THE UNIVERSAL MEDIA BOOK

We explore the integration of projected imagery with a physical book that acts as a tangible interface to multimedia data. Using a camera and projector pair, a tracking framework is presented wherein the 3D position of planar pages are monitored as they are turned back and forth by a user, and data is correctly warped and projected onto each page at interactive rates to provide the user with an intuitive mixed-reality experience. The book pages are blank, so traditional camera-based approaches to tracking physical features on the display surface do not apply. Instead, in each frame, feature points are independently extracted from the camera and projector images, and matched to recover the geometry of the pages in motion. The book can be loaded with multimedia content, including images and videos. In addition, volumetric datasets can be explored by removing a page from the book and using it as a tool to navigate through a virtual 3D volume

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

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

Real-time 3D hand reconstruction in challenging scenes from a single color or depth camera

Hands are one of the main enabling factors for performing complex tasks and humans naturally use them for interactions with their environment. Reconstruction and digitization of 3D hand motion opens up many possibilities for important applications. Hands gestures can be directly used for human–computer interaction, which is especially relevant for controlling augmented or virtual reality (AR/VR) devices where immersion is of utmost importance. In addition, 3D hand motion capture is a precondition for automatic sign-language translation, activity recognition, or teaching robots. Different approaches for 3D hand motion capture have been actively researched in the past. While being accurate, gloves and markers are intrusive and uncomfortable to wear. Hence, markerless hand reconstruction based on cameras is desirable. Multi-camera setups provide rich input, however, they are hard to calibrate and lack the flexibility for mobile use cases. Thus, the majority of more recent methods uses a single color or depth camera which, however, makes the problem harder due to more ambiguities in the input. For interaction purposes, users need continuous control and immediate feedback. This means the algorithms have to run in real time and be robust in uncontrolled scenes. These requirements, achieving 3D hand reconstruction in real time from a single camera in general scenes, make the problem significantly more challenging. While recent research has shown promising results, current state-of-the-art methods still have strong limitations. Most approaches only track the motion of a single hand in isolation and do not take background-clutter or interactions with arbitrary objects or the other hand into account. The few methods that can handle more general and natural scenarios run far from real time or use complex multi-camera setups. Such requirements make existing methods unusable for many aforementioned applications. This thesis pushes the state of the art for real-time 3D hand tracking and reconstruction in general scenes from a single RGB or depth camera. The presented approaches explore novel combinations of generative hand models, which have been used successfully in the computer vision and graphics community for decades, and powerful cutting-edge machine learning techniques, which have recently emerged with the advent of deep learning. In particular, this thesis proposes a novel method for hand tracking in the presence of strong occlusions and clutter, the first method for full global 3D hand tracking from in-the-wild RGB video, and a method for simultaneous pose and dense shape reconstruction of two interacting hands that, for the first time, combines a set of desirable properties previously unseen in the literature.Hände sind einer der Hauptfaktoren für die Ausführung komplexer Aufgaben, und Menschen verwenden sie auf natürliche Weise für Interaktionen mit ihrer Umgebung. Die Rekonstruktion und Digitalisierung der 3D-Handbewegung eröffnet viele Möglichkeiten für wichtige Anwendungen. Handgesten können direkt als Eingabe für die Mensch-Computer-Interaktion verwendet werden. Dies ist insbesondere für Geräte der erweiterten oder virtuellen Realität (AR / VR) relevant, bei denen die Immersion von größter Bedeutung ist. Darüber hinaus ist die Rekonstruktion der 3D Handbewegung eine Voraussetzung zur automatischen Übersetzung von Gebärdensprache, zur Aktivitätserkennung oder zum Unterrichten von Robotern. In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze zur 3D-Handbewegungsrekonstruktion aktiv erforscht. Handschuhe und physische Markierungen sind zwar präzise, aber aufdringlich und unangenehm zu tragen. Daher ist eine markierungslose Handrekonstruktion auf der Basis von Kameras wünschenswert. Multi-Kamera-Setups bieten umfangreiche Eingabedaten, sind jedoch schwer zu kalibrieren und haben keine Flexibilität für mobile Anwendungsfälle. Daher verwenden die meisten neueren Methoden eine einzelne Farb- oder Tiefenkamera, was die Aufgabe jedoch schwerer macht, da mehr Ambiguitäten in den Eingabedaten vorhanden sind. Für Interaktionszwecke benötigen Benutzer kontinuierliche Kontrolle und sofortiges Feedback. Dies bedeutet, dass die Algorithmen in Echtzeit ausgeführt werden müssen und robust in unkontrollierten Szenen sein müssen. Diese Anforderungen, 3D-Handrekonstruktion in Echtzeit mit einer einzigen Kamera in allgemeinen Szenen, machen das Problem erheblich schwieriger. Während neuere Forschungsarbeiten vielversprechende Ergebnisse gezeigt haben, weisen aktuelle Methoden immer noch Einschränkungen auf. Die meisten Ansätze verfolgen die Bewegung einer einzelnen Hand nur isoliert und berücksichtigen keine alltäglichen Umgebungen oder Interaktionen mit beliebigen Objekten oder der anderen Hand. Die wenigen Methoden, die allgemeinere und natürlichere Szenarien verarbeiten können, laufen nicht in Echtzeit oder verwenden komplexe Multi-Kamera-Setups. Solche Anforderungen machen bestehende Verfahren für viele der oben genannten Anwendungen unbrauchbar. Diese Dissertation erweitert den Stand der Technik für die Echtzeit-3D-Handverfolgung und -Rekonstruktion in allgemeinen Szenen mit einer einzelnen RGB- oder Tiefenkamera. Die vorgestellten Algorithmen erforschen neue Kombinationen aus generativen Handmodellen, die seit Jahrzehnten erfolgreich in den Bereichen Computer Vision und Grafik eingesetzt werden, und leistungsfähigen innovativen Techniken des maschinellen Lernens, die vor kurzem mit dem Aufkommen neuronaler Netzwerke entstanden sind. In dieser Arbeit werden insbesondere vorgeschlagen: eine neuartige Methode zur Handbewegungsrekonstruktion bei starken Verdeckungen und in unkontrollierten Szenen, die erste Methode zur Rekonstruktion der globalen 3D Handbewegung aus RGB-Videos in freier Wildbahn und die erste Methode zur gleichzeitigen Rekonstruktion von Handpose und -form zweier interagierender Hände, die eine Reihe wünschenwerter Eigenschaften komibiniert

Pictures in Your Mind: Using Interactive Gesture-Controlled Reliefs to Explore Art

Tactile reliefs offer many benefits over the more classic raised line drawings or tactile diagrams, as depth, 3D shape, and surface textures are directly perceivable. Although often created for blind and visually impaired (BVI) people, a wider range of people may benefit from such multimodal material. However, some reliefs are still difficult to understand without proper guidance or accompanying verbal descriptions, hindering autonomous exploration. In this work, we present a gesture-controlled interactive audio guide (IAG) based on recent low-cost depth cameras that can be operated directly with the hands on relief surfaces during tactile exploration. The interactively explorable, location-dependent verbal and captioned descriptions promise rapid tactile accessibility to 2.5D spatial information in a home or education setting, to online resources, or as a kiosk installation at public places. We present a working prototype, discuss design decisions, and present the results of two evaluation studies: the first with 13 BVI test users and the second follow-up study with 14 test users across a wide range of people with differences and difficulties associated with perception, memory, cognition, and communication. The participant-led research method of this latter study prompted new, significant and innovative developments

On Inter-referential Awareness in Collaborative Augmented Reality

For successful collaboration to occur, a workspace must support inter-referential awareness - or the ability for one participant to refer to a set of artifacts in the environment, and for that reference to be correctly interpreted by others. While referring to objects in our everyday environment is a straight-forward task, the non-tangible nature of digital artifacts presents us with new interaction challenges. Augmented reality (AR) is inextricably linked to the physical world, and it is natural to believe that the re-integration of physical artifacts into the workspace makes referencing tasks easier; however, we find that these environments combine the referencing challenges from several computing disciplines, which compound across scenarios. This dissertation presents our studies of this form of awareness in collaborative AR environments. It stems from our research in developing mixed reality environments for molecular modeling, where we explored spatial and multi-modal referencing techniques. To encapsulate the myriad of factors found in collaborative AR, we present a generic, theoretical framework and apply it to analyze this domain. Because referencing is a very human-centric activity, we present the results of an exploratory study which examines the behaviors of participants and how they generate references to physical and virtual content in co-located and remote scenarios; we found that participants refer to content using physical and virtual techniques, and that shared video is highly effective in disambiguating references in remote environments. By implementing user feedback from this study, a follow-up study explores how the environment can passively support referencing, where we discovered the role that virtual referencing plays during collaboration. A third study was conducted in order to better understand the effectiveness of giving and interpreting references using a virtual pointer; the results suggest the need for participants to be parallel with the arrow vector (strengthening the argument for shared viewpoints), as well as the importance of shadows in non-stereoscopic environments. Our contributions include a framework for analyzing the domain of inter-referential awareness, the development of novel referencing techniques, the presentation and analysis of our findings from multiple user studies, and a set of guidelines to help designers support this form of awareness

Interactive ubiquitous displays based on steerable projection

The ongoing miniaturization of computers and their embedding into the physical environment require new means of visual output. In the area of Ubiquitous Computing, flexible and adaptable display options are needed in order to enable the presentation of visual content in the physical environment. In this dissertation, we introduce the concepts of Display Continuum and Virtual Displays as new means of human-computer interaction. In this context, we present a realization of a Display Continuum based on steerable projection, and we describe a number of different interaction methods for manipulating this Display Continuum and the Virtual Displays placed on it.Mit zunehmender Miniaturisierung der Computer und ihrer Einbettung in der physikalischen Umgebung werden neue Arten der visuellen Ausgabe notwendig. Im Bereich des Ubiquitous Computing (Rechnerallgegenwart) werden flexible und anpassungsfähige Displays benötigt, um eine Anzeige von visuellen Inhalten unmittelbar in der physikalischen Umgebung zu ermöglichen. In dieser Dissertation führen wir das Konzept des Display-Kontinuums und der Virtuellen Displays als Instrument der Mensch-Maschine-Interaktion ein. In diesem Zusammenhang präsentieren wir eine mögliche Display-Kontinuum-Realisierung, die auf der Verwendung steuerbarer Projektion basiert, und wir beschreiben mehrere verschiedene Interaktionsmethoden, mit denen man das Display-Kontinuum und die darauf platzierten Virtuellen Displays steuern kann