Somatic ABC's: A Theoretical Framework for Designing, Developing and Evaluating the Building Blocks of Touch-Based Information Delivery

abstract: Situations of sensory overload are steadily becoming more frequent as the ubiquity of technology approaches reality--particularly with the advent of socio-communicative smartphone applications, and pervasive, high speed wireless networks. Although the ease of accessing information has improved our communication effectiveness and efficiency, our visual and auditory modalities--those modalities that today's computerized devices and displays largely engage--have become overloaded, creating possibilities for distractions, delays and high cognitive load; which in turn can lead to a loss of situational awareness, increasing chances for life threatening situations such as texting while driving. Surprisingly, alternative modalities for information delivery have seen little exploration. Touch, in particular, is a promising candidate given that it is our largest sensory organ with impressive spatial and temporal acuity. Although some approaches have been proposed for touch-based information delivery, they are not without limitations including high learning curves, limited applicability and/or limited expression. This is largely due to the lack of a versatile, comprehensive design theory--specifically, a theory that addresses the design of touch-based building blocks for expandable, efficient, rich and robust touch languages that are easy to learn and use. Moreover, beyond design, there is a lack of implementation and evaluation theories for such languages. To overcome these limitations, a unified, theoretical framework, inspired by natural, spoken language, is proposed called Somatic ABC's for Articulating (designing), Building (developing) and Confirming (evaluating) touch-based languages. To evaluate the usefulness of Somatic ABC's, its design, implementation and evaluation theories were applied to create communication languages for two very unique application areas: audio described movies and motor learning. These applications were chosen as they presented opportunities for complementing communication by offloading information, typically conveyed visually and/or aurally, to the skin. For both studies, it was found that Somatic ABC's aided the design, development and evaluation of rich somatic languages with distinct and natural communication units.Dissertation/ThesisPh.D. Computer Science 201

Touch- and Walkable Virtual Reality to Support Blind and Visually Impaired Peoples‘ Building Exploration in the Context of Orientation and Mobility

Der Zugang zu digitalen Inhalten und Informationen wird immer wichtiger für eine erfolgreiche Teilnahme an der heutigen, zunehmend digitalisierten Zivilgesellschaft. Solche Informationen werden meist visuell präsentiert, was den Zugang für blinde und sehbehinderte Menschen einschränkt. Die grundlegendste Barriere ist oft die elementare Orientierung und Mobilität (und folglich die soziale Mobilität), einschließlich der Erlangung von Kenntnissen über unbekannte Gebäude vor deren Besuch. Um solche Barrieren zu überbrücken, sollten technische Hilfsmittel entwickelt und eingesetzt werden. Es ist ein Kompromiss zwischen technologisch niedrigschwellig zugänglichen und verbreitbaren Hilfsmitteln und interaktiv-adaptiven, aber komplexen Systemen erforderlich. Die Anpassung der Technologie der virtuellen Realität (VR) umfasst ein breites Spektrum an Entwicklungs- und Entscheidungsoptionen. Die Hauptvorteile der VR-Technologie sind die erhöhte Interaktivität, die Aktualisierbarkeit und die Möglichkeit, virtuelle Räume und Modelle als Abbilder von realen Räumen zu erkunden, ohne dass reale Gefahren und die begrenzte Verfügbarkeit von sehenden Helfern auftreten. Virtuelle Objekte und Umgebungen haben jedoch keine physische Beschaffenheit. Ziel dieser Arbeit ist es daher zu erforschen, welche VR-Interaktionsformen sinnvoll sind (d.h. ein angemessenes Verbreitungspotenzial bieten), um virtuelle Repräsentationen realer Gebäude im Kontext von Orientierung und Mobilität berührbar oder begehbar zu machen. Obwohl es bereits inhaltlich und technisch disjunkte Entwicklungen und Evaluationen zur VR-Technologie gibt, fehlt es an empirischer Evidenz. Zusätzlich bietet diese Arbeit einen Überblick über die verschiedenen Interaktionen. Nach einer Betrachtung der menschlichen Physiologie, Hilfsmittel (z.B. taktile Karten) und technologischen Eigenschaften wird der aktuelle Stand der Technik von VR vorgestellt und die Anwendung für blinde und sehbehinderte Nutzer und der Weg dorthin durch die Einführung einer neuartigen Taxonomie diskutiert. Neben der Interaktion selbst werden Merkmale des Nutzers und des Geräts, der Anwendungskontext oder die nutzerzentrierte Entwicklung bzw. Evaluation als Klassifikatoren herangezogen. Begründet und motiviert werden die folgenden Kapitel durch explorative Ansätze, d.h. im Bereich 'small scale' (mit sogenannten Datenhandschuhen) und im Bereich 'large scale' (mit einer avatargesteuerten VR-Fortbewegung). Die folgenden Kapitel führen empirische Studien mit blinden und sehbehinderten Nutzern durch und geben einen formativen Einblick, wie virtuelle Objekte in Reichweite der Hände mit haptischem Feedback erfasst werden können und wie verschiedene Arten der VR-Fortbewegung zur Erkundung virtueller Umgebungen eingesetzt werden können. Daraus werden geräteunabhängige technologische Möglichkeiten und auch Herausforderungen für weitere Verbesserungen abgeleitet. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse kann sich die weitere Forschung auf Aspekte wie die spezifische Gestaltung interaktiver Elemente, zeitlich und räumlich kollaborative Anwendungsszenarien und die Evaluation eines gesamten Anwendungsworkflows (d.h. Scannen der realen Umgebung und virtuelle Erkundung zu Trainingszwecken sowie die Gestaltung der gesamten Anwendung in einer langfristig barrierefreien Weise) konzentrieren.Access to digital content and information is becoming increasingly important for successful participation in today's increasingly digitized civil society. Such information is mostly presented visually, which restricts access for blind and visually impaired people. The most fundamental barrier is often basic orientation and mobility (and consequently, social mobility), including gaining knowledge about unknown buildings before visiting them. To bridge such barriers, technological aids should be developed and deployed. A trade-off is needed between technologically low-threshold accessible and disseminable aids and interactive-adaptive but complex systems. The adaptation of virtual reality (VR) technology spans a wide range of development and decision options. The main benefits of VR technology are increased interactivity, updatability, and the possibility to explore virtual spaces as proxies of real ones without real-world hazards and the limited availability of sighted assistants. However, virtual objects and environments have no physicality. Therefore, this thesis aims to research which VR interaction forms are reasonable (i.e., offering a reasonable dissemination potential) to make virtual representations of real buildings touchable or walkable in the context of orientation and mobility. Although there are already content and technology disjunctive developments and evaluations on VR technology, there is a lack of empirical evidence. Additionally, this thesis provides a survey between different interactions. Having considered the human physiology, assistive media (e.g., tactile maps), and technological characteristics, the current state of the art of VR is introduced, and the application for blind and visually impaired users and the way to get there is discussed by introducing a novel taxonomy. In addition to the interaction itself, characteristics of the user and the device, the application context, or the user-centered development respectively evaluation are used as classifiers. Thus, the following chapters are justified and motivated by explorative approaches, i.e., in the group of 'small scale' (using so-called data gloves) and in the scale of 'large scale' (using an avatar-controlled VR locomotion) approaches. The following chapters conduct empirical studies with blind and visually impaired users and give formative insight into how virtual objects within hands' reach can be grasped using haptic feedback and how different kinds of VR locomotion implementation can be applied to explore virtual environments. Thus, device-independent technological possibilities and also challenges for further improvements are derived. On the basis of this knowledge, subsequent research can be focused on aspects such as the specific design of interactive elements, temporally and spatially collaborative application scenarios, and the evaluation of an entire application workflow (i.e., scanning the real environment and exploring it virtually for training purposes, as well as designing the entire application in a long-term accessible manner)

HapticHead - Augmenting Reality via Tactile Cues

Information overload is increasingly becoming a challenge in today's world. Humans have only a limited amount of attention to allocate between sensory channels and tend to miss or misjudge critical sensory information when multiple activities are going on at the same time. For example, people may miss the sound of an approaching car when walking across the street while looking at their smartphones. Some sensory channels may also be impaired due to congenital or acquired conditions. Among sensory channels, touch is often experienced as obtrusive, especially when it occurs unexpectedly. Since tactile actuators can simulate touch, targeted tactile stimuli can provide users of virtual reality and augmented reality environments with important information for navigation, guidance, alerts, and notifications. In this dissertation, a tactile user interface around the head is presented to relieve or replace a potentially impaired visual channel, called \emph{HapticHead}. It is a high-resolution, omnidirectional, vibrotactile display that presents general, 3D directional, and distance information through dynamic tactile patterns. The head is well suited for tactile feedback because it is sensitive to mechanical stimuli and provides a large spherical surface area that enables the display of precise 3D information and allows the user to intuitively rotate the head in the direction of a stimulus based on natural mapping. Basic research on tactile perception on the head and studies on various use cases of head-based tactile feedback are presented in this thesis. Several investigations and user studies have been conducted on (a) the funneling illusion and localization accuracy of tactile stimuli around the head, (b) the ability of people to discriminate between different tactile patterns on the head, (c) approaches to designing tactile patterns for complex arrays of actuators, (d) increasing the immersion and presence level of virtual reality applications, and (e) assisting people with visual impairments in guidance and micro-navigation. In summary, tactile feedback around the head was found to be highly valuable as an additional information channel in various application scenarios. Most notable is the navigation of visually impaired individuals through a micro-navigation obstacle course, which is an order of magnitude more accurate than the previous state-of-the-art, which used a tactile belt as a feedback modality. The HapticHead tactile user interface's ability to safely navigate people with visual impairments around obstacles and on stairs with a mean deviation from the optimal path of less than 6~cm may ultimately improve the quality of life for many people with visual impairments.Die Informationsüberlastung wird in der heutigen Welt zunehmend zu einer Herausforderung. Der Mensch hat nur eine begrenzte Menge an Aufmerksamkeit, die er zwischen den Sinneskanälen aufteilen kann, und neigt dazu, kritische Sinnesinformationen zu verpassen oder falsch einzuschätzen, wenn mehrere Aktivitäten gleichzeitig ablaufen. Zum Beispiel können Menschen das Geräusch eines herannahenden Autos überhören, wenn sie über die Straße gehen und dabei auf ihr Smartphone schauen. Einige Sinneskanäle können auch aufgrund von angeborenen oder erworbenen Erkrankungen beeinträchtigt sein. Unter den Sinneskanälen wird Berührung oft als aufdringlich empfunden, besonders wenn sie unerwartet auftritt. Da taktile Aktoren Berührungen simulieren können, können gezielte taktile Reize den Benutzern von Virtual- und Augmented Reality Anwendungen wichtige Informationen für die Navigation, Führung, Warnungen und Benachrichtigungen liefern. In dieser Dissertation wird eine taktile Benutzeroberfläche um den Kopf herum präsentiert, um einen möglicherweise beeinträchtigten visuellen Kanal zu entlasten oder zu ersetzen, genannt \emph{HapticHead}. Es handelt sich um ein hochauflösendes, omnidirektionales, vibrotaktiles Display, das allgemeine, 3D-Richtungs- und Entfernungsinformationen durch dynamische taktile Muster darstellt. Der Kopf eignet sich gut für taktiles Feedback, da er empfindlich auf mechanische Reize reagiert und eine große sphärische Oberfläche bietet, die die Darstellung präziser 3D-Informationen ermöglicht und es dem Benutzer erlaubt, den Kopf aufgrund der natürlichen Zuordnung intuitiv in die Richtung eines Reizes zu drehen. Grundlagenforschung zur taktilen Wahrnehmung am Kopf und Studien zu verschiedenen Anwendungsfällen von kopfbasiertem taktilem Feedback werden in dieser Arbeit vorgestellt. Mehrere Untersuchungen und Nutzerstudien wurden durchgeführt zu (a) der Funneling Illusion und der Lokalisierungsgenauigkeit von taktilen Reizen am Kopf, (b) der Fähigkeit von Menschen, zwischen verschiedenen taktilen Mustern am Kopf zu unterscheiden, (c) Ansätzen zur Gestaltung taktiler Muster für komplexe Arrays von Aktoren, (d) der Erhöhung des Immersions- und Präsenzgrades von Virtual-Reality-Anwendungen und (e) der Unterstützung von Menschen mit Sehbehinderungen bei der Führung und Mikronavigation. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass taktiles Feedback um den Kopf herum als zusätzlicher Informationskanal in verschiedenen Anwendungsszenarien sehr wertvoll ist. Am interessantesten ist die Navigation von sehbehinderten Personen durch einen Mikronavigations-Hindernisparcours, welche um eine Größenordnung präziser ist als der bisherige Stand der Technik, der einen taktilen Gürtel als Feedback-Modalität verwendete. Die Fähigkeit der taktilen Benutzerschnittstelle HapticHead, Menschen mit Sehbehinderungen mit einer mittleren Abweichung vom optimalen Pfad von weniger als 6~cm sicher um Hindernisse und auf Treppen zu navigieren, kann letztendlich die Lebensqualität vieler Menschen mit Sehbehinderungen verbessern

Advancing proxy-based haptic feedback in virtual reality

This thesis advances haptic feedback for Virtual Reality (VR). Our work is guided by Sutherland's 1965 vision of the ultimate display, which calls for VR systems to control the existence of matter. To push towards this vision, we build upon proxy-based haptic feedback, a technique characterized by the use of passive tangible props. The goal of this thesis is to tackle the central drawback of this approach, namely, its inflexibility, which yet hinders it to fulfill the vision of the ultimate display. Guided by four research questions, we first showcase the applicability of proxy-based VR haptics by employing the technique for data exploration. We then extend the VR system's control over users' haptic impressions in three steps. First, we contribute the class of Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) alongside two novel concepts for conveying kinesthetic properties, like virtual weight and shape, through weight-shifting and drag-changing proxies. Conceptually orthogonal to this, we study how visual-haptic illusions can be leveraged to unnoticeably redirect the user's hand when reaching towards props. Here, we contribute a novel perception-inspired algorithm for Body Warping-based Hand Redirection (HR), an open-source framework for HR, and psychophysical insights. The thesis concludes by proving that the combination of DPHF and HR can outperform the individual techniques in terms of the achievable flexibility of the proxy-based haptic feedback.Diese Arbeit widmet sich haptischem Feedback für Virtual Reality (VR) und ist inspiriert von Sutherlands Vision des ultimativen Displays, welche VR-Systemen die Fähigkeit zuschreibt, Materie kontrollieren zu können. Um dieser Vision näher zu kommen, baut die Arbeit auf dem Konzept proxy-basierter Haptik auf, bei der haptische Eindrücke durch anfassbare Requisiten vermittelt werden. Ziel ist es, diesem Ansatz die für die Realisierung eines ultimativen Displays nötige Flexibilität zu verleihen. Dazu bearbeiten wir vier Forschungsfragen und zeigen zunächst die Anwendbarkeit proxy-basierter Haptik durch den Einsatz der Technik zur Datenexploration. Anschließend untersuchen wir in drei Schritten, wie VR-Systeme mehr Kontrolle über haptische Eindrücke von Nutzern erhalten können. Hierzu stellen wir Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) vor, sowie zwei Verfahren, die kinästhetische Eindrücke wie virtuelles Gewicht und Form durch Gewichtsverlagerung und Veränderung des Luftwiderstandes von Requisiten vermitteln. Zusätzlich untersuchen wir, wie visuell-haptische Illusionen die Hand des Nutzers beim Greifen nach Requisiten unbemerkt umlenken können. Dabei stellen wir einen neuen Algorithmus zur Body Warping-based Hand Redirection (HR), ein Open-Source-Framework, sowie psychophysische Erkenntnisse vor. Abschließend zeigen wir, dass die Kombination von DPHF und HR proxy-basierte Haptik noch flexibler machen kann, als es die einzelnen Techniken alleine können

Enhancing interaction in mixed reality

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

Is Multimedia Multisensorial? - A Review of Mulsemedia Systems

© 2018 Copyright held by the owner/author(s). Mulsemedia - multiple sensorial media - makes possible the inclusion of layered sensory stimulation and interaction through multiple sensory channels. e recent upsurge in technology and wearables provides mulsemedia researchers a vehicle for potentially boundless choice. However, in order to build systems that integrate various senses, there are still some issues that need to be addressed. is review deals with mulsemedia topics remained insu ciently explored by previous work, with a focus on multi-multi (multiple media - multiple senses) perspective, where multiple types of media engage multiple senses. Moreover, it addresses the evolution of previously identi ed challenges in this area and formulates new exploration directions.This article was funded by the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation program under Grant Agreement no. 688503

Robotic simulators for tissue examination training with multimodal sensory feedback

Tissue examination by hand remains an essential technique in clinical practice. The effective application depends on skills in sensorimotor coordination, mainly involving haptic, visual, and auditory feedback. The skills clinicians have to learn can be as subtle as regulating finger pressure with breathing, choosing palpation action, monitoring involuntary facial and vocal expressions in response to palpation, and using pain expressions both as a source of information and as a constraint on physical examination. Patient simulators can provide a safe learning platform to novice physicians before trying real patients. This paper reviews state-of-the-art medical simulators for the training for the first time with a consideration of providing multimodal feedback to learn as many manual examination techniques as possible. The study summarizes current advances in tissue examination training devices simulating different medical conditions and providing different types of feedback modalities. Opportunities with the development of pain expression, tissue modeling, actuation, and sensing are also analyzed to support the future design of effective tissue examination simulators