Tangible AR interaction based on fingertip touch using small-sized nonsquare markers

AbstractAlthough big-sized markers are good for accurate marker recognition and tracking, they are easily occluded by other objects and deteriorate natural visualization and level of immersion during user interaction in AR environments. In this paper, we propose an approach to exploiting the use of rectangular markers to support tangible AR interaction based on fingertip touch using small-sized markers. It basically adjusts the length, width, and interior area of rectangular markers to make them more suitably fit to longish objects like fingers. It also utilizes convex polygons to resolve the partial occlusion of a marker and properly enlarges the pattern area of a marker while adjusting its size without deteriorating the quality of marker detection. We obtained encouraging results from users that the approach can provide better natural visualization and higher level of immersion, and be accurate and tangible enough to support a pseudo feeling of touching virtual products with human hands or fingertips during design evaluation of digital handheld products

Paper Gaming: Creating IoT Paper Interactions with Conductive Inks and Web-connectivity through EKKO

Paper is ubiquitous. It forms a substantial part of our everyday activities and interactions; ranging from our take-away coffee cups -- to wallpaper -- to rail tickets -- to board and card games. Imagine if you could connect paper to the Internet, interact and update it with additional data but without recourse to reprinting or using e-ink alternatives. This paper explores work examining conductive inks and web-connectivity of printed objects, which form part of an emergent sub-field within the Internet of Things (IoT) and paper. Our research is starting to explore a range of media uses, such as interactive newspapers, books, beer mats and now gaming environments through prototype IoT device named EKKO; a clip that allows conductive ink frameworks to detect human touch interaction revealing rich media content through a mobile application as the 'second screen'

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

Co-refining interactive systems with older adults from function, form and interaction

Designing interactive systems that are pragmatic, attractive and easy to use for older adults is challenging. Participatory design, as an approach to enhance the mutual understanding between designers and end users, has been proved to be useful to improve the quality of design for older people. However, PD research has long been criticized for extensively dealing with the early-phase design while putting less emphasis on the later stages. In this paper, we argue for the importance of collaborative refinement when designing interactive systems for older adults. Through a case study, we describe our experience of co-refining the preliminary design of an interactive system with older participants from three perspectives: function, form and interaction. We also explored to adopt some potential PD methods and conclude by discussing the effectiveness of the chosen approach and methods

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

Spherical tangible user interfaces in mixed reality

The popularity of virtual reality (VR) and augmented reality (AR) has grown rapidly in recent years, both in academia and commercial applications. This is rooted in technological advances and affordable head-mounted displays (HMDs). Whether in games or professional applications, HMDs allow for immersive audio-visual experiences that transport users to compelling digital worlds or convincingly augment the real world. However, as true to life as these experiences have become in a visual and auditory sense, the question remains how we can model interaction with these virtual environments in an equally natural way. Solutions providing intuitive tangible interaction would bear the potential to fundamentally make the mixed reality (MR) spectrum more accessible, especially for novice users. Research on tangible user interfaces (TUIs) has pursued this goal by coupling virtual to real-world objects. Tangible interaction has been shown to provide significant advantages for numerous use cases. Spherical tangible user interfaces (STUIs) present a special case of these devices, mainly due to their ability to fully embody any spherical virtual content. In general, spherical devices increasingly transition from mere technology demonstrators to usable multi-modal interfaces. For this dissertation, we explore the application of STUIs in MR environments primarily by comparing them to state-of-the-art input techniques in four different contexts. Thus, investigating the questions of embodiment, overall user performance, and the ability of STUIs relying on their shape alone to support complex interaction techniques. First, we examine how spherical devices can embody immersive visualizations. In an initial study, we test the practicality of a tracked sphere embodying three kinds of visualizations. We examine simulated multi-touch interaction on a spherical surface and compare two different sphere sizes to VR controllers. Results confirmed our prototype's viability and indicate improved pattern recognition and advantages for the smaller sphere. Second, to further substantiate VR as a prototyping technology, we demonstrate how a large tangible spherical display can be simulated in VR. We show how VR can fundamentally extend the capabilities of real spherical displays by adding physical rotation to a simulated multi-touch surface. After a first study evaluating the general viability of simulating such a display in VR, our second study revealed the superiority of a rotating spherical display. Third, we present a concept for a spherical input device for tangible AR (TAR). We show how such a device can provide basic object manipulation capabilities utilizing two different modes and compare it to controller techniques with increasing hardware complexity. Our results show that our button-less sphere-based technique is only outperformed by a mode-less controller variant that uses physical buttons and a touchpad. Fourth, to study the intrinsic problem of VR locomotion, we explore two opposing approaches: a continuous and a discrete technique. For the first, we demonstrate a spherical locomotion device supporting two different locomotion paradigms that propel a user's first-person avatar accordingly. We found that a position control paradigm applied to a sphere performed mostly superior in comparison to button-supported controller interaction. For discrete locomotion, we evaluate the concept of a spherical world in miniature (SWIM) used for avatar teleportation in a large virtual environment. Results showed that users subjectively preferred the sphere-based technique over regular controllers and on average, achieved lower task times and higher accuracy. To conclude the thesis, we discuss our findings, insights, and subsequent contribution to our central research questions to derive recommendations for designing techniques based on spherical input devices and an outlook on the future development of spherical devices in the mixed reality spectrum.Die Popularität von Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) hat in den letzten Jahren rasant zugenommen, sowohl im akademischen Bereich als auch bei kommerziellen Anwendungen. Dies ist in erster Linie auf technologische Fortschritte und erschwingliche Head-Mounted Displays (HMDs) zurückzuführen. Ob in Spielen oder professionellen Anwendungen, HMDs ermöglichen immersive audiovisuelle Erfahrungen, die uns in fesselnde digitale Welten versetzen oder die reale Welt überzeugend erweitern. Doch so lebensecht diese Erfahrungen in visueller und auditiver Hinsicht geworden sind, so bleibt doch die Frage, wie die Interaktion mit diesen virtuellen Umgebungen auf ebenso natürliche Weise gestaltet werden kann. Lösungen, die eine intuitive, greifbare Interaktion ermöglichen, hätten das Potenzial, das Spektrum der Mixed Reality (MR) fundamental zugänglicher zu machen, insbesondere für Unerfahrene. Die Forschung an Tangible User Interfaces (TUIs) hat dieses Ziel durch das Koppeln virtueller und realer Objekte verfolgt und so hat sich gezeigt, dass greifbare Interaktion für zahlreiche Anwendungsfälle signifikante Vorteile bietet. Spherical Tangible User Interfaces (STUIs) stellen einen Spezialfall von greifbaren Interfaces dar, insbesondere aufgrund ihrer Fähigkeit, beliebige sphärische virtuelle Inhalte vollständig verkörpern zu können. Generell entwickeln sich sphärische Geräte zunehmend von reinen Technologiedemonstratoren zu nutzbaren multimodalen Instrumenten, die auf eine breite Palette von Interaktionstechniken zurückgreifen können. Diese Dissertation untersucht primär die Anwendung von STUIs in MR-Umgebungen durch einen Vergleich mit State-of-the-Art-Eingabetechniken in vier verschiedenen Kontexten. Dies ermöglicht die Erforschung der Bedeutung der Verkörperung virtueller Objekte, der Benutzerleistung im Allgemeinen und der Fähigkeit von STUIs, die sich lediglich auf ihre Form verlassen, komplexe Interaktionstechniken zu unterstützen. Zunächst erforschen wir, wie sphärische Geräte immersive Visualisierungen verkörpern können. Eine erste Studie ergründet die Praxistauglichkeit einer einfach konstruierten, getrackten Kugel, die drei Arten von Visualisierungen verkörpert. Wir testen simulierte Multi-Touch-Interaktion auf einer sphärischen Oberfläche und vergleichen zwei Kugelgrößen mit VR-Controllern. Die Ergebnisse bestätigten die Praxistauglichkeit des Prototyps und deuten auf verbesserte Mustererkennung sowie Vorteile für die kleinere Kugel hin. Zweitens, um die Validität von VR als Prototyping-Technologie zu bekräftigen, demonstrieren wir, wie ein großes, anfassbares sphärisches Display in VR simuliert werden kann. Es zeigt sich, wie VR die Möglichkeiten realer sphärischer Displays substantiell erweitern kann, indem eine simulierte Multi-Touch-Oberfläche um die Fähigkeit der physischen Rotation ergänzt wird. Nach einer ersten Studie, die die generelle Machbarkeit der Simulation eines solchen Displays in VR evaluiert, zeigte eine zweite Studie die Überlegenheit des drehbaren sphärischen Displays. Drittens präsentiert diese Arbeit ein Konzept für ein sphärisches Eingabegerät für Tangible AR (TAR). Wir zeigen, wie ein solches Werkzeug grundlegende Fähigkeiten zur Objektmanipulation unter Verwendung von zwei verschiedenen Modi bereitstellen kann und vergleichen es mit Eingabetechniken deren Hardwarekomplexität zunehmend steigt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die kugelbasierte Technik, die ohne Knöpfe auskommt, nur von einer Controller-Variante übertroffen wird, die physische Knöpfe und ein Touchpad verwendet und somit nicht auf unterschiedliche Modi angewiesen ist. Viertens, um das intrinsische Problem der Fortbewegung in VR zu erforschen, untersuchen wir zwei gegensätzliche Ansätze: eine kontinuierliche und eine diskrete Technik. Für die erste präsentieren wir ein sphärisches Eingabegerät zur Fortbewegung, das zwei verschiedene Paradigmen unterstützt, die einen First-Person-Avatar entsprechend bewegen. Es zeigte sich, dass das Paradigma der direkten Positionssteuerung, angewandt auf einen Kugel-Controller, im Vergleich zu regulärer Controller-Interaktion, die zusätzlich auf physische Knöpfe zurückgreifen kann, meist besser abschneidet. Im Bereich der diskreten Fortbewegung evaluieren wir das Konzept einer kugelförmingen Miniaturwelt (Spherical World in Miniature, SWIM), die für die Avatar-Teleportation in einer großen virtuellen Umgebung verwendet werden kann. Die Ergebnisse zeigten eine subjektive Bevorzugung der kugelbasierten Technik im Vergleich zu regulären Controllern und im Durchschnitt eine schnellere Lösung der Aufgaben sowie eine höhere Genauigkeit. Zum Abschluss der Arbeit diskutieren wir unsere Ergebnisse, Erkenntnisse und die daraus resultierenden Beiträge zu unseren zentralen Forschungsfragen, um daraus Empfehlungen für die Gestaltung von Techniken auf Basis kugelförmiger Eingabegeräte und einen Ausblick auf die mögliche zukünftige Entwicklung sphärischer Eingabegräte im Mixed-Reality-Bereich abzuleiten

Exploring Tablet Interfaces for Product Appearance Authoring in Spatial Augmented Reality

Users acceptance of innovative product appearance authoring tools based on Spatial Augmented Reality (SAR) is still limited due to their perception of a high technology complexity and a low performance/functionality of the current interaction systems. The integration of SAR technologies in professional design activities is still marginal, though many studies in this field have already proved their potential as supporting tools. To overcome this barrier, efficient means for interacting with the digital images projected onto the surfaces of real objects are essential. The aim of the current study is to respond to this demand by proposing and validating three UI configurations displayed by an unique and portable device embedded with a touch screen. These interface layouts, designed to cooperate with the output of the SAR system and to not affect the well-known benefits of its augmented environment, provide different types of visual feedback to the user by duplicating, extending or hiding the information already displayed by the projected mock-up. The experimental study reported here, performed with a panel of 41 subjects, revealed that accuracy, efficiency and perceived usability of the proposed solutions are comparable with each other and in comparison to standard desktop setups commonly used for design activities. According to these findings, the research simultaneously demonstrates (i) the high performances achieved by the touch device when coupled with a SAR system during the execution of authoring tasks, (ii) the capability of the projected mock-up to behave as an actual three-dimensional display for the real time rendering of the product appearance and (iii) the possibility to freely select - according to the users preference, the design task or the type of product - one of the three UI configurations without affecting the quality of the result.</p

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