Exploring glass as a novel method for hands-free data entry in flexible cystoscopy

We present a way to annotate cystoscopy finding on Google Glass in a reproducible and hands free manner for use by surgeons during operations in the sterile environment inspired by the current practice of hand-drawn sketches. We developed three data entry variants based on speech and head movements. We assessed the feasibility, benefits and drawbacks of the system with 8 surgeons and Foundation Doctors having up to 30 years' cystoscopy experience at a UK hospital in laboratory trials. We report data entry speed and error rate of input modalities and contrast it with the participants' feedback on their perception of usability, acceptance, and suitability for deployment. The results are supportive of new data entry technologies and point out directions for future improvement of eyewear computers. The findings can be generalised to other endoscopic procedures (e.g. OGD/laryngoscopy) and could be included within hospital IT in the future

Spatial Interaction for Immersive Mixed-Reality Visualizations

Growing amounts of data, both in personal and professional settings, have caused an increased interest in data visualization and visual analytics. Especially for inherently three-dimensional data, immersive technologies such as virtual and augmented reality and advanced, natural interaction techniques have been shown to facilitate data analysis. Furthermore, in such use cases, the physical environment often plays an important role, both by directly influencing the data and by serving as context for the analysis. Therefore, there has been a trend to bring data visualization into new, immersive environments and to make use of the physical surroundings, leading to a surge in mixed-reality visualization research. One of the resulting challenges, however, is the design of user interaction for these often complex systems. In my thesis, I address this challenge by investigating interaction for immersive mixed-reality visualizations regarding three core research questions: 1) What are promising types of immersive mixed-reality visualizations, and how can advanced interaction concepts be applied to them? 2) How does spatial interaction benefit these visualizations and how should such interactions be designed? 3) How can spatial interaction in these immersive environments be analyzed and evaluated? To address the first question, I examine how various visualizations such as 3D node-link diagrams and volume visualizations can be adapted for immersive mixed-reality settings and how they stand to benefit from advanced interaction concepts. For the second question, I study how spatial interaction in particular can help to explore data in mixed reality. There, I look into spatial device interaction in comparison to touch input, the use of additional mobile devices as input controllers, and the potential of transparent interaction panels. Finally, to address the third question, I present my research on how user interaction in immersive mixed-reality environments can be analyzed directly in the original, real-world locations, and how this can provide new insights. Overall, with my research, I contribute interaction and visualization concepts, software prototypes, and findings from several user studies on how spatial interaction techniques can support the exploration of immersive mixed-reality visualizations.Zunehmende Datenmengen, sowohl im privaten als auch im beruflichen Umfeld, führen zu einem zunehmenden Interesse an Datenvisualisierung und visueller Analyse. Insbesondere bei inhärent dreidimensionalen Daten haben sich immersive Technologien wie Virtual und Augmented Reality sowie moderne, natürliche Interaktionstechniken als hilfreich für die Datenanalyse erwiesen. Darüber hinaus spielt in solchen Anwendungsfällen die physische Umgebung oft eine wichtige Rolle, da sie sowohl die Daten direkt beeinflusst als auch als Kontext für die Analyse dient. Daher gibt es einen Trend, die Datenvisualisierung in neue, immersive Umgebungen zu bringen und die physische Umgebung zu nutzen, was zu einem Anstieg der Forschung im Bereich Mixed-Reality-Visualisierung geführt hat. Eine der daraus resultierenden Herausforderungen ist jedoch die Gestaltung der Benutzerinteraktion für diese oft komplexen Systeme. In meiner Dissertation beschäftige ich mich mit dieser Herausforderung, indem ich die Interaktion für immersive Mixed-Reality-Visualisierungen im Hinblick auf drei zentrale Forschungsfragen untersuche: 1) Was sind vielversprechende Arten von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen, und wie können fortschrittliche Interaktionskonzepte auf sie angewendet werden? 2) Wie profitieren diese Visualisierungen von räumlicher Interaktion und wie sollten solche Interaktionen gestaltet werden? 3) Wie kann räumliche Interaktion in diesen immersiven Umgebungen analysiert und ausgewertet werden? Um die erste Frage zu beantworten, untersuche ich, wie verschiedene Visualisierungen wie 3D-Node-Link-Diagramme oder Volumenvisualisierungen für immersive Mixed-Reality-Umgebungen angepasst werden können und wie sie von fortgeschrittenen Interaktionskonzepten profitieren. Für die zweite Frage untersuche ich, wie insbesondere die räumliche Interaktion bei der Exploration von Daten in Mixed Reality helfen kann. Dabei betrachte ich die Interaktion mit räumlichen Geräten im Vergleich zur Touch-Eingabe, die Verwendung zusätzlicher mobiler Geräte als Controller und das Potenzial transparenter Interaktionspanels. Um die dritte Frage zu beantworten, stelle ich schließlich meine Forschung darüber vor, wie Benutzerinteraktion in immersiver Mixed-Reality direkt in der realen Umgebung analysiert werden kann und wie dies neue Erkenntnisse liefern kann. Insgesamt trage ich mit meiner Forschung durch Interaktions- und Visualisierungskonzepte, Software-Prototypen und Ergebnisse aus mehreren Nutzerstudien zu der Frage bei, wie räumliche Interaktionstechniken die Erkundung von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen unterstützen können

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

Extending head-up displays

Drivers consume an increasing amount of information while driving. The information is accessed on the in-car displays but also on personal devices such as the smartphone. Head-up displays are designed for a safe uptake of additional visual information while driving but their benefits are limited by the small display space. This motivates academia and industry to advance the head-up to the so-called windshield display. A windshield display will provide an extended display space, which largely or entirely covers the driver’s visual field through the windshield, as well as 3D and depth perception. Technologically, they are not yet feasible, but, thanks to steady advancements they will become available in the future. Extending a small 2D to a large 3D space requires a rethinking of the entire user interface. The windshield display opens up new opportunities for the type and amount of information, as well as for the way it is presented – ranging up to full augmented reality but it also raises concerns about a distracted driver. The core question of this thesis is whether such an extension is reasonable and desirable – meaning if there are convincing arguments and use cases which justify the potential risk of distraction. This thesis presents our research about the risks and benefits of the transition from a head-up to a windshield display. Thus, we explore the potentials and examine the safety risks and benefits as well as the drivers’ satisfaction of various display aspects. We developed a design space that shows how the new size and depth possibilities create new, or interrelate with existing, design factors. New design opportunities arise and suggest a redesign of existing functionality but also the integration of new content. We researched the information content that could be displayed on a windshield display and asked drivers what content they need and personally desire. We thereby obtained an extensive list of use cases and applications. We approached the question of where such content should be displayed, given the large 3D space. To enable the design of safe interfaces, we first examined the driver’s visual perception across the windshield and identified locations that promote information recognition, particularly in the new peripheral area. Simultaneously, we examined the different ways of placing and stabilizing the content. We compared the traditional screen-fixed with world-fixed (augmented reality) and head-stabilized placement methods in terms of user satisfaction, understandability and safety. The gained knowledge about the locations that support information uptake and about the best ways of placing content was merged into a layout concept that subdivides the driver’s view into several information areas. We also incorporated the drivers’ preferences into this design process and compared their personalized layouts with our vision-based layout concept. We assessed the safety of both layout versions and present a revised concept. We close this thesis by reflecting on other trends that may interrelate with the windshield display, namely autonomous driving and augmented reality consumer devices. We look at recent advancements in realizing windshield displays and endeavor a prediction of future developments in this area

THE FUTURE OF DIGITAL WORK - USE CASES FOR AUGMENTED REALITY GLASSES

Microsoft’s HoloLens enables true augmented reality (AR) by placing virtual objects within the real world. This paper aims at presenting trades (based on ISIC) that can benefit from AR as well as possible use cases. Firstly, the authors conducted a systematic literature search to identi-fy relevant papers. Six databases (including EBSCOhost, ScienceDirect and SpringerLink) were scanned for the term “HoloLens”. Out of 680 results, two researchers identified 150 articles as thematically relevant. Secondly, these papers were analysed utilising qualitative content analy-sis. Findings reveal 26 trades where AR glasses are in use for practice or research purposes. The most frequent are human health, education and research. In addition, we provide a cata-logue of 7 main use cases, such as Process Guidance or Data Access and Visualisation as well as 27 sub use cases addressing corresponding functionalities in more detail. The results of this paper are trades and application scenarios for AR glasses. Thus, this article contributes to re-search in the field of service systems design, especially AR glasses-based service systems, and provide evidence for the future of digital work

Mixed Reality Interfaces for Augmented Text and Speech

While technology plays a vital role in human communication, there still remain many significant challenges when using them in everyday life. Modern computing technologies, such as smartphones, offer convenient and swift access to information, facilitating tasks like reading documents or communicating with friends. However, these tools frequently lack adaptability, become distracting, consume excessive time, and impede interactions with people and contextual information. Furthermore, they often require numerous steps and significant time investment to gather pertinent information. We want to explore an efficient process of contextual information gathering for mixed reality (MR) interfaces that provide information directly in the user’s view. This approach allows for a seamless and flexible transition between language and subsequent contextual references, without disrupting the flow of communication. ’Augmented Language’ can be defined as the integration of language and communication with mixed reality to enhance, transform, or manipulate language-related aspects and various forms of linguistic augmentations (such as annotation/referencing, aiding social interactions, translation, localization, etc.). In this thesis, our broad objective is to explore mixed reality interfaces and their potential to enhance augmented language, particularly in the domains of speech and text. Our aim is to create interfaces that offer a more natural, generalizable, on-demand, and real-time experience of accessing contextually relevant information and providing adaptive interactions. To better address this broader objective, we systematically break it down to focus on two instances of augmented language. First, enhancing augmented conversation to support on-the-fly, co-located in-person conversations using embedded references. And second, enhancing digital and physical documents using MR to provide on-demand reading support in the form of different summarization techniques. To examine the effectiveness of these speech and text interfaces, we conducted two studies in which we asked the participants to evaluate our system prototype in different use cases. The exploratory usability study for the first exploration confirms that our system decreases distraction and friction in conversation compared to smartphone search while providing highly useful and relevant information. For the second project, we conducted an exploratory design workshop to identify categories of document enhancements. We later conducted a user study with a mixed-reality prototype to highlight five board themes to discuss the benefits of MR document enhancement

The mobile information access experience - A user perspective

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.Mobile technologies, such as mobile phones, smartphones and Palmtop computers, are in an upwards trend and earliest models of such devices are already available to end-users to communicate and access multimedia content on-the-move. As a logical outcome of this development in mobile technologies and devices, content provider companies have already started investing and piloting mobile multimedia content distribution and broadcasting technologies. Nevertheless, no matter how cutting-edge technology is and no matter how stylish the mobile devices are, the ultimate success of wireless communication technologies and devices are directly associated with the user adoption and embrace of these new equipment and technologies. In this perspective, since multimedia content, for mobile or not, is ultimately produced for the education and/or enjoyment of viewers, the user's perspective concerning the presentation quality is surely of equal importance as objective Quality of Service (QoS) technical parameters, to defining distributed multimedia quality. In order to comprehensively understand user experiences whilst accessing information using mobile devices and technologies, we investigate user-mobile device interaction and look into the surrounding issues in a uniform manner by combining multiple aspects: user initial device experience (Out-of-Box Experience), mobile information access in a real-world context, device impact on user information access and perceptually tailored multimedia content impact on user information assimilation and satisfaction. Accordingly, an extensive experimental investigation has been undertaken to see how user experiences varied based on device familiarity, device type, real-world context and variable locations. The findings has shown that the overall perception, and effectively the user information access experience, is affected and improved when multimedia content is tailored according to user device type and context. Thus highlights that the future of mobile computing necessitates two-faceted research, which should combine both a user as well as a technical perspective

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