Tangible user interfaces : past, present and future directions

In the last two decades, Tangible User Interfaces (TUIs) have emerged as a new interface type that interlinks the digital and physical worlds. Drawing upon users' knowledge and skills of interaction with the real non-digital world, TUIs show a potential to enhance the way in which people interact with and leverage digital information. However, TUI research is still in its infancy and extensive research is required in or- der to fully understand the implications of tangible user interfaces, to develop technologies that further bridge the digital and the physical, and to guide TUI design with empirical knowledge. This paper examines the existing body of work on Tangible User In- terfaces. We start by sketching the history of tangible user interfaces, examining the intellectual origins of this field. We then present TUIs in a broader context, survey application domains, and review frame- works and taxonomies. We also discuss conceptual foundations of TUIs including perspectives from cognitive sciences, phycology, and philoso- phy. Methods and technologies for designing, building, and evaluating TUIs are also addressed. Finally, we discuss the strengths and limita- tions of TUIs and chart directions for future research

Enabling designers to generate concepts of interactive product behaviours: a mixed reality design approach

To design interactive behaviours for their products designers/makers have to use high fidelity tools like ‘electronic prototyping kits’, involving sensors and programming to incorporate interactions in their products and are dependent on availability of hardware. Not every designer is comfortable using such tools to ideate and test their concept ideas, eventually slowing them down in the process. Thus, there is a need for a design tool that reduces dependence on complex components of such tools while exploring new concepts for product design at an early stage. In this work, we propose a Mixed Reality system that we developed to simulate interactive behaviours of products using designed visual interaction blocks. The system is implemented in three stages: idea generation, creating interactions and revision of interactive behaviours. The implemented virtual scenario showed to elicit high motivation and appeal among users resulting in inventive and creative design experience at the same time. As a result, designers will be able to create and revise their interaction-behavioural design concepts virtually with relative ease, resulting in higher concept generation and their validation

Sketch-based rapid prototyping platform for hardware-software integrated interactive products

This paper presents a platform in which interaction designers can effectively and rapidly develop tangible interactive prototypes by sketching. The study aims to build a platform that plays the role of sketching in the hardware-software integrated interactive product design process. The platform consists of three components: a sketch based interactive concept exploration software application called STCtools, a set of physical user interface(PUI) widgets with a key converter and a video projection based Augmented Reality desk (ARdesk). For prototyping, a designer creates hardware and software sketches with pen based computers using STCtools. Sketches of hardware and software are drawn in a client device and composed in an electronic whiteboard, which is the server device. PUI widgets can be physically attached on a foam mockup or on a screen of the client device. The hardware-software integrated simulations are conducted on ARdesk. The sketch simulation is captured and projected onto a paper marker created with invisible infra-red ink

Levitation Simulator: Prototyping Ultrasonic Levitation Interfaces in Virtual Reality

We present the Levitation Simulator, a system that enables researchers and designers to iteratively develop and prototype levitation interface ideas in Virtual Reality. This includes user tests and formal experiments. We derive a model of the movement of a levitating particle in such an interface. Based on this, we develop an interactive simulation of the levitation interface in VR, which exhibits the dynamical properties of the real interface. The results of a Fitts' Law pointing study show that the Levitation Simulator enables performance, comparable to the real prototype. We developed the first two interactive games, dedicated for levitation interfaces: LeviShooter and BeadBounce, in the Levitation Simulator, and then implemented them on the real interface. Our results indicate that participants experienced similar levels of user engagement when playing the games, in the two environments. We share our Levitation Simulator as Open Source, thereby democratizing levitation research, without the need for a levitation apparatus.Comment: 12 pages, 14 figures, CHI'2

Physical sketching tools and techniques for customized sensate surfaces

Sensate surfaces are a promising avenue for enhancing human interaction with digital systems due to their inherent intuitiveness and natural user interface. Recent technological advancements have enabled sensate surfaces to surpass the constraints of conventional touchscreens by integrating them into everyday objects, creating interactive interfaces that can detect various inputs such as touch, pressure, and gestures. This allows for more natural and intuitive control of digital systems. However, prototyping interactive surfaces that are customized to users' requirements using conventional techniques remains technically challenging due to limitations in accommodating complex geometric shapes and varying sizes. Furthermore, it is crucial to consider the context in which customized surfaces are utilized, as relocating them to fabrication labs may lead to the loss of their original design context. Additionally, prototyping high-resolution sensate surfaces presents challenges due to the complex signal processing requirements involved. This thesis investigates the design and fabrication of customized sensate surfaces that meet the diverse requirements of different users and contexts. The research aims to develop novel tools and techniques that overcome the technical limitations of current methods and enable the creation of sensate surfaces that enhance human interaction with digital systems.Sensorische Oberflächen sind aufgrund ihrer inhärenten Intuitivität und natürlichen Benutzeroberfläche ein vielversprechender Ansatz, um die menschliche Interaktionmit digitalen Systemen zu verbessern. Die jüngsten technologischen Fortschritte haben es ermöglicht, dass sensorische Oberflächen die Beschränkungen herkömmlicher Touchscreens überwinden, indem sie in Alltagsgegenstände integriert werden und interaktive Schnittstellen schaffen, die diverse Eingaben wie Berührung, Druck, oder Gesten erkennen können. Dies ermöglicht eine natürlichere und intuitivere Steuerung von digitalen Systemen. Das Prototyping interaktiver Oberflächen, die mit herkömmlichen Techniken an die Bedürfnisse der Nutzer angepasst werden, bleibt jedoch eine technische Herausforderung, da komplexe geometrische Formen und variierende Größen nur begrenzt berücksichtigt werden können. Darüber hinaus ist es von entscheidender Bedeutung, den Kontext, in dem diese individuell angepassten Oberflächen verwendet werden, zu berücksichtigen, da eine Verlagerung in Fabrikations-Laboratorien zum Verlust ihres ursprünglichen Designkontextes führen kann. Zudem stellt das Prototyping hochauflösender sensorischer Oberflächen aufgrund der komplexen Anforderungen an die Signalverarbeitung eine Herausforderung dar. Diese Arbeit erforscht dasDesign und die Fabrikation individuell angepasster sensorischer Oberflächen, die den diversen Anforderungen unterschiedlicher Nutzer und Kontexte gerecht werden. Die Forschung zielt darauf ab, neuartigeWerkzeuge und Techniken zu entwickeln, die die technischen Beschränkungen derzeitigerMethoden überwinden und die Erstellung von sensorischen Oberflächen ermöglichen, die die menschliche Interaktion mit digitalen Systemen verbessern

ISAR: Ein Autorensystem für Interaktive Tische

Developing augmented reality systems involves several challenges, that prevent end users and experts from non-technical domains, such as education, to experiment with this technology. In this research we introduce ISAR, an authoring system for augmented reality tabletops targeting users from non-technical domains. ISAR allows non-technical users to create their own interactive tabletop applications and experiment with the use of this technology in domains such as educations, industrial training, and medical rehabilitation.Die Entwicklung von Augmented-Reality-Systemen ist mit mehreren Herausforderungen verbunden, die Endbenutzer und Experten aus nicht-technischen Bereichen, wie z.B. dem Bildungswesen, daran hindern, mit dieser Technologie zu experimentieren. In dieser Forschung stellen wir ISAR vor, ein Autorensystem für Augmented-Reality-Tabletops, das sich an Benutzer aus nicht-technischen Bereichen richtet. ISAR ermöglicht es nicht-technischen Anwendern, ihre eigenen interaktiven Tabletop-Anwendungen zu erstellen und mit dem Einsatz dieser Technologie in Bereichen wie Bildung, industrieller Ausbildung und medizinischer Rehabilitation zu experimentieren

Grasp-sensitive surfaces

Grasping objects with our hands allows us to skillfully move and manipulate them. Hand-held tools further extend our capabilities by adapting precision, power, and shape of our hands to the task at hand. Some of these tools, such as mobile phones or computer mice, already incorporate information processing capabilities. Many other tools may be augmented with small, energy-efficient digital sensors and processors. This allows for graspable objects to learn about the user grasping them - and supporting the user's goals. For example, the way we grasp a mobile phone might indicate whether we want to take a photo or call a friend with it - and thus serve as a shortcut to that action. A power drill might sense whether the user is grasping it firmly enough and refuse to turn on if this is not the case. And a computer mouse could distinguish between intentional and unintentional movement and ignore the latter. This dissertation gives an overview of grasp sensing for human-computer interaction, focusing on technologies for building grasp-sensitive surfaces and challenges in designing grasp-sensitive user interfaces. It comprises three major contributions: a comprehensive review of existing research on human grasping and grasp sensing, a detailed description of three novel prototyping tools for grasp-sensitive surfaces, and a framework for analyzing and designing grasp interaction: For nearly a century, scientists have analyzed human grasping. My literature review gives an overview of definitions, classifications, and models of human grasping. A small number of studies have investigated grasping in everyday situations. They found a much greater diversity of grasps than described by existing taxonomies. This diversity makes it difficult to directly associate certain grasps with users' goals. In order to structure related work and own research, I formalize a generic workflow for grasp sensing. It comprises *capturing* of sensor values, *identifying* the associated grasp, and *interpreting* the meaning of the grasp. A comprehensive overview of related work shows that implementation of grasp-sensitive surfaces is still hard, researchers often are not aware of related work from other disciplines, and intuitive grasp interaction has not yet received much attention. In order to address the first issue, I developed three novel sensor technologies designed for grasp-sensitive surfaces. These mitigate one or more limitations of traditional sensing techniques: **HandSense** uses four strategically positioned capacitive sensors for detecting and classifying grasp patterns on mobile phones. The use of custom-built high-resolution sensors allows detecting proximity and avoids the need to cover the whole device surface with sensors. User tests showed a recognition rate of 81%, comparable to that of a system with 72 binary sensors. **FlyEye** uses optical fiber bundles connected to a camera for detecting touch and proximity on arbitrarily shaped surfaces. It allows rapid prototyping of touch- and grasp-sensitive objects and requires only very limited electronics knowledge. For FlyEye I developed a *relative calibration* algorithm that allows determining the locations of groups of sensors whose arrangement is not known. **TDRtouch** extends Time Domain Reflectometry (TDR), a technique traditionally used for inspecting cable faults, for touch and grasp sensing. TDRtouch is able to locate touches along a wire, allowing designers to rapidly prototype and implement modular, extremely thin, and flexible grasp-sensitive surfaces. I summarize how these technologies cater to different requirements and significantly expand the design space for grasp-sensitive objects. Furthermore, I discuss challenges for making sense of raw grasp information and categorize interactions. Traditional application scenarios for grasp sensing use only the grasp sensor's data, and only for mode-switching. I argue that data from grasp sensors is part of the general usage context and should be only used in combination with other context information. For analyzing and discussing the possible meanings of grasp types, I created the GRASP model. It describes five categories of influencing factors that determine how we grasp an object: *Goal* -- what we want to do with the object, *Relationship* -- what we know and feel about the object we want to grasp, *Anatomy* -- hand shape and learned movement patterns, *Setting* -- surrounding and environmental conditions, and *Properties* -- texture, shape, weight, and other intrinsics of the object I conclude the dissertation with a discussion of upcoming challenges in grasp sensing and grasp interaction, and provide suggestions for implementing robust and usable grasp interaction.Die Fähigkeit, Gegenstände mit unseren Händen zu greifen, erlaubt uns, diese vielfältig zu manipulieren. Werkzeuge erweitern unsere Fähigkeiten noch, indem sie Genauigkeit, Kraft und Form unserer Hände an die Aufgabe anpassen. Digitale Werkzeuge, beispielsweise Mobiltelefone oder Computermäuse, erlauben uns auch, die Fähigkeiten unseres Gehirns und unserer Sinnesorgane zu erweitern. Diese Geräte verfügen bereits über Sensoren und Recheneinheiten. Aber auch viele andere Werkzeuge und Objekte lassen sich mit winzigen, effizienten Sensoren und Recheneinheiten erweitern. Dies erlaubt greifbaren Objekten, mehr über den Benutzer zu erfahren, der sie greift - und ermöglicht es, ihn bei der Erreichung seines Ziels zu unterstützen. Zum Beispiel könnte die Art und Weise, in der wir ein Mobiltelefon halten, verraten, ob wir ein Foto aufnehmen oder einen Freund anrufen wollen - und damit als Shortcut für diese Aktionen dienen. Eine Bohrmaschine könnte erkennen, ob der Benutzer sie auch wirklich sicher hält und den Dienst verweigern, falls dem nicht so ist. Und eine Computermaus könnte zwischen absichtlichen und unabsichtlichen Mausbewegungen unterscheiden und letztere ignorieren. Diese Dissertation gibt einen Überblick über Grifferkennung (*grasp sensing*) für die Mensch-Maschine-Interaktion, mit einem Fokus auf Technologien zur Implementierung griffempfindlicher Oberflächen und auf Herausforderungen beim Design griffempfindlicher Benutzerschnittstellen. Sie umfasst drei primäre Beiträge zum wissenschaftlichen Forschungsstand: einen umfassenden Überblick über die bisherige Forschung zu menschlichem Greifen und Grifferkennung, eine detaillierte Beschreibung dreier neuer Prototyping-Werkzeuge für griffempfindliche Oberflächen und ein Framework für Analyse und Design von griff-basierter Interaktion (*grasp interaction*). Seit nahezu einem Jahrhundert erforschen Wissenschaftler menschliches Greifen. Mein Überblick über den Forschungsstand beschreibt Definitionen, Klassifikationen und Modelle menschlichen Greifens. In einigen wenigen Studien wurde bisher Greifen in alltäglichen Situationen untersucht. Diese fanden eine deutlich größere Diversität in den Griffmuster als in existierenden Taxonomien beschreibbar. Diese Diversität erschwert es, bestimmten Griffmustern eine Absicht des Benutzers zuzuordnen. Um verwandte Arbeiten und eigene Forschungsergebnisse zu strukturieren, formalisiere ich einen allgemeinen Ablauf der Grifferkennung. Dieser besteht aus dem *Erfassen* von Sensorwerten, der *Identifizierung* der damit verknüpften Griffe und der *Interpretation* der Bedeutung des Griffes. In einem umfassenden Überblick über verwandte Arbeiten zeige ich, dass die Implementierung von griffempfindlichen Oberflächen immer noch ein herausforderndes Problem ist, dass Forscher regelmäßig keine Ahnung von verwandten Arbeiten in benachbarten Forschungsfeldern haben, und dass intuitive Griffinteraktion bislang wenig Aufmerksamkeit erhalten hat. Um das erstgenannte Problem zu lösen, habe ich drei neuartige Sensortechniken für griffempfindliche Oberflächen entwickelt. Diese mindern jeweils eine oder mehrere Schwächen traditioneller Sensortechniken: **HandSense** verwendet vier strategisch positionierte kapazitive Sensoren um Griffmuster zu erkennen. Durch die Verwendung von selbst entwickelten, hochauflösenden Sensoren ist es möglich, schon die Annäherung an das Objekt zu erkennen. Außerdem muss nicht die komplette Oberfläche des Objekts mit Sensoren bedeckt werden. Benutzertests ergaben eine Erkennungsrate, die vergleichbar mit einem System mit 72 binären Sensoren ist. **FlyEye** verwendet Lichtwellenleiterbündel, die an eine Kamera angeschlossen werden, um Annäherung und Berührung auf beliebig geformten Oberflächen zu erkennen. Es ermöglicht auch Designern mit begrenzter Elektronikerfahrung das Rapid Prototyping von berührungs- und griffempfindlichen Objekten. Für FlyEye entwickelte ich einen *relative-calibration*-Algorithmus, der verwendet werden kann um Gruppen von Sensoren, deren Anordnung unbekannt ist, semi-automatisch anzuordnen. **TDRtouch** erweitert Time Domain Reflectometry (TDR), eine Technik die üblicherweise zur Analyse von Kabelbeschädigungen eingesetzt wird. TDRtouch erlaubt es, Berührungen entlang eines Drahtes zu lokalisieren. Dies ermöglicht es, schnell modulare, extrem dünne und flexible griffempfindliche Oberflächen zu entwickeln. Ich beschreibe, wie diese Techniken verschiedene Anforderungen erfüllen und den *design space* für griffempfindliche Objekte deutlich erweitern. Desweiteren bespreche ich die Herausforderungen beim Verstehen von Griffinformationen und stelle eine Einteilung von Interaktionsmöglichkeiten vor. Bisherige Anwendungsbeispiele für die Grifferkennung nutzen nur Daten der Griffsensoren und beschränken sich auf Moduswechsel. Ich argumentiere, dass diese Sensordaten Teil des allgemeinen Benutzungskontexts sind und nur in Kombination mit anderer Kontextinformation verwendet werden sollten. Um die möglichen Bedeutungen von Griffarten analysieren und diskutieren zu können, entwickelte ich das GRASP-Modell. Dieses beschreibt fünf Kategorien von Einflussfaktoren, die bestimmen wie wir ein Objekt greifen: *Goal* -- das Ziel, das wir mit dem Griff erreichen wollen, *Relationship* -- das Verhältnis zum Objekt, *Anatomy* -- Handform und Bewegungsmuster, *Setting* -- Umgebungsfaktoren und *Properties* -- Eigenschaften des Objekts, wie Oberflächenbeschaffenheit, Form oder Gewicht. Ich schließe mit einer Besprechung neuer Herausforderungen bei der Grifferkennung und Griffinteraktion und mache Vorschläge zur Entwicklung von zuverlässiger und benutzbarer Griffinteraktion

Digital fabrication of custom interactive objects with rich materials

As ubiquitous computing is becoming reality, people interact with an increasing number of computer interfaces embedded in physical objects. Today, interaction with those objects largely relies on integrated touchscreens. In contrast, humans are capable of rich interaction with physical objects and their materials through sensory feedback and dexterous manipulation skills. However, developing physical user interfaces that offer versatile interaction and leverage these capabilities is challenging. It requires novel technologies for prototyping interfaces with custom interactivity that support rich materials of everyday objects. Moreover, such technologies need to be accessible to empower a wide audience of researchers, makers, and users. This thesis investigates digital fabrication as a key technology to address these challenges. It contributes four novel design and fabrication approaches for interactive objects with rich materials. The contributions enable easy, accessible, and versatile design and fabrication of interactive objects with custom stretchability, input and output on complex geometries and diverse materials, tactile output on 3D-object geometries, and capabilities of changing their shape and material properties. Together, the contributions of this thesis advance the fields of digital fabrication, rapid prototyping, and ubiquitous computing towards the bigger goal of exploring interactive objects with rich materials as a new generation of physical interfaces.Computer werden zunehmend in Geräten integriert, mit welchen Menschen im Alltag interagieren. Heutzutage basiert diese Interaktion weitgehend auf Touchscreens. Im Kontrast dazu steht die reichhaltige Interaktion mit physischen Objekten und Materialien durch sensorisches Feedback und geschickte Manipulation. Interfaces zu entwerfen, die diese Fähigkeiten nutzen, ist allerdings problematisch. Hierfür sind Technologien zum Prototyping neuer Interfaces mit benutzerdefinierter Interaktivität und Kompatibilität mit vielfältigen Materialien erforderlich. Zudem sollten solche Technologien zugänglich sein, um ein breites Publikum zu erreichen. Diese Dissertation erforscht die digitale Fabrikation als Schlüsseltechnologie, um diese Probleme zu adressieren. Sie trägt vier neue Design- und Fabrikationsansätze für das Prototyping interaktiver Objekte mit reichhaltigen Materialien bei. Diese ermöglichen einfaches, zugängliches und vielseitiges Design und Fabrikation von interaktiven Objekten mit individueller Dehnbarkeit, Ein- und Ausgabe auf komplexen Geometrien und vielfältigen Materialien, taktiler Ausgabe auf 3D-Objektgeometrien und der Fähigkeit ihre Form und Materialeigenschaften zu ändern. Insgesamt trägt diese Dissertation zum Fortschritt der Bereiche der digitalen Fabrikation, des Rapid Prototyping und des Ubiquitous Computing in Richtung des größeren Ziels, der Exploration interaktiver Objekte mit reichhaltigen Materialien als eine neue Generation von physischen Interfaces, bei

Sketchy rendering for information visualization

We present and evaluate a framework for constructing sketchy style information visualizations that mimic data graphics drawn by hand. We provide an alternative renderer for the Processing graphics environment that redefines core drawing primitives including line, polygon and ellipse rendering. These primitives allow higher-level graphical features such as bar charts, line charts, treemaps and node-link diagrams to be drawn in a sketchy style with a specified degree of sketchiness. The framework is designed to be easily integrated into existing visualization implementations with minimal programming modification or design effort. We show examples of use for statistical graphics, conveying spatial imprecision and for enhancing aesthetic and narrative qualities of visual- ization. We evaluate user perception of sketchiness of areal features through a series of stimulus-response tests in order to assess users’ ability to place sketchiness on a ratio scale, and to estimate area. Results suggest relative area judgment is compromised by sketchy rendering and that its influence is dependent on the shape being rendered. They show that degree of sketchiness may be judged on an ordinal scale but that its judgement varies strongly between individuals. We evaluate higher-level impacts of sketchiness through user testing of scenarios that encourage user engagement with data visualization and willingness to critique visualization de- sign. Results suggest that where a visualization is clearly sketchy, engagement may be increased and that attitudes to participating in visualization annotation are more positive. The results of our work have implications for effective information visualization design that go beyond the traditional role of sketching as a tool for prototyping or its use for an indication of general uncertainty