Multimodal interaction with mobile devices : fusing a broad spectrum of modality combinations

This dissertation presents a multimodal architecture for use in mobile scenarios such as shopping and navigation. It also analyses a wide range of feasible modality input combinations for these contexts. For this purpose, two interlinked demonstrators were designed for stand-alone use on mobile devices. Of particular importance was the design and implementation of a modality fusion module capable of combining input from a range of communication modes like speech, handwriting, and gesture. The implementation is able to account for confidence value biases arising within and between modalities and also provides a method for resolving semantically overlapped input. Tangible interaction with real-world objects and symmetric multimodality are two further themes addressed in this work. The work concludes with the results from two usability field studies that provide insight on user preference and modality intuition for different modality combinations, as well as user acceptance for anthropomorphized objects.Diese Dissertation präsentiert eine multimodale Architektur zum Gebrauch in mobilen Umständen wie z. B. Einkaufen und Navigation. Außerdem wird ein großes Gebiet von möglichen modalen Eingabekombinationen zu diesen Umständen analysiert. Um das in praktischer Weise zu demonstrieren, wurden zwei teilweise gekoppelte Vorführungsprogramme zum \u27stand-alone\u27; Gebrauch auf mobilen Geräten entworfen. Von spezieller Wichtigkeit war der Entwurf und die Ausführung eines Modalitäts-fusion Modul, das die Kombination einer Reihe von Kommunikationsarten wie Sprache, Handschrift und Gesten ermöglicht. Die Ausführung erlaubt die Veränderung von Zuverlässigkeitswerten innerhalb einzelner Modalitäten und außerdem ermöglicht eine Methode um die semantisch überlappten Eingaben auszuwerten. Wirklichkeitsnaher Dialog mit aktuellen Objekten und symmetrische Multimodalität sind zwei weitere Themen die in dieser Arbeit behandelt werden. Die Arbeit schließt mit Resultaten von zwei Feldstudien, die weitere Einsicht erlauben über die bevorzugte Art verschiedener Modalitätskombinationen, sowie auch über die Akzeptanz von anthropomorphisierten Objekten

Multimodal interaction with mobile devices : fusing a broad spectrum of modality combinations

This dissertation presents a multimodal architecture for use in mobile scenarios such as shopping and navigation. It also analyses a wide range of feasible modality input combinations for these contexts. For this purpose, two interlinked demonstrators were designed for stand-alone use on mobile devices. Of particular importance was the design and implementation of a modality fusion module capable of combining input from a range of communication modes like speech, handwriting, and gesture. The implementation is able to account for confidence value biases arising within and between modalities and also provides a method for resolving semantically overlapped input. Tangible interaction with real-world objects and symmetric multimodality are two further themes addressed in this work. The work concludes with the results from two usability field studies that provide insight on user preference and modality intuition for different modality combinations, as well as user acceptance for anthropomorphized objects.Diese Dissertation präsentiert eine multimodale Architektur zum Gebrauch in mobilen Umständen wie z. B. Einkaufen und Navigation. Außerdem wird ein großes Gebiet von möglichen modalen Eingabekombinationen zu diesen Umständen analysiert. Um das in praktischer Weise zu demonstrieren, wurden zwei teilweise gekoppelte Vorführungsprogramme zum 'stand-alone'; Gebrauch auf mobilen Geräten entworfen. Von spezieller Wichtigkeit war der Entwurf und die Ausführung eines Modalitäts-fusion Modul, das die Kombination einer Reihe von Kommunikationsarten wie Sprache, Handschrift und Gesten ermöglicht. Die Ausführung erlaubt die Veränderung von Zuverlässigkeitswerten innerhalb einzelner Modalitäten und außerdem ermöglicht eine Methode um die semantisch überlappten Eingaben auszuwerten. Wirklichkeitsnaher Dialog mit aktuellen Objekten und symmetrische Multimodalität sind zwei weitere Themen die in dieser Arbeit behandelt werden. Die Arbeit schließt mit Resultaten von zwei Feldstudien, die weitere Einsicht erlauben über die bevorzugte Art verschiedener Modalitätskombinationen, sowie auch über die Akzeptanz von anthropomorphisierten Objekten

A speaker classification framework for non-intrusive user modeling : speech-based personalization of in-car services

Speaker Classification, i.e. the automatic detection of certain characteristics of a person based on his or her voice, has a variety of applications in modern computer technology and artificial intelligence: As a non-intrusive source for user modeling, it can be employed for personalization of human-machine interfaces in numerous domains. This dissertation presents a principled approach to the design of a novel Speaker Classification system for automatic age and gender recognition which meets these demands. Based on literature studies, methods and concepts dealing with the underlying pattern recognition task are developed. The final system consists of an incremental GMM-SVM supervector architecture with several optimizations. An extensive data-driven experiment series explores the parameter space and serves as evaluation of the component. Further experiments investigate the language-independence of the approach. As an essential part of this thesis, a framework is developed that implements all tasks associated with the design and evaluation of Speaker Classification in an integrated development environment that is able to generate efficient runtime modules for multiple platforms. Applications from the automotive field and other domains demonstrate the practical benefit of the technology for personalization, e.g. by increasing local danger warning lead time for elderly drivers.Die Sprecherklassifikation, also die automatische Erkennung bestimmter Merkmale einer Person anhand ihrer Stimme, besitzt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in der modernen Computertechnik und Künstlichen Intelligenz: Als nicht-intrusive Wissensquelle für die Benutzermodellierung kann sie zur Personalisierung in vielen Bereichen eingesetzt werden. In dieser Dissertation wird ein fundierter Ansatz zum Entwurf eines neuartigen Sprecherklassifikationssystems zur automatischen Bestimmung von Alter und Geschlecht vorgestellt, welches diese Anforderungen erfüllt. Ausgehend von Literaturstudien werden Konzepte und Methoden zur Behandlung des zugrunde liegenden Mustererkennungsproblems entwickelt, welche zu einer inkrementell arbeitenden GMM-SVM-Supervector-Architektur mit diversen Optimierungen führen. Eine umfassende datengetriebene Experimentalreihe dient der Erforschung des Parameterraumes und zur Evaluierung der Komponente. Weitere Studien untersuchen die Sprachunabhängigkeit des Ansatzes. Als wesentlicher Bestandteil der Arbeit wird ein Framework entwickelt, das alle im Zusammenhang mit Entwurf und Evaluierung von Sprecherklassifikation anfallenden Aufgaben in einer integrierten Entwicklungsumgebung implementiert, welche effiziente Laufzeitmodule für verschiedene Plattformen erzeugen kann. Anwendungen aus dem Automobilbereich und weiteren Domänen demonstrieren den praktischen Nutzen der Technologie zur Personalisierung, z.B. indem die Vorlaufzeit von lokalen Gefahrenwarnungen für ältere Fahrer erhöht wird

Tangible interaction with anthropomorphic smart objects in instrumented environments

A major technological trend is to augment everyday objects with sensing, computing and actuation power in order to provide new services beyond the objects' traditional purpose, indicating that such smart objects might become an integral part of our daily lives. To be able to interact with smart object systems, users will obviously need appropriate interfaces that regard their distinctive characteristics. Concepts of tangible and anthropomorphic user interfaces are combined in this dissertation to create a novel paradigm for smart object interaction. This work provides an exploration of the design space, introduces design guidelines, and provides a prototyping framework to support the realisation of the proposed interface paradigm. Furthermore, novel methods for expressing personality and emotion by auditory means are introduced and elaborated, constituting essential building blocks for anthropomorphised smart objects. Two experimental user studies are presented, confirming the endeavours to reflect personality attributes through prosody-modelled synthetic speech and to express emotional states through synthesised affect bursts. The dissertation concludes with three example applications, demonstrating the potentials of the concepts and methodologies elaborated in this thesis.Die Integration von Informationstechnologie in Gebrauchsgegenstände ist ein gegenwärtiger technologischer Trend, welcher es Alltagsgegenständen ermöglicht, durch den Einsatz von Sensorik, Aktorik und drahtloser Kommunikation neue Dienste anzubieten, die über den ursprünglichen Zweck des Objekts hinausgehen. Die Nutzung dieser sogenannten Smart Objects erfordert neuartige Benutzerschnittstellen, welche die speziellen Eigenschaften und Anwendungsbereiche solcher Systeme berücksichtigen. Konzepte aus den Bereichen Tangible Interaction und Anthropomorphe Benutzerschnittstellen werden in dieser Dissertation vereint, um ein neues Interaktionsparadigma für Smart Objects zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit untersucht dafür die Gestaltungsmöglichkeiten und zeigt relevante Aspekte aus verwandten Disziplinen auf. Darauf aufbauend werden Richtlinien eingeführt, welche den Entwurf von Benutzerschnittstellen nach dem hier vorgestellten Ansatz begleiten und unterstützen sollen. Für eine prototypische Implementierung solcher Benutzerschnittstellen wird eine Architektur vorgestellt, welche die Anforderungen von Smart Object Systemen in instrumentierten Umgebungen berücksichtigt. Ein wichtiger Bestandteil stellt dabei die Sensorverarbeitung dar, welche unter anderem eine Interaktionserkennung am Objekt und damit auch eine physikalische Eingabe ermöglicht. Des Weiteren werden neuartige Methoden für den auditiven Ausdruck von Emotion und Persönlichkeit entwickelt, welche essentielle Bausteine für anthropomorphisierte Smart Objects darstellen und in Benutzerstudien untersucht wurden. Die Dissertation schliesst mit der Beschreibung von drei Applikationen, welche im Rahmen der Arbeit entwickelt wurden und das Potential der hier erarbeiteten Konzepte und Methoden widerspiegeln

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

Context-based multimodal interpretation : an integrated approach to multimodal fusion and discourse processing

This thesis is concerned with the context-based interpretation of verbal and nonverbal contributions to interactions in multimodal multiparty dialogue systems. On the basis of a detailed analysis of context-dependent multimodal discourse phenomena, a comprehensive context model is developed. This context model supports the resolution of a variety of referring and elliptical expressions as well as the processing and reactive generation of turn-taking signals and the identification of the intended addressee(s) of a contribution. A major goal of this thesis is the development of a generic component for multimodal fusion and discourse processing. Based on the integration of this component into three distinct multimodal dialogue systems, the generic applicability of the approach is shown.Diese Dissertation befasst sich mit der kontextbasierten Interpretation von verbalen und nonverbalen Gesprächsbeiträgen im Rahmen von multimodalen Dialogsystemen. Im Rahmen dieser Arbeit wird, basierend auf einer detaillierten Analyse multimodaler Diskursphänomene, ein umfassendes Modell des Gesprächskontextes erarbeitet. Dieses Modell soll sowohl die Verarbeitung einer Vielzahl von referentiellen und elliptischen Ausdrücken, als auch die Erzeugung reaktiver Aktionen wie sie für den Sprecherwechsel benötigt werden unterstützen. Ein zentrales Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer generischen Komponente zur multimodalen Fusion und Diskursverarbeitung. Anhand der Integration dieser Komponente in drei unterschiedliche Dialogsysteme soll der generische Charakter dieser Komponente gezeigt werden

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