Testing a Shape-Changing Haptic Navigation Device With Vision-Impaired and Sighted Audiences in an Immersive Theater Setting

Flatland was an immersive “in-the-wild” experimental theater and technology project, undertaken with the goal of developing systems that could assist “real-world” pedestrian navigation for both vision-impaired (VI) and sighted individuals, while also exploring inclusive and equivalent cultural experiences for VI and sighted audiences. A novel shape-changing handheld haptic navigation device, the “Animotus,” was developed. The device has the ability to modify its form in the user's grasp to communicate heading and proximity to navigational targets. Flatland provided a unique opportunity to comparatively study the use of novel navigation devices with a large group of individuals (79 sighted, 15 VI) who were primarily attending a theater production rather than an experimental study. In this paper, we present our findings on comparing the navigation performance (measured in terms of efficiency, average pace, and time facing targets) and opinions of VI and sighted users of the Animotus as they negotiated the 112 m2 production environment. Differences in navigation performance were nonsignificant across VI and sighted individuals and a similar range of opinions on device function and engagement spanned both groups. We believe more structured device familiarization, particularly for VI users, could improve performance and incorrect technology expectations (such as obstacle avoidance capability), which influenced overall opinion. This paper is intended to aid the development of future inclusive technologies and cultural experiences

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

Tactile Displays for Pedestrian Navigation

Existing pedestrian navigation systems are mainly visual-based, sometimes with an addition of audio guidance. However, previous research has reported that visual-based navigation systems require a high level of cognitive efforts, contributing to errors and delays. Furthermore, in many situations a person’s visual and auditory channels may be compromised due to environmental factors or may be occupied by other important tasks. Some research has suggested that the tactile sense can effectively be used for interfaces to support navigation tasks. However, many fundamental design and usability issues with pedestrian tactile navigation displays are yet to be investigated. This dissertation investigates human-computer interaction aspects associated with the design of tactile pedestrian navigation systems. More specifically, it addresses the following questions: What may be appropriate forms of wearable devices? What types of spatial information should such systems provide to pedestrians? How do people use spatial information for different navigation purposes? How can we effectively represent such information via tactile stimuli? And how do tactile navigation systems perform? A series of empirical studies was carried out to (1) investigate the effects of tactile signal properties and manipulation on the human perception of spatial data, (2) find out the effective form of wearable displays for navigation tasks, and (3) explore a number of potential tactile representation techniques for spatial data, specifically representing directions and landmarks. Questionnaires and interviews were used to gather information on the use of landmarks amongst people navigating urban environments for different purposes. Analysis of the results of these studies provided implications for the design of tactile pedestrian navigation systems, which we incorporated in a prototype. Finally, field trials were carried out to evaluate the design and address usability issues and performance-related benefits and challenges. The thesis develops an understanding of how to represent spatial information via the tactile channel and provides suggestions for the design and implementation of tactile pedestrian navigation systems. In addition, the thesis classifies the use of various types of landmarks for different navigation purposes. These contributions are developed throughout the thesis building upon an integrated series of empirical studies.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Ubiquitous haptic feedback in human-computer interaction through electrical muscle stimulation

[no abstract

Exploitation of haptic renderings to communicate risk levels of falling

Falls represent a major cause of injury that could lead to death. This observation is even more accentuated in the elderly. Indeed, with aging comes some deterioration (gait disturbances, balance disorders, and sensory motor impairments) that may lead to falls. The research project presented in this thesis is focused on the problem of reducing the risk level of falling. This study proposes a solution for the communication of haptic information to reduce the risk of falling. This solution is part of the design of a haptic communication system in a controlled environment. This new system introduces the notion of haptic perception through the communication of information by touch using the foot, which the literature does not generally mention. For the design of this system, we first studied the use of tactile stimuli to evaluate the possibility of communicating a risk level through a haptic modality. Then, having hypothesized that some factors could influence the communication of stimuli representing the risk levels of falling, we conducted a second study to evaluate the effect of auditory disturbances during the communication of these stimuli. Third, to determine whether the user had the necessary time to act after the perception of the risk level, we analyzed a variation of the simple reaction time when walking on different types of soil. These results encouraged us to do a fourth assessment of reaction time using a new device coupled with a smartphone that can be positioned at different locations on the body. Several experiments have been done to validate each of the steps. With this, we can now communicate a risk level of falling to users through the haptic channel using an active device and easily differentiable stimuli. In addition, we can evaluate auditory factors during such a haptic perception. Finally, we can evaluate the physiological characteristics of the users (response time) while seated and while walking on different types of soil. Les chutes représentent une cause majeure de blessures pouvant entraîner la mort. Cette observation est encore plus accentuée chez les personnes âgées. En effet, avec le vieillissement, certaines détériorations (troubles de la démarche, troubles de l’équilibre, troubles sensorimoteurs) peuvent entraîner des chutes. Le projet de recherche présenté dans cette thèse fait partie du problème de la réduction du risque de chute. En particulier, cette étude propose une solution au problème de la réduction du risque de chute par la perception haptiques. Cette solution intègre la conception d’un système de communication haptique dans un environnement contrôlé. Ce nouveau système introduit la notion de perception haptique à travers la communication de l’information par le toucher avec le pied, que la littérature ne mentionne généralement pas. Pour cela nous avons d’abord étudié l’utilisation de stimuli tactiles pour évaluer la possibilité de communiquer un niveau de risque par la modalité haptique. Puis, ayant émis l’hypothèse que certains facteurs pourraient influencer la communication de ces stimuli, nous avons mené une deuxième étude pour évaluer l’impact des perturbations auditives lors de la perception haptique du niveau de risque. Troisièmement, afin de savoir si l’utilisateur avait le temps nécessaire pour agir après la perception du niveau de risque, nous avons analysé la variation du temps de réaction simple en marchant sur différents types de sols. Les résultats obtenus dans cette dernière étude nous ont motivé à faire une quatrième évaluation du temps de réaction mais en utilisant un nouveau dispositif couplé à un smartphone qui peut être positionné à différents endroits du corps. Plusieurs expériences ont été réalisées pour valider chacune des étapes. Avec toutes ces études, nous pouvons maintenant communiquer aux utilisateurs un niveau de risque à travers le canal haptique en utilisant un dispositif actif et des stimuli facilement différentiables. En outre, nous pouvons évaluer les facteurs externes (auditifs) au cours d’une telle perception haptique. Enfin, nous pouvons évaluer les caractéristiques physiologiques des utilisateurs (temps de réponse) en position assise et en marchant sur différents types de sols

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

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

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