle touchscreens. The following are the major contributions: (2) We proposed a novel framework and it is the first framework in the vehicle dashboard interaction research domain to the best of our knowledge. The proposed framework provides a better understanding of how drivers interact with dashboard controls in vehicles. (3) We proposed a characterisation of the accuracy of proprioceptive target acquisition for in-vehicle touchscreens while driving

An enactive approach to perceptual augmentation in mobility

Event predictions are an important constituent of situation awareness, which is a key objective for many applications in human-machine interaction, in particular in driver assistance. This work focuses on facilitating event predictions in dynamic environments. Its primary contributions are 1) the theoretical development of an approach for enabling people to expand their sampling and understanding of spatiotemporal information, 2) the introduction of exemplary systems that are guided by this approach, 3) the empirical investigation of effects functional prototypes of these systems have on human behavior and safety in a range of simulated road traffic scenarios, and 4) a connection of the investigated approach to work on cooperative human-machine systems. More specific contents of this work are summarized as follows: The first part introduces several challenges for the formation of situation awareness as a requirement for safe traffic participation. It reviews existing work on these challenges in the domain of driver assistance, resulting in an identification of the need to better inform drivers about dynamically changing aspects of a scene, including event probabilities, spatial and temporal distances, as well as a suggestion to expand the scope of assistance systems to start informing drivers about relevant scene elements at an early stage. Novel forms of assistance can be guided by different fundamental approaches that target either replacement, distribution, or augmentation of driver competencies. A subsequent differentiation of these approaches concludes that an augmentation-guided paradigm, characterized by an integration of machine capabilities into human feedback loops, can be advantageous for tasks that rely on active user engagement, the preservation of awareness and competence, and the minimization of complexity in human- machine interaction. Consequently, findings and theories about human sensorimotor processes are connected to develop an enactive approach that is consistent with an augmentation perspective on human-machine interaction. The approach is characterized by enabling drivers to exercise new sensorimotor processes through which safety-relevant spatiotemporal information may be sampled. In the second part of this work, a concept and functional prototype for augmenting the perception of traffic dynamics is introduced as a first example for applying principles of this enactive approach. As a loose expression of functional biomimicry, the prototype utilizes a tactile inter- face that communicates temporal distances to potential hazards continuously through stimulus intensity. In a driving simulator study, participants quickly gained an intuitive understanding of the assistance without instructions and demonstrated higher driving safety in safety-critical highway scenarios. But this study also raised new questions such as whether benefits are due to a continuous time-intensity encoding and whether utility generalizes to intersection scenarios or highway driving with low criticality events. Effects of an expanded assistance prototype with lane-independent risk assessment and an option for binary signaling were thus investigated in a separate driving simulator study. Subjective responses confirmed quick signal understanding and a perception of spatial and temporal stimulus characteristics. Surprisingly, even for a binary assistance variant with a constant intensity level, participants reported perceiving a danger-dependent variation in stimulus intensity. They further felt supported by the system in the driving task, especially in difficult situations. But in contrast to the first study, this support was not expressed by changes in driving safety, suggesting that perceptual demands of the low criticality scenarios could be satisfied by existing driver capabilities. But what happens if such basic capabilities are impaired, e.g., due to poor visibility conditions or other situations that introduce perceptual uncertainty? In a third driving simulator study, the driver assistance was employed specifically in such ambiguous situations and produced substantial safety advantages over unassisted driving. Additionally, an assistance variant that adds an encoding of spatial uncertainty was investigated in these scenarios. Participants had no difficulties to understand and utilize this added signal dimension to improve safety. Despite being inherently less informative than spatially precise signals, users rated uncertainty-encoding signals as equally useful and satisfying. This appreciation for transparency of variable assistance reliability is a promising indicator for the feasibility of an adaptive trust calibration in human-machine interaction and marks one step towards a closer integration of driver and vehicle capabilities. A complementary step on the driver side would be to increase transparency about the driver’s mental states and thus allow for mutual adaptation. The final part of this work discusses how such prerequisites of cooperation may be achieved by monitoring mental state correlates observable in human behavior, especially in eye movements. Furthermore, the outlook for an addition of cooperative features also raises new questions about the bounds of identity as well as practical consequences of human-machine systems in which co-adapting agents may exercise sensorimotor processes through one another.Die Vorhersage von Ereignissen ist ein Bestandteil des Situationsbewusstseins, dessen Unterstützung ein wesentliches Ziel diverser Anwendungen im Bereich Mensch-Maschine Interaktion ist, insbesondere in der Fahrerassistenz. Diese Arbeit zeigt Möglichkeiten auf, Menschen bei Vorhersagen in dynamischen Situationen im Straßenverkehr zu unterstützen. Zentrale Beiträge der Arbeit sind 1) eine theoretische Auseinandersetzung mit der Aufgabe, die menschliche Wahrnehmung und das Verständnis von raum-zeitlichen Informationen im Straßenverkehr zu erweitern, 2) die Einführung beispielhafter Systeme, die aus dieser Betrachtung hervorgehen, 3) die empirische Untersuchung der Auswirkungen dieser Systeme auf das Nutzerverhalten und die Fahrsicherheit in simulierten Verkehrssituationen und 4) die Verknüpfung der untersuchten Ansätze mit Arbeiten an kooperativen Mensch-Maschine Systemen. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert: Der erste Teil stellt einige Herausforderungen bei der Bildung von Situationsbewusstsein vor, welches für die sichere Teilnahme am Straßenverkehr notwendig ist. Aus einem Vergleich dieses Überblicks mit früheren Arbeiten zeigt sich, dass eine Notwendigkeit besteht, Fahrer besser über dynamische Aspekte von Fahrsituationen zu informieren. Dies umfasst unter anderem Ereigniswahrscheinlichkeiten, räumliche und zeitliche Distanzen, sowie eine frühere Signalisierung relevanter Elemente in der Umgebung. Neue Formen der Assistenz können sich an verschiedenen grundlegenden Ansätzen der Mensch-Maschine Interaktion orientieren, die entweder auf einen Ersatz, eine Verteilung oder eine Erweiterung von Fahrerkompetenzen abzielen. Die Differenzierung dieser Ansätze legt den Schluss nahe, dass ein von Kompetenzerweiterung geleiteter Ansatz für die Bewältigung jener Aufgaben von Vorteil ist, bei denen aktiver Nutzereinsatz, die Erhaltung bestehender Kompetenzen und Situationsbewusstsein gefordert sind. Im Anschluss werden Erkenntnisse und Theorien über menschliche sensomotorische Prozesse verknüpft, um einen enaktiven Ansatz der Mensch-Maschine Interaktion zu entwickeln, der einer erweiterungsgeleiteten Perspektive Rechnung trägt. Dieser Ansatz soll es Fahrern ermöglichen, sicherheitsrelevante raum-zeitliche Informationen über neue sensomotorische Prozesse zu erfassen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Konzept und funktioneller Prototyp zur Erweiterung der Wahrnehmung von Verkehrsdynamik als ein erstes Beispiel zur Anwendung der Prinzipien dieses enaktiven Ansatzes vorgestellt. Dieser Prototyp nutzt vibrotaktile Aktuatoren zur Kommunikation von Richtungen und zeitlichen Distanzen zu möglichen Gefahrenquellen über die Aktuatorposition und -intensität. Teilnehmer einer Fahrsimulationsstudie waren in der Lage, in kurzer Zeit ein intuitives Verständnis dieser Assistenz zu entwickeln, ohne vorher über die Funktionalität unterrichtet worden zu sein. Sie zeigten zudem ein erhöhtes Maß an Fahrsicherheit in kritischen Verkehrssituationen. Doch diese Studie wirft auch neue Fragen auf, beispielsweise, ob der Sicherheitsgewinn auf kontinuierliche Distanzkodierung zurückzuführen ist und ob ein Nutzen auch in weiteren Szenarien vorliegen würde, etwa bei Kreuzungen und weniger kritischem longitudinalen Verkehr. Um diesen Fragen nachzugehen, wurden Effekte eines erweiterten Prototypen mit spurunabhängiger Kollisionsprädiktion, sowie einer Option zur binären Kommunikation möglicher Kollisionsrichtungen in einer weiteren Fahrsimulatorstudie untersucht. Auch in dieser Studie bestätigen die subjektiven Bewertungen ein schnelles Verständnis der Signale und eine Wahrnehmung räumlicher und zeitlicher Signalkomponenten. Überraschenderweise berichteten Teilnehmer größtenteils auch nach der Nutzung einer binären Assistenzvariante, dass sie eine gefahrabhängige Variation in der Intensität von taktilen Stimuli wahrgenommen hätten. Die Teilnehmer fühlten sich mit beiden Varianten in der Fahraufgabe unterstützt, besonders in Situationen, die von ihnen als kritisch eingeschätzt wurden. Im Gegensatz zur ersten Studie hat sich diese gefühlte Unterstützung nur geringfügig in einer messbaren Sicherheitsveränderung widergespiegelt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Wahrnehmungsanforderungen der Szenarien mit geringer Kritikalität mit den vorhandenen Fahrerkapazitäten erfüllt werden konnten. Doch was passiert, wenn diese Fähigkeiten eingeschränkt werden, beispielsweise durch schlechte Sichtbedingungen oder Situationen mit erhöhter Ambiguität? In einer dritten Fahrsimulatorstudie wurde das Assistenzsystem in speziell solchen Situationen eingesetzt, was zu substantiellen Sicherheitsvorteilen gegenüber unassistiertem Fahren geführt hat. Zusätzlich zu der vorher eingeführten Form wurde eine neue Variante des Prototyps untersucht, welche räumliche Unsicherheiten der Fahrzeugwahrnehmung in taktilen Signalen kodiert. Studienteilnehmer hatten keine Schwierigkeiten, diese zusätzliche Signaldimension zu verstehen und die Information zur Verbesserung der Fahrsicherheit zu nutzen. Obwohl sie inherent weniger informativ sind als räumlich präzise Signale, bewerteten die Teilnehmer die Signale, die die Unsicherheit übermitteln, als ebenso nützlich und zufriedenstellend. Solch eine Wertschätzung für die Transparenz variabler Informationsreliabilität ist ein vielversprechendes Indiz für die Möglichkeit einer adaptiven Vertrauenskalibrierung in der Mensch-Maschine Interaktion. Dies ist ein Schritt hin zur einer engeren Integration der Fähigkeiten von Fahrer und Fahrzeug. Ein komplementärer Schritt wäre eine Erweiterung der Transparenz mentaler Zustände des Fahrers, wodurch eine wechselseitige Anpassung von Mensch und Maschine möglich wäre. Der letzte Teil dieser Arbeit diskutiert, wie diese Transparenz und weitere Voraussetzungen von Mensch-Maschine Kooperation erfüllt werden könnten, indem etwa Korrelate mentaler Zustände, insbesondere über das Blickverhalten, überwacht werden. Des Weiteren ergeben sich mit Blick auf zusätzliche kooperative Fähigkeiten neue Fragen über die Definition von Identität, sowie über die praktischen Konsequenzen von Mensch-Maschine Systemen, in denen ko-adaptive Agenten sensomotorische Prozesse vermittels einander ausüben können

Naturalness framework for driver-car interaction

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonAutomobile dashboards are evolving into intelligent largely screen-based computer interfaces. Recent evidence suggests unnatural aspects of some secondary systems (including infotainment systems). Naturalness of interaction is a minority discipline not yet applied to the automobile; while automotive interface research is a mainly quantitative discipline that has not yet applied a naturalness approach. To advance the field, a measurement scale based on rigorous qualitative exploration of natural-feeling interaction with secondary controls was required. Study 1 used ethnographic interview with Contextual Inquiry inside 12 ordinary drivers’ cars, to investigate natural-feeling aspects of past, present and future driver-car interactions. Thematic analysis suggested a framework of ten characteristics. Half concerned control and physicality; half concerned perceived socio-intelligent behaviours of the car. Study 2 involved intensive exploratory workshops with ten drivers comprising Think Aloud, artefact modelling and focus groups, to explore natural-feeling interaction with secondary controls in different ways. The resulting thematic framework comprised 11 characteristics in four categories: familiarity/control, physical connection, low visual/cognitive demand, and humanlike intelligence and communication. Study 3 comprised two ethnographic participant observations. Eight drivers were observed interacting with their controls during long road journeys. Twenty-two drivers were observed interacting verbally with futuristic ‘intelligent’ secondary systems while driving on public roads. Design guidelines relating to physicality, usability, automation, and humanlike communication were formulated. Study 4 converted all the qualitative findings into a questionnaire comprising 46 bipolar five-point scales. Eighty-one drivers used it to rate one control in their cars. Correlation and factor analyses revealed three underlying factors and 14 items suitable for the first industrially applicable measurement scale for driver-car naturalness. These items concern perceived helpfulness, politeness, competence, predictability, control, ease, mental demands, intuitiveness, ‘realness’, instantaneousness, communication, logical location, mapping and 'affordance'. Initial testing found acceptable validity. The conclusion recommends further data collection, expanded validity testing, and potential applications to self-driving cars