Large Display Interaction via Multiple Acceleration Curves and Multifinger Pointer Control

Large high-resolution displays combine high pixel density with ample physical dimensions. The combination of these factors creates a multiscale workspace where interactive targeting of on-screen objects requires both high speed for distant targets and high accuracy for small targets. Modern operating systems support implicit dynamic control-display gain adjustment (i.e., a pointer acceleration curve) that helps to maintain both speed and accuracy. However, large high-resolution displays require a broader range of control-display gains than a single acceleration curve can usably enable. Some interaction techniques attempt to solve the problem by utilizing multiple explicit modes of interaction, where different modes provide different levels of pointer precision. Here, we investigate the alternative hypothesis of using a single mode of interaction for continuous pointing that enables both (1) standard implicit granularity control via an acceleration curve and (2) explicit switching between multiple acceleration curves in an efficient and dynamic way. We evaluate a sample solution that augments standard touchpad accelerated pointer manipulation with multitouch capability, where the choice of acceleration curve dynamically changes depending on the number of fingers in contact with the touchpad. Specifically, users can dynamically switch among three different acceleration curves by using one, two, or three fingers on the touchpad

Sensory Communication

Contains table of contents for Section 2 and reports on five research projects.National Institutes of Health Contract 2 R01 DC00117National Institutes of Health Contract 1 R01 DC02032National Institutes of Health Contract 2 P01 DC00361National Institutes of Health Contract N01 DC22402National Institutes of Health Grant R01-DC001001National Institutes of Health Grant R01-DC00270National Institutes of Health Grant 5 R01 DC00126National Institutes of Health Grant R29-DC00625U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-88-K-0604U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-91-J-1454U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-92-J-1814U.S. Navy - Naval Air Warfare Center Training Systems Division Contract N61339-94-C-0087U.S. Navy - Naval Air Warfare Center Training System Division Contract N61339-93-C-0055U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-93-1-1198National Aeronautics and Space Administration/Ames Research Center Grant NCC 2-77

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

Personalized Interaction with High-Resolution Wall Displays

Fallende Hardwarepreise sowie eine zunehmende Offenheit gegenüber neuartigen Interaktionsmodalitäten haben in den vergangen Jahren den Einsatz von wandgroßen interaktiven Displays möglich gemacht, und in der Folge ist ihre Anwendung, unter anderem in den Bereichen Visualisierung, Bildung, und der Unterstützung von Meetings, erfolgreich demonstriert worden. Aufgrund ihrer Größe sind Wanddisplays für die Interaktion mit mehreren Benutzern prädestiniert. Gleichzeitig kann angenommen werden, dass Zugang zu persönlichen Daten und Einstellungen — mithin personalisierte Interaktion — weiterhin essentieller Bestandteil der meisten Anwendungsfälle sein wird. Aktuelle Benutzerschnittstellen im Desktop- und Mobilbereich steuern Zugriffe über ein initiales Login. Die Annahme, dass es nur einen Benutzer pro Bildschirm gibt, zieht sich durch das gesamte System, und ermöglicht unter anderem den Zugriff auf persönliche Daten und Kommunikation sowie persönliche Einstellungen. Gibt es hingegen mehrere Benutzer an einem großen Bildschirm, müssen hierfür Alternativen gefunden werden. Die daraus folgende Forschungsfrage dieser Dissertation lautet: Wie können wir im Kontext von Mehrbenutzerinteraktion mit wandgroßen Displays personalisierte Schnittstellen zur Verfügung stellen? Die Dissertation befasst sich sowohl mit personalisierter Interaktion in der Nähe (mit Touch als Eingabemodalität) als auch in etwas weiterer Entfernung (unter Nutzung zusätzlicher mobiler Geräte). Grundlage für personalisierte Mehrbenutzerinteraktion sind technische Lösungen für die Zuordnung von Benutzern zu einzelnen Interaktionen. Hierzu werden zwei Alternativen untersucht: In der ersten werden Nutzer via Kamera verfolgt, und in der zweiten werden Mobilgeräte anhand von Ultraschallsignalen geortet. Darauf aufbauend werden Interaktionstechniken vorgestellt, die personalisierte Interaktion unterstützen. Diese nutzen zusätzliche Mobilgeräte, die den Zugriff auf persönliche Daten sowie Interaktion in einigem Abstand von der Displaywand ermöglichen. Einen weiteren Teil der Arbeit bildet die Untersuchung der praktischen Auswirkungen der Ausgabe- und Interaktionsmodalitäten für personalisierte Interaktion. Hierzu wird eine qualitative Studie vorgestellt, die Nutzerverhalten anhand des kooperativen Mehrbenutzerspiels Miners analysiert. Der abschließende Beitrag beschäftigt sich mit dem Analyseprozess selber: Es wird das Analysetoolkit für Wandinteraktionen GIAnT vorgestellt, das Nutzerbewegungen, Interaktionen, und Blickrichtungen visualisiert und dadurch die Untersuchung der Interaktionen stark vereinfacht.An increasing openness for more diverse interaction modalities as well as falling hardware prices have made very large interactive vertical displays more feasible, and consequently, applications in settings such as visualization, education, and meeting support have been demonstrated successfully. Their size makes wall displays inherently usable for multi-user interaction. At the same time, we can assume that access to personal data and settings, and thus personalized interaction, will still be essential in most use-cases. In most current desktop and mobile user interfaces, access is regulated via an initial login and the complete user interface is then personalized to this user: Access to personal data, configurations and communications all assume a single user per screen. In the case of multiple people using one screen, this is not a feasible solution and we must find alternatives. Therefore, this thesis addresses the research question: How can we provide personalized interfaces in the context of multi-user interaction with wall displays? The scope spans personalized interaction both close to the wall (using touch as input modality) and further away (using mobile devices). Technical solutions that identify users at each interaction can replace logins and enable personalized interaction for multiple users at once. This thesis explores two alternative means of user identification: Tracking using RGB+depth-based cameras and leveraging ultrasound positioning of the users' mobile devices. Building on this, techniques that support personalized interaction using personal mobile devices are proposed. In the first contribution on interaction, HyDAP, we examine pointing from the perspective of moving users, and in the second, SleeD, we propose using an arm-worn device to facilitate access to private data and personalized interface elements. Additionally, the work contributes insights on practical implications of personalized interaction at wall displays: We present a qualitative study that analyses interaction using a multi-user cooperative game as application case, finding awareness and occlusion issues. The final contribution is a corresponding analysis toolkit that visualizes users' movements, touch interactions and gaze points when interacting with wall displays and thus allows fine-grained investigation of the interactions

Musical Haptics

Haptic Musical Instruments; Haptic Psychophysics; Interface Design and Evaluation; User Experience; Musical Performanc

Crossmodal audio and tactile interaction with mobile touchscreens

Touchscreen mobile devices often use cut-down versions of desktop user interfaces placing high demands on the visual sense that may prove awkward in mobile settings. The research in this thesis addresses the problems encountered by situationally impaired mobile users by using crossmodal interaction to exploit the abundant similarities between the audio and tactile modalities. By making information available to both senses, users can receive the information in the most suitable way, without having to abandon their primary task to look at the device. This thesis begins with a literature review of related work followed by a definition of crossmodal icons. Two icons may be considered to be crossmodal if and only if they provide a common representation of data, which is accessible interchangeably via different modalities. Two experiments investigated possible parameters for use in crossmodal icons with results showing that rhythm, texture and spatial location are effective. A third experiment focused on learning multi-dimensional crossmodal icons and the extent to which this learning transfers between modalities. The results showed identification rates of 92% for three-dimensional audio crossmodal icons when trained in the tactile equivalents, and identification rates of 89% for tactile crossmodal icons when trained in the audio equivalent. Crossmodal icons were then incorporated into a mobile touchscreen QWERTY keyboard. Experiments showed that keyboards with audio or tactile feedback produce fewer errors and greater speeds of text entry compared to standard touchscreen keyboards. The next study examined how environmental variables affect user performance with the same keyboard. The data showed that each modality performs differently with varying levels of background noise or vibration and the exact levels at which these performance decreases occur were established. The final study involved a longitudinal evaluation of a touchscreen application, CrossTrainer, focusing on longitudinal effects on performance with audio and tactile feedback, the impact of context on performance and personal modality preference. The results show that crossmodal audio and tactile icons are a valid method of presenting information to situationally impaired mobile touchscreen users with recognitions rates of 100% over time. This thesis concludes with a set of guidelines on the design and application of crossmodal audio and tactile feedback to enable application and interface designers to employ such feedback in all systems

Musical Haptics

Haptic Musical Instruments; Haptic Psychophysics; Interface Design and Evaluation; User Experience; Musical Performanc

An Exploration of Multi-touch Interaction Techniques

Research in multi-touch interaction has typically been focused on direct spatial manipulation; techniques have been created to result in the most intuitive mapping between the movement of the hand and the resultant change in the virtual object. As we attempt to design for more complex operations, the effectiveness of spatial manipulation as a metaphor becomes weak. We introduce two new platforms for multi-touch computing: a gesture recognition system, and a new interaction technique. I present Multi-Tap Sliders, a new interaction technique for operation in what we call non-spatial parametric spaces. Such spaces do not have an obvious literal spatial representation, (Eg.: exposure, brightness, contrast and saturation for image editing). The multi-tap sliders encourage the user to keep her visual focus on the tar- get, instead of requiring her to look back at the interface. My research emphasizes ergonomics, clear visual design, and fluid transition between modes of operation. Through a series of iterations, I develop a new technique for quickly selecting and adjusting multiple numerical parameters. Evaluations of multi-tap sliders show improvements over traditional sliders. To facilitate further research on multi-touch gestural interaction, I developed mGestr: a training and recognition system using hidden Markov models for designing a multi-touch gesture set. Our evaluation shows successful recognition rates of up to 95%. The recognition framework is packaged into a service for easy integration with existing applications