Blending the Material and Digital World for Hybrid Interfaces

The development of digital technologies in the 21st century is progressing continuously and new device classes such as tablets, smartphones or smartwatches are finding their way into our everyday lives. However, this development also poses problems, as these prevailing touch and gestural interfaces often lack tangibility, take little account of haptic qualities and therefore require full attention from their users. Compared to traditional tools and analog interfaces, the human skills to experience and manipulate material in its natural environment and context remain unexploited. To combine the best of both, a key question is how it is possible to blend the material world and digital world to design and realize novel hybrid interfaces in a meaningful way. Research on Tangible User Interfaces (TUIs) investigates the coupling between physical objects and virtual data. In contrast, hybrid interfaces, which specifically aim to digitally enrich analog artifacts of everyday work, have not yet been sufficiently researched and systematically discussed. Therefore, this doctoral thesis rethinks how user interfaces can provide useful digital functionality while maintaining their physical properties and familiar patterns of use in the real world. However, the development of such hybrid interfaces raises overarching research questions about the design: Which kind of physical interfaces are worth exploring? What type of digital enhancement will improve existing interfaces? How can hybrid interfaces retain their physical properties while enabling new digital functions? What are suitable methods to explore different design? And how to support technology-enthusiast users in prototyping? For a systematic investigation, the thesis builds on a design-oriented, exploratory and iterative development process using digital fabrication methods and novel materials. As a main contribution, four specific research projects are presented that apply and discuss different visual and interactive augmentation principles along real-world applications. The applications range from digitally-enhanced paper, interactive cords over visual watch strap extensions to novel prototyping tools for smart garments. While almost all of them integrate visual feedback and haptic input, none of them are built on rigid, rectangular pixel screens or use standard input modalities, as they all aim to reveal new design approaches. The dissertation shows how valuable it can be to rethink familiar, analog applications while thoughtfully extending them digitally. Finally, this thesis’ extensive work of engineering versatile research platforms is accompanied by overarching conceptual work, user evaluations and technical experiments, as well as literature reviews.Die Durchdringung digitaler Technologien im 21. Jahrhundert schreitet stetig voran und neue Geräteklassen wie Tablets, Smartphones oder Smartwatches erobern unseren Alltag. Diese Entwicklung birgt aber auch Probleme, denn die vorherrschenden berührungsempfindlichen Oberflächen berücksichtigen kaum haptische Qualitäten und erfordern daher die volle Aufmerksamkeit ihrer Nutzer:innen. Im Vergleich zu traditionellen Werkzeugen und analogen Schnittstellen bleiben die menschlichen Fähigkeiten ungenutzt, die Umwelt mit allen Sinnen zu begreifen und wahrzunehmen. Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, stellt sich daher die Frage, wie neuartige hybride Schnittstellen sinnvoll gestaltet und realisiert werden können, um die materielle und die digitale Welt zu verschmelzen. In der Forschung zu Tangible User Interfaces (TUIs) wird die Verbindung zwischen physischen Objekten und virtuellen Daten untersucht. Noch nicht ausreichend erforscht wurden hingegen hybride Schnittstellen, die speziell darauf abzielen, physische Gegenstände des Alltags digital zu erweitern und anhand geeigneter Designparameter und Entwurfsräume systematisch zu untersuchen. In dieser Dissertation wird daher untersucht, wie Materialität und Digitalität nahtlos ineinander übergehen können. Es soll erforscht werden, wie künftige Benutzungsschnittstellen nützliche digitale Funktionen bereitstellen können, ohne ihre physischen Eigenschaften und vertrauten Nutzungsmuster in der realen Welt zu verlieren. Die Entwicklung solcher hybriden Ansätze wirft jedoch übergreifende Forschungsfragen zum Design auf: Welche Arten von physischen Schnittstellen sind es wert, betrachtet zu werden? Welche Art von digitaler Erweiterung verbessert das Bestehende? Wie können hybride Konzepte ihre physischen Eigenschaften beibehalten und gleichzeitig neue digitale Funktionen ermöglichen? Was sind geeignete Methoden, um verschiedene Designs zu erforschen? Wie kann man Technologiebegeisterte bei der Erstellung von Prototypen unterstützen? Für eine systematische Untersuchung stützt sich die Arbeit auf einen designorientierten, explorativen und iterativen Entwicklungsprozess unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden und neuartiger Materialien. Im Hauptteil werden vier Forschungsprojekte vorgestellt, die verschiedene visuelle und interaktive Prinzipien entlang realer Anwendungen diskutieren. Die Szenarien reichen von digital angereichertem Papier, interaktiven Kordeln über visuelle Erweiterungen von Uhrarmbändern bis hin zu neuartigen Prototyping-Tools für intelligente Kleidungsstücke. Um neue Designansätze aufzuzeigen, integrieren nahezu alle visuelles Feedback und haptische Eingaben, um Alternativen zu Standard-Eingabemodalitäten auf starren Pixelbildschirmen zu schaffen. Die Dissertation hat gezeigt, wie wertvoll es sein kann, bekannte, analoge Anwendungen zu überdenken und sie dabei gleichzeitig mit Bedacht digital zu erweitern. Dabei umfasst die vorliegende Arbeit sowohl realisierte technische Forschungsplattformen als auch übergreifende konzeptionelle Arbeiten, Nutzerstudien und technische Experimente sowie die Analyse existierender Forschungsarbeiten

Application and validation of capacitive proximity sensing systems in smart environments

Smart environments feature a number of computing and sensing devices that support occupants in performing their tasks. In the last decades there has been a multitude of advances in miniaturizing sensors and computers, while greatly increasing their performance. As a result new devices are introduced into our daily lives that have a plethora of functions. Gathering information about the occupants is fundamental in adapting the smart environment according to preference and situation. There is a large number of different sensing devices available that can provide information about the user. They include cameras, accelerometers, GPS, acoustic systems, or capacitive sensors. The latter use the properties of an electric field to sense presence and properties of conductive objects within range. They are commonly employed in finger-controlled touch screens that are present in billions of devices. A less common variety is the capacitive proximity sensor. It can detect the presence of the human body over a distance, providing interesting applications in smart environments. Choosing the right sensor technology is an important decision in designing a smart environment application. Apart from looking at previous use cases, this process can be supported by providing more formal methods. In this work I present a benchmarking model that is designed to support this decision process for applications in smart environments. Previous benchmarks for pervasive systems have been adapted towards sensors systems and include metrics that are specific for smart environments. Based on distinct sensor characteristics, different ratings are used as weighting factors in calculating a benchmarking score. The method is verified using popularity matching in two scientific databases. Additionally, there are extensions to cope with central tendency bias and normalization with regards to average feature rating. Four relevant application areas are identified by applying this benchmark to applications in smart environments and capacitive proximity sensors. They are indoor localization, smart appliances, physiological sensing and gesture interaction. Any application area has a set of challenges regarding the required sensor technology, layout of the systems, and processing that can be tackled using various new or improved methods. I will present a collection of existing and novel methods that support processing data generated by capacitive proximity sensors. These are in the areas of sparsely distributed sensors, model-driven fitting methods, heterogeneous sensor systems, image-based processing and physiological signal processing. To evaluate the feasibility of these methods, several prototypes have been created and tested for performance and usability. Six of them are presented in detail. Based on these evaluations and the knowledge generated in the design process, I am able to classify capacitive proximity sensing in smart environments. This classification consists of a comparison to other popular sensing technologies in smart environments, the major benefits of capacitive proximity sensors, and their limitations. In order to support parties interested in developing smart environment applications using capacitive proximity sensors, I present a set of guidelines that support the decision process from technology selection to choice of processing methods

SiAM-dp : an open development platform for massively multimodal dialogue systems in cyber-physical environments

Cyber-physical environments enhance natural environments of daily life such as homes, factories, offices, and cars by connecting the cybernetic world of computers and communication with the real physical world. While under the keyword of Industrie 4.0, cyber-physical environments will take a relevant role in the next industrial revolution, and they will also appear in homes, offices, workshops, and numerous other areas. In this new world, classical interaction concepts where users exclusively interact with a single stationary device, PC or smartphone become less dominant and make room for new occurrences of interaction between humans and the environment itself. Furthermore, new technologies and a rising spectrum of applicable modalities broaden the possibilities for interaction designers to include more natural and intuitive non-verbal and verbal communication. The dynamic characteristic of a cyber-physical environment and the mobility of users confronts developers with the challenge of developing systems that are flexible concerning the connected and used devices and modalities. This implies new opportunities for cross-modal interaction that go beyond dual modalities interaction as is well known nowadays. This thesis addresses the support of application developers with a platform for the declarative and model based development of multimodal dialogue applications, with a focus on distributed input and output devices in cyber-physical environments. The main contributions can be divided into three parts: - Design of models and strategies for the specification of dialogue applications in a declarative development approach. This includes models for the definition of project resources, dialogue behaviour, speech recognition grammars, and graphical user interfaces and mapping rules, which convert the device specific representation of input and output description to a common representation language. - The implementation of a runtime platform that provides a flexible and extendable architecture for the easy integration of new devices and components. The platform realises concepts and strategies of multimodal human-computer interaction and is the basis for full-fledged multimodal dialogue applications for arbitrary device setups, domains, and scenarios. - A software development toolkit that is integrated in the Eclipse rich client platform and provides wizards and editors for creating and editing new multimodal dialogue applications.Cyber-physische Umgebungen (CPEs) erweitern natürliche Alltagsumgebungen wie Heim, Fabrik, Büro und Auto durch Verbindung der kybernetischen Welt der Computer und Kommunikation mit der realen, physischen Welt. Die möglichen Anwendungsgebiete hierbei sind weitreichend. Während unter dem Stichwort Industrie 4.0 cyber-physische Umgebungen eine bedeutende Rolle für die nächste industrielle Revolution spielen werden, erhalten sie ebenfalls Einzug in Heim, Büro, Werkstatt und zahlreiche weitere Bereiche. In solch einer neuen Welt geraten klassische Interaktionskonzepte, in denen Benutzer ausschließlich mit einem einzigen Gerät, PC oder Smartphone interagieren, immer weiter in den Hintergrund und machen Platz für eine neue Ausprägung der Interaktion zwischen dem Menschen und der Umgebung selbst. Darüber hinaus sorgen neue Technologien und ein wachsendes Spektrum an einsetzbaren Modalitäten dafür, dass sich im Interaktionsdesign neue Möglichkeiten für eine natürlichere und intuitivere verbale und nonverbale Kommunikation auftun. Die dynamische Natur von cyber-physischen Umgebungen und die Mobilität der Benutzer darin stellt Anwendungsentwickler vor die Herausforderung, Systeme zu entwickeln, die flexibel bezüglich der verbundenen und verwendeten Geräte und Modalitäten sind. Dies impliziert auch neue Möglichkeiten in der modalitätsübergreifenden Kommunikation, die über duale Interaktionskonzepte, wie sie heutzutage bereits üblich sind, hinausgehen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Unterstützung von Anwendungsentwicklern mit Hilfe einer Plattform zur deklarativen und modellbasierten Entwicklung von multimodalen Dialogapplikationen mit einem Fokus auf verteilte Ein- und Ausgabegeräte in cyber-physischen Umgebungen. Die bearbeiteten Aufgaben können grundlegend in drei Teile gegliedert werden: - Die Konzeption von Modellen und Strategien für die Spezifikation von Dialoganwendungen in einem deklarativen Entwicklungsansatz. Dies beinhaltet Modelle für das Definieren von Projektressourcen, Dialogverhalten, Spracherkennergrammatiken, graphischen Benutzerschnittstellen und Abbildungsregeln, die die gerätespezifische Darstellung von Ein- und Ausgabegeräten in eine gemeinsame Repräsentationssprache transformieren. - Die Implementierung einer Laufzeitumgebung, die eine flexible und erweiterbare Architektur für die einfache Integration neuer Geräte und Komponenten bietet. Die Plattform realisiert Konzepte und Strategien der multimodalen Mensch-Maschine-Interaktion und ist die Basis vollwertiger multimodaler Dialoganwendungen für beliebige Domänen, Szenarien und Gerätekonfigurationen. - Eine Softwareentwicklungsumgebung, die in die Eclipse Rich Client Plattform integriert ist und Entwicklern Assistenten und Editoren an die Hand gibt, die das Erstellen und Editieren von neuen multimodalen Dialoganwendungen unterstützen