Pictures in Your Mind: Using Interactive Gesture-Controlled Reliefs to Explore Art

Tactile reliefs offer many benefits over the more classic raised line drawings or tactile diagrams, as depth, 3D shape, and surface textures are directly perceivable. Although often created for blind and visually impaired (BVI) people, a wider range of people may benefit from such multimodal material. However, some reliefs are still difficult to understand without proper guidance or accompanying verbal descriptions, hindering autonomous exploration. In this work, we present a gesture-controlled interactive audio guide (IAG) based on recent low-cost depth cameras that can be operated directly with the hands on relief surfaces during tactile exploration. The interactively explorable, location-dependent verbal and captioned descriptions promise rapid tactile accessibility to 2.5D spatial information in a home or education setting, to online resources, or as a kiosk installation at public places. We present a working prototype, discuss design decisions, and present the results of two evaluation studies: the first with 13 BVI test users and the second follow-up study with 14 test users across a wide range of people with differences and difficulties associated with perception, memory, cognition, and communication. The participant-led research method of this latter study prompted new, significant and innovative developments

Pose estimation system based on monocular cameras

Our world is full of wonders. It is filled with mysteries and challenges, which through the ages inspired and called for the human civilization to grow itself, either philosophically or sociologically. In time, humans reached their own physical limitations; nevertheless, we created technology to help us overcome it. Like the ancient uncovered land, we are pulled into the discovery and innovation of our time. All of this is possible due to a very human characteristic - our imagination. The world that surrounds us is mostly already discovered, but with the power of computer vision (CV) and augmented reality (AR), we are able to live in multiple hidden universes alongside our own. With the increasing performance and capabilities of the current mobile devices, AR is what we dream it can be. There are still many obstacles, but this future is already our reality, and with the evolving technologies closing the gap between the real and the virtual world, soon it will be possible for us to surround ourselves into other dimensions, or fuse them with our own. This thesis focuses on the development of a system to predict the camera’s pose estimation in the real-world regarding to the virtual world axis. The work was developed as a sub-module integrated on the M5SAR project: Mobile Five Senses Augmented Reality System for Museums, aiming to a more immerse experience with the total or partial replacement of the environments’ surroundings. It is based mainly on man-made buildings indoors and their typical rectangular cuboid shape. With the possibility of knowing the user’s camera direction, we can then superimpose dynamic AR content, inviting the user to explore the hidden worlds. The M5SAR project introduced a new way to explore the existent historical museums by exploring the human’s five senses: hearing, smell, taste, touch, vision. With this innovative technology, the user is able to enhance their visitation and immerse themselves into a virtual world blended with our reality. A mobile device application was built containing an innovating framework: MIRAR - Mobile Image Recognition based Augmented Reality - containing object recognition, navigation, and additional AR information projection in order to enrich the users’ visit, providing an intuitive and compelling information regarding the available artworks, exploring the hearing and vision senses. A device specially designed was built to explore the additional three senses: smell, taste and touch which, when attached to a mobile device, either smartphone or tablet, would pair with it and automatically react in with the offered narrative related to the artwork, immersing the user with a sensorial experience. As mentioned above, the work presented on this thesis is relative to a sub-module of the MIRAR regarding environment detection and the superimposition of AR content. With the main goal being the full replacement of the walls’ contents, and with the possibility of keeping the artwork visible or not, it presented an additional challenge with the limitation of using only monocular cameras. Without the depth information, any 2D image of an environment, to a computer doesn’t represent the tridimensional layout of the real-world dimensions. Nevertheless, man-based building tends to follow a rectangular approach to divisions’ constructions, which allows for a prediction to where the vanishing point on any environment image may point, allowing the reconstruction of an environment’s layout from a 2D image. Furthermore, combining this information with an initial localization through an improved image recognition to retrieve the camera’s spatial position regarding to the real-world coordinates and the virtual-world, alas, pose estimation, allowed for the possibility of superimposing specific localized AR content over the user’s mobile device frame, in order to immerse, i.e., a museum’s visitor into another era correlated to the present artworks’ historical period. Through the work developed for this thesis, it was also presented a better planar surface in space rectification and retrieval, a hybrid and scalable multiple images matching system, a more stabilized outlier filtration applied to the camera’s axis, and a continuous tracking system that works with uncalibrated cameras and is able to achieve particularly obtuse angles and still maintain the surface superimposition. Furthermore, a novelty method using deep learning models for semantic segmentation was introduced for indoor layout estimation based on monocular images. Contrary to the previous developed methods, there is no need to perform geometric calculations to achieve a near state of the art performance with a fraction of the parameters required by similar methods. Contrary to the previous work presented on this thesis, this method performs well even in unseen and cluttered rooms if they follow the Manhattan assumption. An additional lightweight application to retrieve the camera pose estimation is presented using the proposed method.O nosso mundo está repleto de maravilhas. Está cheio de mistérios e desafios, os quais, ao longo das eras, inspiraram e impulsionaram a civilização humana a evoluir, seja filosófica ou sociologicamente. Eventualmente, os humanos foram confrontados com os seus limites físicos; desta forma, criaram tecnologias que permitiram superá-los. Assim como as terras antigas por descobrir, somos impulsionados à descoberta e inovação da nossa era, e tudo isso é possível graças a uma característica marcadamente humana: a nossa imaginação. O mundo que nos rodeia está praticamente todo descoberto, mas com o poder da visão computacional (VC) e da realidade aumentada (RA), podemos viver em múltiplos universos ocultos dentro do nosso. Com o aumento da performance e das capacidades dos dispositivos móveis da atualidade, a RA pode ser exatamente aquilo que sonhamos. Continuam a existir muitos obstáculos, mas este futuro já é o nosso presente, e com a evolução das tecnologias a fechar o fosso entre o mundo real e o mundo virtual, em breve será possível cercarmo-nos de outras dimensões, ou fundi-las dentro da nossa. Esta tese foca-se no desenvolvimento de um sistema de predição para a estimação da pose da câmara no mundo real em relação ao eixo virtual do mundo. Este trabalho foi desenvolvido como um sub-módulo integrado no projeto M5SAR: Mobile Five Senses Augmented Reality System for Museums, com o objetivo de alcançar uma experiência mais imersiva com a substituição total ou parcial dos limites do ambiente. Dedica-se ao interior de edifícios de arquitetura humana e a sua típica forma de retângulo cuboide. Com a possibilidade de saber a direção da câmara do dispositivo, podemos então sobrepor conteúdo dinâmico de RA, num convite ao utilizador para explorar os mundos ocultos. O projeto M5SAR introduziu uma nova forma de explorar os museus históricos existentes através da exploração dos cinco sentidos humanos: a audição, o cheiro, o paladar, o toque e a visão. Com essa tecnologia inovadora, o utilizador pode engrandecer a sua visita e mergulhar num mundo virtual mesclado com a nossa realidade. Uma aplicação para dispositivo móvel foi criada, contendo uma estrutura inovadora: MIRAR - Mobile Image Recognition based Augmented Reality - a possuir o reconhecimento de objetos, navegação e projeção de informação de RA adicional, de forma a enriquecer a visita do utilizador, a fornecer informação intuitiva e interessante em relação às obras de arte disponíveis, a explorar os sentidos da audição e da visão. Foi também desenhado um dispositivo para exploração em particular dos três outros sentidos adicionais: o cheiro, o toque e o sabor. Este dispositivo, quando afixado a um dispositivo móvel, como um smartphone ou tablet, emparelha e reage com este automaticamente com a narrativa relacionada à obra de arte, a imergir o utilizador numa experiência sensorial. Como já referido, o trabalho apresentado nesta tese é relativo a um sub-módulo do MIRAR, relativamente à deteção do ambiente e a sobreposição de conteúdo de RA. Sendo o objetivo principal a substituição completa dos conteúdos das paredes, e com a possibilidade de manter as obras de arte visíveis ou não, foi apresentado um desafio adicional com a limitação do uso de apenas câmaras monoculares. Sem a informação relativa à profundidade, qualquer imagem bidimensional de um ambiente, para um computador isso não se traduz na dimensão tridimensional das dimensões do mundo real. No entanto, as construções de origem humana tendem a seguir uma abordagem retangular às divisões dos edifícios, o que permite uma predição de onde poderá apontar o ponto de fuga de qualquer ambiente, a permitir a reconstrução da disposição de uma divisão através de uma imagem bidimensional. Adicionalmente, ao combinar esta informação com uma localização inicial através de um reconhecimento por imagem refinado, para obter a posição espacial da câmara em relação às coordenadas do mundo real e do mundo virtual, ou seja, uma estimativa da pose, foi possível alcançar a possibilidade de sobrepor conteúdo de RA especificamente localizado sobre a moldura do dispositivo móvel, de maneira a imergir, ou seja, colocar o visitante do museu dentro de outra era, relativa ao período histórico da obra de arte em questão. Ao longo do trabalho desenvolvido para esta tese, também foi apresentada uma melhor superfície planar na recolha e retificação espacial, um sistema de comparação de múltiplas imagens híbrido e escalável, um filtro de outliers mais estabilizado, aplicado ao eixo da câmara, e um sistema de tracking contínuo que funciona com câmaras não calibradas e que consegue obter ângulos particularmente obtusos, continuando a manter a sobreposição da superfície. Adicionalmente, um algoritmo inovador baseado num modelo de deep learning para a segmentação semântica foi introduzido na estimativa do traçado com base em imagens monoculares. Ao contrário de métodos previamente desenvolvidos, não é necessário realizar cálculos geométricos para obter um desempenho próximo ao state of the art e ao mesmo tempo usar uma fração dos parâmetros requeridos para métodos semelhantes. Inversamente ao trabalho previamente apresentado nesta tese, este método apresenta um bom desempenho mesmo em divisões sem vista ou obstruídas, caso sigam a mesma premissa Manhattan. Uma leve aplicação adicional para obter a posição da câmara é apresentada usando o método proposto

An end-to-end review of gaze estimation and its interactive applications on handheld mobile devices

In recent years we have witnessed an increasing number of interactive systems on handheld mobile devices which utilise gaze as a single or complementary interaction modality. This trend is driven by the enhanced computational power of these devices, higher resolution and capacity of their cameras, and improved gaze estimation accuracy obtained from advanced machine learning techniques, especially in deep learning. As the literature is fast progressing, there is a pressing need to review the state of the art, delineate the boundary, and identify the key research challenges and opportunities in gaze estimation and interaction. This paper aims to serve this purpose by presenting an end-to-end holistic view in this area, from gaze capturing sensors, to gaze estimation workflows, to deep learning techniques, and to gaze interactive applications.PostprintPeer reviewe

Deep Thermal Imaging: Proximate Material Type Recognition in the Wild through Deep Learning of Spatial Surface Temperature Patterns

We introduce Deep Thermal Imaging, a new approach for close-range automatic recognition of materials to enhance the understanding of people and ubiquitous technologies of their proximal environment. Our approach uses a low-cost mobile thermal camera integrated into a smartphone to capture thermal textures. A deep neural network classifies these textures into material types. This approach works effectively without the need for ambient light sources or direct contact with materials. Furthermore, the use of a deep learning network removes the need to handcraft the set of features for different materials. We evaluated the performance of the system by training it to recognise 32 material types in both indoor and outdoor environments. Our approach produced recognition accuracies above 98% in 14,860 images of 15 indoor materials and above 89% in 26,584 images of 17 outdoor materials. We conclude by discussing its potentials for real-time use in HCI applications and future directions.Comment: Proceedings of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing System

A Framework For Abstracting, Designing And Building Tangible Gesture Interactive Systems

This thesis discusses tangible gesture interaction, a novel paradigm for interacting with computer that blends concepts from the more popular fields of tangible interaction and gesture interaction. Taking advantage of the human innate abilities to manipulate physical objects and to communicate through gestures, tangible gesture interaction is particularly interesting for interacting in smart environments, bringing the interaction with computer beyond the screen, back to the real world. Since tangible gesture interaction is a relatively new field of research, this thesis presents a conceptual framework that aims at supporting future work in this field. The Tangible Gesture Interaction Framework provides support on three levels. First, it helps reflecting from a theoretical point of view on the different types of tangible gestures that can be designed, physically, through a taxonomy based on three components (move, hold and touch) and additional attributes, and semantically, through a taxonomy of the semantic constructs that can be used to associate meaning to tangible gestures. Second, it helps conceiving new tangible gesture interactive systems and designing new interactions based on gestures with objects, through dedicated guidelines for tangible gesture definition and common practices for different application domains. Third, it helps building new tangible gesture interactive systems supporting the choice between four different technological approaches (embedded and embodied, wearable, environmental or hybrid) and providing general guidance for the different approaches. As an application of this framework, this thesis presents also seven tangible gesture interactive systems for three different application domains, i.e., interacting with the In-Vehicle Infotainment System (IVIS) of the car, the emotional and interpersonal communication, and the interaction in a smart home. For the first application domain, four different systems that use gestures on the steering wheel as interaction means with the IVIS have been designed, developed and evaluated. For the second application domain, an anthropomorphic lamp able to recognize gestures that humans typically perform for interpersonal communication has been conceived and developed. A second system, based on smart t-shirts, recognizes when two people hug and reward the gesture with an exchange of digital information. Finally, a smart watch for recognizing gestures performed with objects held in the hand in the context of the smart home has been investigated. The analysis of existing systems found in literature and of the system developed during this thesis shows that the framework has a good descriptive and evaluative power. The applications developed during this thesis show that the proposed framework has also a good generative power.Questa tesi discute l’interazione gestuale tangibile, un nuovo paradigma per interagire con il computer che unisce i principi dei più comuni campi di studio dell’interazione tangibile e dell’interazione gestuale. Sfruttando le abilità innate dell’uomo di manipolare oggetti fisici e di comunicare con i gesti, l’interazione gestuale tangibile si rivela particolarmente interessante per interagire negli ambienti intelligenti, riportando l’attenzione sul nostro mondo reale, al di là dello schermo dei computer o degli smartphone. Poiché l’interazione gestuale tangibile è un campo di studio relativamente recente, questa tesi presenta un framework (quadro teorico) che ha lo scopo di assistere lavori futuri in questo campo. Il Framework per l’Interazione Gestuale Tangibile fornisce supporto su tre livelli. Per prima cosa, aiuta a riflettere da un punto di vista teorico sui diversi tipi di gesti tangibili che possono essere eseguiti fisicamente, grazie a una tassonomia basata su tre componenti (muovere, tenere, toccare) e attributi addizionali, e che possono essere concepiti semanticamente, grazie a una tassonomia di tutti i costrutti semantici che permettono di associare dei significati ai gesti tangibili. In secondo luogo, il framework proposto aiuta a concepire nuovi sistemi interattivi basati su gesti tangibili e a ideare nuove interazioni basate su gesti con gli oggetti, attraverso linee guida per la definizione di gesti tangibili e una selezione delle migliore pratiche per i differenti campi di applicazione. Infine, il framework aiuta a implementare nuovi sistemi interattivi basati su gesti tangibili, permettendo di scegliere tra quattro differenti approcci tecnologici (incarnato e integrato negli oggetti, indossabile, distribuito nell’ambiente, o ibrido) e fornendo una guida generale per la scelta tra questi differenti approcci. Come applicazione di questo framework, questa tesi presenta anche sette sistemi interattivi basati su gesti tangibili, realizzati per tre differenti campi di applicazione: l’interazione con i sistemi di infotainment degli autoveicoli, la comunicazione interpersonale delle emozioni, e l’interazione nella casa intelligente. Per il primo campo di applicazione, sono stati progettati, sviluppati e testati quattro differenti sistemi che usano gesti tangibili effettuati sul volante come modalità di interazione con il sistema di infotainment. Per il secondo campo di applicazione, è stata concepita e sviluppata una lampada antropomorfica in grado di riconoscere i gesti tipici dell’interazione interpersonale. Per lo stesso campo di applicazione, un secondo sistema, basato su una maglietta intelligente, riconosce quando due persone si abbracciano e ricompensa questo gesto con uno scambio di informazioni digitali. Infine, per l’interazione nella casa intelligente, è stata investigata la realizzazione di uno smart watch per il riconoscimento di gesti eseguiti con oggetti tenuti nella mano. L’analisi dei sistemi interattivi esistenti basati su gesti tangibili permette di dimostrare che il framework ha un buon potere descrittivo e valutativo. Le applicazioni sviluppate durante la tesi mostrano che il framework proposto ha anche un valido potere generativo