InMyFace: Inertial and Mechanomyography-Based Sensor Fusion for Wearable Facial Activity Recognition

Recognizing facial activity is a well-understood (but non-trivial) computer vision problem. However, reliable solutions require a camera with a good view of the face, which is often unavailable in wearable settings. Furthermore, in wearable applications, where systems accompany users throughout their daily activities, a permanently running camera can be problematic for privacy (and legal) reasons. This work presents an alternative solution based on the fusion of wearable inertial sensors, planar pressure sensors, and acoustic mechanomyography (muscle sounds). The sensors were placed unobtrusively in a sports cap to monitor facial muscle activities related to facial expressions. We present our integrated wearable sensor system, describe data fusion and analysis methods, and evaluate the system in an experiment with thirteen subjects from different cultural backgrounds (eight countries) and both sexes (six women and seven men). In a one-model-per-user scheme and using a late fusion approach, the system yielded an average F1 score of 85.00% for the case where all sensing modalities are combined. With a cross-user validation and a one-model-for-all-user scheme, an F1 score of 79.00% was obtained for thirteen participants (six females and seven males). Moreover, in a hybrid fusion (cross-user) approach and six classes, an average F1 score of 82.00% was obtained for eight users. The results are competitive with state-of-the-art non-camera-based solutions for a cross-user study. In addition, our unique set of participants demonstrates the inclusiveness and generalizability of the approach.Comment: Submitted to Information Fusion, Elsevie

SpecTracle: Wearable Facial Motion Tracking from Unobtrusive Peripheral Cameras

Facial motion tracking in head-mounted displays (HMD) has the potential to enable immersive "face-to-face" interaction in a virtual environment. However, current works on facial tracking are not suitable for unobtrusive augmented reality (AR) glasses or do not have the ability to track arbitrary facial movements. In this work, we demonstrate a novel system called SpecTracle that tracks a user's facial motions using two wide-angle cameras mounted right next to the visor of a Hololens. Avoiding the usage of cameras extended in front of the face, our system greatly improves the feasibility to integrate full-face tracking into a low-profile form factor. We also demonstrate that a neural network-based model processing the wide-angle cameras can run in real-time at 24 frames per second (fps) on a mobile GPU and track independent facial movement for different parts of the face with a user-independent model. Using a short personalized calibration, the system improves its tracking performance by 42.3% compared to the user-independent model

Internet of Mirrors for Connected Healthcare and Beauty: A Prospective Vision

With the shift towards smart objects and automated services in many industries, the health and beauty industries are also becoming increasingly involved in AI-driven smart systems. There is a rising market demand for personalised services and a need for unified platforms in many sectors, specifically the cosmetics and healthcare industries. Alongside this rising demand, there are two major gaps when considering the integration of autonomous systems within these sectors. Firstly, the existing smart systems in the cosmetics industry are limited to single-purpose products and the employed technologies are not widespread enough to support the growing consumer demand for personalisation. Secondly, despite the rise of smart devices in healthcare, the current state-of-the-art services do not fulfil the accessibility demands and holistic nature of healthcare. To bridge these gaps, we propose integrating autonomous systems with health and beauty services through a unified visual platform coined as the Internet-of-Mirrors (IoM), an interconnected system of smart mirrors with sensing and communication capabilities where the smart mirror functions as an immersive visual dashboard to provide personalised services for health and beauty consultations and routines. We aim to present an overview of current state-of-the-art technologies that will enable the development of the IoM as well as provide a practical vision of this system with innovative scenarios to give a forward-looking vision for assistive technologies. We also discuss the missing capabilities and challenges the development of the IoM would face and outline future research directions that will support the realisation of our proposed framework.Comment: 21 pages, 6 figure

Earables: Wearable Computing on the Ears

Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer

Augmented Reality

Augmented Reality (AR) is a natural development from virtual reality (VR), which was developed several decades earlier. AR complements VR in many ways. Due to the advantages of the user being able to see both the real and virtual objects simultaneously, AR is far more intuitive, but it's not completely detached from human factors and other restrictions. AR doesn't consume as much time and effort in the applications because it's not required to construct the entire virtual scene and the environment. In this book, several new and emerging application areas of AR are presented and divided into three sections. The first section contains applications in outdoor and mobile AR, such as construction, restoration, security and surveillance. The second section deals with AR in medical, biological, and human bodies. The third and final section contains a number of new and useful applications in daily living and learning

The Evolution of Smart Buildings: An Industrial Perspective of the Development of Smart Buildings in the 2010s

Over the course of the 2010s, specialist research bodies have failed to provide a holistic view of the changes in the prominent reason (as driven by industry) for creating a smart building. Over the 2010s, research tended to focus on remaining deeply involved in only single issues or value drivers. Through an analysis of the author’s peer reviewed and published works (book chapters, articles, essays and podcasts), supplemented with additional contextual academic literature, a model for how the key drivers for creating a smart building have evolved in industry during the 2010s is presented. The critical research commentary within this thesis, tracks the incremental advances of technology and their application to the built environment via academic movements, industrial shifts, or the author’s personal contributions. This thesis has found that it is demonstrable, through the chronology and publication dates of the included research papers, that as the financial cost and complexity of sensors and cloud computing reduced, smart buildings became increasingly prevalent. Initially, sustainability was the primary focus with the use of HVAC analytics and advanced metering in the early 2010s. The middle of the decade saw an economic transformation of the commercial office sector and the driver for creating a smart building was concerned with delivering flexible yet quantifiably used space. Driven by society’s emphasis on health, wellbeing and productivity, smart buildings pivoted their focus towards the end of the 2010s. Smart building technologies were required to demonstrate the impacts of architecture on the human. This research has evidenced that smart buildings use data to improve performance in sustainability, in space usage or for humancentric outcomes