Touch- and Walkable Virtual Reality to Support Blind and Visually Impaired Peoples‘ Building Exploration in the Context of Orientation and Mobility

Der Zugang zu digitalen Inhalten und Informationen wird immer wichtiger für eine erfolgreiche Teilnahme an der heutigen, zunehmend digitalisierten Zivilgesellschaft. Solche Informationen werden meist visuell präsentiert, was den Zugang für blinde und sehbehinderte Menschen einschränkt. Die grundlegendste Barriere ist oft die elementare Orientierung und Mobilität (und folglich die soziale Mobilität), einschließlich der Erlangung von Kenntnissen über unbekannte Gebäude vor deren Besuch. Um solche Barrieren zu überbrücken, sollten technische Hilfsmittel entwickelt und eingesetzt werden. Es ist ein Kompromiss zwischen technologisch niedrigschwellig zugänglichen und verbreitbaren Hilfsmitteln und interaktiv-adaptiven, aber komplexen Systemen erforderlich. Die Anpassung der Technologie der virtuellen Realität (VR) umfasst ein breites Spektrum an Entwicklungs- und Entscheidungsoptionen. Die Hauptvorteile der VR-Technologie sind die erhöhte Interaktivität, die Aktualisierbarkeit und die Möglichkeit, virtuelle Räume und Modelle als Abbilder von realen Räumen zu erkunden, ohne dass reale Gefahren und die begrenzte Verfügbarkeit von sehenden Helfern auftreten. Virtuelle Objekte und Umgebungen haben jedoch keine physische Beschaffenheit. Ziel dieser Arbeit ist es daher zu erforschen, welche VR-Interaktionsformen sinnvoll sind (d.h. ein angemessenes Verbreitungspotenzial bieten), um virtuelle Repräsentationen realer Gebäude im Kontext von Orientierung und Mobilität berührbar oder begehbar zu machen. Obwohl es bereits inhaltlich und technisch disjunkte Entwicklungen und Evaluationen zur VR-Technologie gibt, fehlt es an empirischer Evidenz. Zusätzlich bietet diese Arbeit einen Überblick über die verschiedenen Interaktionen. Nach einer Betrachtung der menschlichen Physiologie, Hilfsmittel (z.B. taktile Karten) und technologischen Eigenschaften wird der aktuelle Stand der Technik von VR vorgestellt und die Anwendung für blinde und sehbehinderte Nutzer und der Weg dorthin durch die Einführung einer neuartigen Taxonomie diskutiert. Neben der Interaktion selbst werden Merkmale des Nutzers und des Geräts, der Anwendungskontext oder die nutzerzentrierte Entwicklung bzw. Evaluation als Klassifikatoren herangezogen. Begründet und motiviert werden die folgenden Kapitel durch explorative Ansätze, d.h. im Bereich 'small scale' (mit sogenannten Datenhandschuhen) und im Bereich 'large scale' (mit einer avatargesteuerten VR-Fortbewegung). Die folgenden Kapitel führen empirische Studien mit blinden und sehbehinderten Nutzern durch und geben einen formativen Einblick, wie virtuelle Objekte in Reichweite der Hände mit haptischem Feedback erfasst werden können und wie verschiedene Arten der VR-Fortbewegung zur Erkundung virtueller Umgebungen eingesetzt werden können. Daraus werden geräteunabhängige technologische Möglichkeiten und auch Herausforderungen für weitere Verbesserungen abgeleitet. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse kann sich die weitere Forschung auf Aspekte wie die spezifische Gestaltung interaktiver Elemente, zeitlich und räumlich kollaborative Anwendungsszenarien und die Evaluation eines gesamten Anwendungsworkflows (d.h. Scannen der realen Umgebung und virtuelle Erkundung zu Trainingszwecken sowie die Gestaltung der gesamten Anwendung in einer langfristig barrierefreien Weise) konzentrieren.Access to digital content and information is becoming increasingly important for successful participation in today's increasingly digitized civil society. Such information is mostly presented visually, which restricts access for blind and visually impaired people. The most fundamental barrier is often basic orientation and mobility (and consequently, social mobility), including gaining knowledge about unknown buildings before visiting them. To bridge such barriers, technological aids should be developed and deployed. A trade-off is needed between technologically low-threshold accessible and disseminable aids and interactive-adaptive but complex systems. The adaptation of virtual reality (VR) technology spans a wide range of development and decision options. The main benefits of VR technology are increased interactivity, updatability, and the possibility to explore virtual spaces as proxies of real ones without real-world hazards and the limited availability of sighted assistants. However, virtual objects and environments have no physicality. Therefore, this thesis aims to research which VR interaction forms are reasonable (i.e., offering a reasonable dissemination potential) to make virtual representations of real buildings touchable or walkable in the context of orientation and mobility. Although there are already content and technology disjunctive developments and evaluations on VR technology, there is a lack of empirical evidence. Additionally, this thesis provides a survey between different interactions. Having considered the human physiology, assistive media (e.g., tactile maps), and technological characteristics, the current state of the art of VR is introduced, and the application for blind and visually impaired users and the way to get there is discussed by introducing a novel taxonomy. In addition to the interaction itself, characteristics of the user and the device, the application context, or the user-centered development respectively evaluation are used as classifiers. Thus, the following chapters are justified and motivated by explorative approaches, i.e., in the group of 'small scale' (using so-called data gloves) and in the scale of 'large scale' (using an avatar-controlled VR locomotion) approaches. The following chapters conduct empirical studies with blind and visually impaired users and give formative insight into how virtual objects within hands' reach can be grasped using haptic feedback and how different kinds of VR locomotion implementation can be applied to explore virtual environments. Thus, device-independent technological possibilities and also challenges for further improvements are derived. On the basis of this knowledge, subsequent research can be focused on aspects such as the specific design of interactive elements, temporally and spatially collaborative application scenarios, and the evaluation of an entire application workflow (i.e., scanning the real environment and exploring it virtually for training purposes, as well as designing the entire application in a long-term accessible manner)

The State of the Art of Spatial Interfaces for 3D Visualization

International audienceWe survey the state of the art of spatial interfaces for 3D visualization. Interaction techniques are crucial to data visualization processes and the visualization research community has been calling for more research on interaction for years. Yet, research papers focusing on interaction techniques, in particular for 3D visualization purposes, are not always published in visualization venues, sometimes making it challenging to synthesize the latest interaction and visualization results. We therefore introduce a taxonomy of interaction technique for 3D visualization. The taxonomy is organized along two axes: the primary source of input on the one hand and the visualization task they support on the other hand. Surveying the state of the art allows us to highlight specific challenges and missed opportunities for research in 3D visualization. In particular, we call for additional research in: (1) controlling 3D visualization widgets to help scientists better understand their data, (2) 3D interaction techniques for dissemination, which are under-explored yet show great promise for helping museum and science centers in their mission to share recent knowledge, and (3) developing new measures that move beyond traditional time and errors metrics for evaluating visualizations that include spatial interaction

Arguably augmented reality : relationships between the virtual and the real

This thesis is about augmented reality (AR). AR is commonly considered a technology that integrates virtual images into a user’s view of the real world. Yet, this thesis is not about such technologies. We believe a technology-based notion of AR is incomplete. In this thesis, we challenge the technology-oriented view, provide new perspectives on AR and propose a different understanding. We argue that AR is characterized by the relationships between the virtual and the real and approach AR from a fundamental, experience-focused view. By doing so, we create an unusually broad and diverse image of what AR is, or arguably could be. We discuss the fundamental characteristics of AR and the many possible manifestations it can take and propose new, imaginative AR environments that have no counterpart in a purely physical world. Computer Systems, Imagery and Medi

Patient-specific simulation for autonomous surgery

An Autonomous Robotic Surgical System (ARSS) has to interact with the complex anatomical environment, which is deforming and whose properties are often uncertain. Within this context, an ARSS can benefit from the availability of patient-specific simulation of the anatomy. For example, simulation can provide a safe and controlled environment for the design, test and validation of the autonomous capabilities. Moreover, it can be used to generate large amounts of patient-specific data that can be exploited to learn models and/or tasks. The aim of this Thesis is to investigate the different ways in which simulation can support an ARSS and to propose solutions to favor its employability in robotic surgery. We first address all the phases needed to create such a simulation, from model choice in the pre-operative phase based on the available knowledge to its intra-operative update to compensate for inaccurate parametrization. We propose to rely on deep neural networks trained with synthetic data both to generate a patient-specific model and to design a strategy to update model parametrization starting directly from intra-operative sensor data. Afterwards, we test how simulation can assist the ARSS, both for task learning and during task execution. We show that simulation can be used to efficiently train approaches that require multiple interactions with the environment, compensating for the riskiness to acquire data from real surgical robotic systems. Finally, we propose a modular framework for autonomous surgery that includes deliberative functions to handle real anatomical environments with uncertain parameters. The integration of a personalized simulation proves fundamental both for optimal task planning and to enhance and monitor real execution. The contributions presented in this Thesis have the potential to introduce significant step changes in the development and actual performance of autonomous robotic surgical systems, making them closer to applicability to real clinical conditions

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

Human factors in instructional augmented reality for intravehicular spaceflight activities and How gravity influences the setup of interfaces operated by direct object selection

In human spaceflight, advanced user interfaces are becoming an interesting mean to facilitate human-machine interaction, enhancing and guaranteeing the sequences of intravehicular space operations. The efforts made to ease such operations have shown strong interests in novel human-computer interaction like Augmented Reality (AR). The work presented in this thesis is directed towards a user-driven design for AR-assisted space operations, iteratively solving issues arisen from the problem space, which also includes the consideration of the effect of altered gravity on handling such interfaces.Auch in der bemannten Raumfahrt steigt das Interesse an neuartigen Benutzerschnittstellen, um nicht nur die Mensch-Maschine-Interaktion effektiver zu gestalten, sondern auch um einen korrekten Arbeitsablauf sicherzustellen. In der Vergangenheit wurden wiederholt Anstrengungen unternommen, Innenbordarbeiten mit Hilfe von Augmented Reality (AR) zu erleichtern. Diese Arbeit konzentriert sich auf einen nutzerorientierten AR-Ansatz, welcher zum Ziel hat, die Probleme schrittweise in einem iterativen Designprozess zu lösen. Dies erfordert auch die Berücksichtigung veränderter Schwerkraftbedingungen