Integrating passive ubiquitous surfaces into human-computer interaction

Mobile technologies enable people to interact with computers ubiquitously. This dissertation investigates how ordinary, ubiquitous surfaces can be integrated into human-computer interaction to extend the interaction space beyond the edge of the display. It turns out that acoustic and tactile features generated during an interaction can be combined to identify input events, the user, and the surface. In addition, it is shown that a heterogeneous distribution of different surfaces is particularly suitable for realizing versatile interaction modalities. However, privacy concerns must be considered when selecting sensors, and context can be crucial in determining whether and what interaction to perform.Mobile Technologien ermöglichen den Menschen eine allgegenwärtige Interaktion mit Computern. Diese Dissertation untersucht, wie gewöhnliche, allgegenwärtige Oberflächen in die Mensch-Computer-Interaktion integriert werden können, um den Interaktionsraum über den Rand des Displays hinaus zu erweitern. Es stellt sich heraus, dass akustische und taktile Merkmale, die während einer Interaktion erzeugt werden, kombiniert werden können, um Eingabeereignisse, den Benutzer und die Oberfläche zu identifizieren. Darüber hinaus wird gezeigt, dass eine heterogene Verteilung verschiedener Oberflächen besonders geeignet ist, um vielfältige Interaktionsmodalitäten zu realisieren. Bei der Auswahl der Sensoren müssen jedoch Datenschutzaspekte berücksichtigt werden, und der Kontext kann entscheidend dafür sein, ob und welche Interaktion durchgeführt werden soll

Enhanced Virtuality: Increasing the Usability and Productivity of Virtual Environments

Mit stetig steigender Bildschirmauflösung, genauerem Tracking und fallenden Preisen stehen Virtual Reality (VR) Systeme kurz davor sich erfolgreich am Markt zu etablieren. Verschiedene Werkzeuge helfen Entwicklern bei der Erstellung komplexer Interaktionen mit mehreren Benutzern innerhalb adaptiver virtueller Umgebungen. Allerdings entstehen mit der Verbreitung der VR-Systeme auch zusätzliche Herausforderungen: Diverse Eingabegeräte mit ungewohnten Formen und Tastenlayouts verhindern eine intuitive Interaktion. Darüber hinaus zwingt der eingeschränkte Funktionsumfang bestehender Software die Nutzer dazu, auf herkömmliche PC- oder Touch-basierte Systeme zurückzugreifen. Außerdem birgt die Zusammenarbeit mit anderen Anwendern am gleichen Standort Herausforderungen hinsichtlich der Kalibrierung unterschiedlicher Trackingsysteme und der Kollisionsvermeidung. Beim entfernten Zusammenarbeiten wird die Interaktion durch Latenzzeiten und Verbindungsverluste zusätzlich beeinflusst. Schließlich haben die Benutzer unterschiedliche Anforderungen an die Visualisierung von Inhalten, z.B. Größe, Ausrichtung, Farbe oder Kontrast, innerhalb der virtuellen Welten. Eine strikte Nachbildung von realen Umgebungen in VR verschenkt Potential und wird es nicht ermöglichen, die individuellen Bedürfnisse der Benutzer zu berücksichtigen. Um diese Probleme anzugehen, werden in der vorliegenden Arbeit Lösungen in den Bereichen Eingabe, Zusammenarbeit und Erweiterung von virtuellen Welten und Benutzern vorgestellt, die darauf abzielen, die Benutzerfreundlichkeit und Produktivität von VR zu erhöhen. Zunächst werden PC-basierte Hardware und Software in die virtuelle Welt übertragen, um die Vertrautheit und den Funktionsumfang bestehender Anwendungen in VR zu erhalten. Virtuelle Stellvertreter von physischen Geräten, z.B. Tastatur und Tablet, und ein VR-Modus für Anwendungen ermöglichen es dem Benutzer reale Fähigkeiten in die virtuelle Welt zu übertragen. Des Weiteren wird ein Algorithmus vorgestellt, der die Kalibrierung mehrerer ko-lokaler VR-Geräte mit hoher Genauigkeit und geringen Hardwareanforderungen und geringem Aufwand ermöglicht. Da VR-Headsets die reale Umgebung der Benutzer ausblenden, wird die Relevanz einer Ganzkörper-Avatar-Visualisierung für die Kollisionsvermeidung und das entfernte Zusammenarbeiten nachgewiesen. Darüber hinaus werden personalisierte räumliche oder zeitliche Modifikationen vorgestellt, die es erlauben, die Benutzerfreundlichkeit, Arbeitsleistung und soziale Präsenz von Benutzern zu erhöhen. Diskrepanzen zwischen den virtuellen Welten, die durch persönliche Anpassungen entstehen, werden durch Methoden der Avatar-Umlenkung (engl. redirection) kompensiert. Abschließend werden einige der Methoden und Erkenntnisse in eine beispielhafte Anwendung integriert, um deren praktische Anwendbarkeit zu verdeutlichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass virtuelle Umgebungen auf realen Fähigkeiten und Erfahrungen aufbauen können, um eine vertraute und einfache Interaktion und Zusammenarbeit von Benutzern zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen individuelle Erweiterungen des virtuellen Inhalts und der Avatare Einschränkungen der realen Welt zu überwinden und das Erlebnis von VR-Umgebungen zu steigern

Using Stick-Slip to provide directional forces and kinesthetic feedback on interactive display surfaces

Modern interactive surfaces and displays provide powerful and highly efficient visual and auditory human-computer interfaces. However, the usage of haptics is still in its infancy. Often limited to primitive vibrotactile warning or notification signals, the possibilities of haptics to communicate complex images and information have not yet been realized. Based on research done in previous years, new methods have been developed to deliver more specific tactile information about objects and their surfaces. Nevertheless, the kinesthetic sense, which enables to detect different object properties such as weight, inertia and impedance, is rarely discussed as a part of a haptic system. Relying on kinesthetic information has been proven to be beneficial in order to detect, recognize and interpret haptic images in the virtual world. This has been achieved by using linkage-based multi-dimensional manipulators, exoskeletons or robotic arms. Based on the increased usage of mobile devices, new challenges are arising, especially considering linkage-free technologies. To approach this challenge, this thesis describes a system which is able to apply directional forces, linkage-free to a stylus tip, in order to control user behavior. The stick-slip phenomenon has been used as the basic technique to deliver directional forces in the absence of kinematic chains and mechanical linkages. Based on the theoretical approach, the prototype requirements were specified and the configuration of the system (mechanical components, actuators and control parameters) were discussed. By using the resulting system specification, three mockups were developed which led to a final system implementation. During the course of this research, it was demonstrated that it is possible to generate directional forces on an interactive display in order to move a stylus linkage-free over the touchscreen in a fully controlled and efficient manner. The technology described in this thesis opens new possibilities for interacting with displays. The developed system can be used to provide continuously-supervised learning or feed forward systems which predict the user behavior and modify kinesthetic signals

Art and Design Practices as a Driver for Deformable Controls, Textures and Screen Interactions

In this thesis, we demonstrate the innovative uses of deformable interfaces to help de-velop future digital art and design interactions. The great benefits of advancing digital art can often come at a cost of tactile feeling and physical expression, while traditional methods celebrate the diverse sets of physical tools and materials. We identified these sets of tools and materials to inform the development of new art and design interfaces that offer rich physical mediums for digital artist and designers. In order to bring forth these unique inter-actions, we draw on the latest advances in deformable interface technology. Therefore, our research contributes a set of understandings about how deformable interfaces can be har-nessed for art and design interfaces. We identify and discuss the following contributions: insights into tangible and digital practices of artists and designers; prototypes to probe the benefits and possibilities of deformable displays and materials in support of digital-physical art and design, user-centred evaluations of these prototypes to inform future developments, and broader insights into the deformable interface research.Each chapter of this thesis investigates a specific element of art and design, alongside an aspect of deformable interfaces resulting in a new prototype. We begin the thesis by studying the use of physical actuation to simulate artist tools in deformable surfaces. In this chapter, our evaluations highlight the merits of improved user experiences and insights into eyes-free interactions. We then turn to explore deformable textures. Driven by the tactile feeling of mixing paints, we present a gel-based interface that is capable of simulating the feeling of paints on the back of mobile devices. Our evaluations showed how artists endorsed the interactions and held potential for digital oil painting.Our final chapter presents research conducted with digital designers. We explore their colour picking processes and developed a digital version of physical swatches using a mod-ular screen system. This use of tangible proxies in digital-based processes brought a level of playfulness and held potential to support collaborative workflows across disciplines. To conclude, we share how our outcomes from these studies could help shape the broader space of art and design interactions and deformable interface research. We suggest future work and directions based on our findings

Computed fingertip touch for the instrumental control of musical sound with an excursion on the computed retinal afterimage

In this thesis, we present an articulated, empirical view on what human music making is, and on how this fundamentally relates to computation. The experimental evidence which we obtained seems to indicate that this view can be used as a tool, to systematically generate models, hypotheses and new technologies that enable an ever more complete answer to the fundamental question as to what forms of instrumental control of musical sound are possible to implement. This also entails the development of two novel transducer technologies for computed fingertip touch: The cyclotactor (CT) system, which provides fingerpad-orthogonal force output while tracking surface-orthogonal fingertip movement; and the kinetic surface friction transducer (KSFT) system, which provides fingerpad-parallel force output while tracking surface-parallel fingertip movement. In addition to the main research, the thesis also contains two research excursions, which are due to the nature of the Ph.D. position. The first excursion shows how repeated and varying pressing movements on the already held-down key of a computer keyboard can be used both to simplify existing user interactions and to implement new ones, that allow the rapid yet detailed navigation of multiple possible interaction outcomes. The second excursion shows that automated computational techniques can display shape specifically in the retinal afterimage, a well-known effect in the human visual system.Computer Systems, Imagery and Medi

Whole-hand input

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Architecture, 1992.Includes bibliographical references (p. 219-233).by David Joel Sturman.Ph.D

Review: Development and technical design of tangible user interfaces in wide-field areas of application

A tangible user interface or TUI connects physical objects and digital interfaces. It is more interactive and interesting for users than a classic graphic user interface. This article presents a descriptive overview of TUI's real-world applications sorted into ten main application areas-teaching of traditional subjects, medicine and psychology, programming, database development, music and arts, modeling of 3D objects, modeling in architecture, literature and storytelling, adjustable TUI solutions, and commercial TUI smart toys. The paper focuses on TUI's technical solutions and a description of technical constructions that influences the applicability of TUIs in the real world. Based on the review, the technical concept was divided into two main approaches: the sensory technical concept and technology based on a computer vision algorithm. The sensory technical concept is processed to use wireless technology, sensors, and feedback possibilities in TUI applications. The image processing approach is processed to a marker and markerless approach for object recognition, the use of cameras, and the use of computer vision platforms for TUI applications.Web of Science2113art. no. 425

Remote tactile feedback on interactive surfaces

Direct touch input on interactive surfaces has become a predominating standard for the manipulation of digital information in our everyday lives. However, compared to our rich interchange with the physical world, the interaction with touch-based systems is limited in terms of flexibility of input and expressiveness of output. Particularly, the lack of tactile feedback greatly reduces the general usability of a touch-based system and hinders from a productive entanglement of the virtual information with the physical world. This thesis proposes remote tactile feedback as a novel method to provide programmed tactile stimuli supporting direct touch interactions. The overall principle is to spatially decouple the location of touch input (e.g. fingertip or hand) and the location of the tactile sensation on the user's body (e.g. forearm or back). Remote tactile feedback is an alternative concept which avoids particular challenges of existing approaches. Moreover, the principle provides inherent characteristics which can accommodate for the requirements of current and future touch interfaces. To define the design space, the thesis provides a structured overview of current forms of touch surfaces and identifies trends towards non-planar and non-rigid forms with more versatile input mechanisms. Furthermore, a classification highlights limitations of the current methods to generate tactile feedback on touch-based systems. The proposed notion of tactile sensory relocation is a form of sensory substitution. Underlying neurological and psychological principles corroborate the approach. Thus, characteristics of the human sense of touch and principles from sensory substitution help to create a technical and conceptual framework for remote tactile feedback. Three consecutive user studies measure and compare the effects of both direct and remote tactile feedback on the performance and the subjective ratings of the user. Furthermore, the experiments investigate different body locations for the application of tactile stimuli. The results show high subjective preferences for tactile feedback, regardless of its type of application. Additionally, the data reveals no significant differences between the effects of direct and remote stimuli. The results back the feasibility of the approach and provide parameters for the design of stimuli and the effective use of the concept. The main part of the thesis describes the systematical exploration and analysis of the inherent characteristics of remote tactile feedback. Four specific features of the principle are identified: (1) the simplification of the integration of cutaneous stimuli, (2) the transmission of proactive, reactive and detached feedback, (3) the increased expressiveness of tactile sensations and (4) the provision of tactile feedback during multi-touch. In each class, several prototypical remote tactile interfaces are used in evaluations to analyze the concept. For example, the PhantomStation utilizes psychophysical phenomena to reduce the number of single tactile actuators. An evaluation with the prototype compares standard actuator technologies with each other in order to enable simple and scalable implementations. The ThermalTouch prototype creates remote thermal stimuli to reproduce material characteristics on standard touchscreens. The results show a stable rate of virtual object discrimination based on remotely applied temperature profiles. The AutmotiveRTF system is implemented in a vehicle and supports the driver's input on the in-vehicle-infotainment system. A field study with the system focuses on evaluating the effects of proactive and reactive feedback on the user's performance. The main contributions of the dissertation are: First, the thesis introduces the principle of remote tactile feedback and defines a design space for this approach as an alternative method to provide non-visual cues on interactive surfaces. Second, the thesis describes technical examples to rapidly prototype remote tactile feedback systems. Third, these prototypes are deployed in several evaluations which highlight the beneficial subjective and objective effects of the approach. Finally, the thesis presents features and inherent characteristics of remote tactile feedback as a means to support the interaction on today's touchscreens and future interactive surfaces.Die Interaktion mit berührungsempfindlichen Oberflächen ist heute ein Standard für die Manipulation von digitaler Information. Jedoch weist die Bedienung dieser interaktiven Bildschirme starke Einschränkungen hinsichtlich der Flexibilität bei der Eingabe und der Ausdruckskraft der Ausgabe auf, wenn man sie mit den vielfältigen Möglichkeiten des Umgangs mit Objekten in unserer Alltagswelt vergleicht. Besonders die nicht vorhandenen Tastsinnesrückmeldungen vermindern stark die Benutzbarkeit solcher Systeme und verhindern eine effektive Verknüpfung von virtueller Information und physischer Welt. Die vorliegende Dissertation beschreibt den Ansatz der 'distalen taktilen Rückmeldungen' als neuartige Möglichkeit zur Vermittlung programmierter Tastsinnesreize an Benutzer interaktiver Oberflächen. Das Grundprinzip dabei ist die räumliche Trennung zwischen der Eingabe durch Berührung (z.B. mit der Fingerspitze) und dem daraus resultierenden taktilen Reiz am Körper der Benutzer (z.B. am Rücken). Dabei vermeidet das Konzept der distalen taktilen Rückmeldungen einzelne technische und konzeptionelle Nachteile existierender Ansätze. Zusätzlich bringt es Interaktionsmöglichkeiten mit sich, die den Eigenheiten der Interaktion mit aktuellen und auch zukünftigen berührungsempfindlichen Oberflächen Rechnung tragen. Zu Beginn zeigt ein Überblick zu relevanten Arbeiten den aktuellen Forschungstrend hin zu nicht-flachen und verformbaren berührungsempfindlichen Oberflächen sowie zu vielfältigeren Eingabemethoden. Eine Klassifizierung ordnet existierende technische Verfahren zur Erzeugung von künstlichen Tastsinnesreizen und stellt jeweils konzeptuelle und technische Herausforderungen dar. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene Ansatz der Verlagerung von Tastsinnesreizen ist eine Form der sensorischen Substitution, zugrunde liegende neurologische und psychologische Prinzipien untermauern das Vorgehen. Die Wirkprinzipien des menschlichen Tastsinnes und die Systeme zur sensorischen Substitution liefern daher konzeptionelle und technische Richtlinien zur Umsetzung der distalen taktilen Rückmeldungen. Drei aufeinander aufbauende Benutzerstudien vergleichen die Auswirkungen von direkten und distalen taktilen Rückmeldungen auf die Leistung und das Verhalten von Benutzern sowie deren subjektive Bewertung der Interaktion. Außerdem werden in den Experimenten die Effekte von Tastsinnesreizen an verschiedenen Körperstellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen starke Präferenzen für Tastsinnesrückmeldungen, unabhängig von deren Applikationsort. Die Daten ergeben weiterhin keine signifikanten Unterschiede bei den quantitativen Effekten von direktem und distalen Rückmeldungen. Diese Ergebnisse befürworten die Realisierbarkeit des Ansatzes und zeigen Richtlinien für weitere praktische Umsetzungen auf. Der Hauptteil der Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung und Analyse der inhärenten Möglichkeiten, die sich aus der Vermittlung distaler taktiler Rückmeldungen ergeben. Vier verschiedene Charakteristika werden identifiziert: (1) die vereinfachte Integration von Tastsinnesreizen, (2) die Vermittlung von proaktiven, reaktiven und entkoppelten Rückmeldungen, (3) die erhöhte Bandbreite der taktilen Signale und (4) die Darstellung von individuellen Tastsinnesreizen für verschiedene Kontaktpunkte mit der berührungsempfindlichen Oberfläche. Jedes dieser Prinzipien wird durch prototypische Systeme umgesetzt und in Benutzerstudien analysiert. Beispielsweise nutzt das System PhantomStation psychophysikalische Illusionen, um die Anzahl der einzelnen Reizgeber zu reduzieren. In einer Evaluierung des Prototypen werden mehrere Aktuatortechnologien verglichen, um einfache und skalierbare Ansätze zu identifizieren. Der ThermalTouch-Prototyp wird dazu genutzt, distale thermale Reize zu vermitteln, um so Materialeigenschaften auf Berührungsbildschirmen darstellen zu können. Eine Benutzerstudie zeigt, dass sich auf Basis dieser Temperaturverläufe virtuelle Objekte unterscheiden lassen. Das AutomotiveRTF-System wird schließlich in ein Kraftfahrzeug integriert, um den Fahrer bei der Eingabe auf dem Informations- und Unterhaltungssystem zu unterstützen. Eine Feldstudie untersucht die Auswirkungen der proaktiven und reaktiven Rückmeldungen auf die Benutzerleistung. Die vorliegende Dissertation leistet mehrere Beiträge zur Mensch-Maschine-Interaktion: Das Prinzip der distalen taktilen Rückmeldungen wird eingeführt als Alternative zur Erzeugung nicht-visueller Rückmeldungen auf interaktiven Oberflächen. Es werden technische Verfahrensweisen zur prototypischen Implementierung solcher Systeme vorgeschlagen. Diese technischen Prototypen werden in einer Vielzahl verschiedener Benutzerstudien eingesetzt, welche die quantitativen und qualitativen Vorteile des Ansatzes aufzeigen. Schließlich wird gezeigt, wie sich das Prinzip zur Unterstützung heutiger und zukünftiger Interaktionsformen mit berührungsempfindlichen Bildschirmen nutzen lässt