The effects of changing projection geometry on perception of 3D objects on and around tabletops

Funding: Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Networks of Centres of Excellence of Canada.Displaying 3D objects on horizontal displays can cause problems in the way that the virtual scene is presented on the 2D surface; inappropriate choices in how 3D is represented can lead to distorted images and incorrect object interpretations. We present four experiments that test 3D perception. We varied projection geometry in three ways: type of projection (perspective/parallel), separation between the observer’s point of view and the projection’s center (discrepancy), and the presence of motion parallax (with/without parallax). Projection geometry had strong effects different for each task. Reducing discrepancy is desirable for orientation judgments, but not for object recognition or internal angle judgments. Using a fixed center of projection above the table reduces error and improves accuracy in most tasks. The results have far-reaching implications for the design of 3D views on tables, in particular for multi-user applications where projections that appear correct for one person will not be perceived correctly by another.PostprintPeer reviewe

RealTimeChess: Lessons from a Participatory Design Process for a Collaborative Multi-Touch, Multi-User Game

We report on a long-term participatory design process during which we designed and improved RealTimeChess, a collaborative but competitive game that is played using touch input by multiple people on a tabletop display. During the design process we integrated concurrent input from all players and pace control, allowing us to steer the interaction along a continuum between high-paced simultaneous and low-paced turn-based gameplay. In addition, we integrated tutorials for teaching interaction techniques, mechanisms to control territoriality, remote interaction, and alert feedback. Integrating these mechanism during the participatory design process allowed us to examine their effects in detail, revealing for instance effects of the competitive setting on the perception of awareness as well as territoriality. More generally, the resulting application provided us with a testbed to study interaction on shared tabletop surfaces and yielded insights important for other time-critical or attention-demanding applications.

Virtual Valcamonica: collaborative exploration of prehistoric petroglyphs and their surrounding environment in multi-user virtual reality

In this paper, we present a novel, multi-user, virtual reality environment for the interactive, collaborative 3D analysis of large 3D scans and the technical advancements that were necessary to build it: a multi-view rendering system for large 3D point clouds, a suitable display infrastructure and a suite of collaborative 3D interaction techniques. The cultural heritage site of Valcamonica in Italy with its large collection of prehistoric rock-art served as an exemplary use case for evaluation. The results show that our output-sensitive level-of-detail rendering system is capable of visualizing a 3D dataset with an aggregate size of more than 14 billion points at interactive frame rates. The system design in this exemplar application results from close exchange with a small group of potential users: archaeologists with expertise in rock-art and allows them to explore the prehistoric art and its spatial context with highly realistic appearance. A set of dedicated interaction techniques was developed to facilitate collaborative visual analysis. A multi-display workspace supports the immediate comparison of geographically distributed artifacts. An expert review of the final demonstrator confirmed the potential for added value in rock-art research and the usability of our collaborative interaction techniques

Dynamic Anamorphosis as a Special, Computer-Generated User Interface

A classical or static anamorphic image requires a specific, usually a highly oblique view direction, from which the observer can see the anamorphosis in its correct form. This paper explains dynamic anamorphosis which adapts itself to the changing position of the observer so that wherever the observer moves, he sees the same undeformed image. This dynamic changing of the anamorphic deformation in concert with the movement of the observer requires from the system to track the 3D position of the observer’s eyes and the re-computation of the anamorphic deformation in real time. This is achieved using computer vision methods which consist of face detection and tracking the 3D position of the selected observer. An application of this system of dynamic anamorphosis in the context of an interactive art installation is described. We show that anamorphic deformation is also useful for improving eye contact in videoconferencing. Other possible applications involve novel user interfaces where the user can freely move and observe perspectively undeformed images

The cockpit for the 21st century

Interactive surfaces are a growing trend in many domains. As one possible manifestation of Mark Weiser’s vision of ubiquitous and disappearing computers in everywhere objects, we see touchsensitive screens in many kinds of devices, such as smartphones, tablet computers and interactive tabletops. More advanced concepts of these have been an active research topic for many years. This has also influenced automotive cockpit development: concept cars and recent market releases show integrated touchscreens, growing in size. To meet the increasing information and interaction needs, interactive surfaces offer context-dependent functionality in combination with a direct input paradigm. However, interfaces in the car need to be operable while driving. Distraction, especially visual distraction from the driving task, can lead to critical situations if the sum of attentional demand emerging from both primary and secondary task overextends the available resources. So far, a touchscreen requires a lot of visual attention since its flat surface does not provide any haptic feedback. There have been approaches to make direct touch interaction accessible while driving for simple tasks. Outside the automotive domain, for example in office environments, concepts for sophisticated handling of large displays have already been introduced. Moreover, technological advances lead to new characteristics for interactive surfaces by enabling arbitrary surface shapes. In cars, two main characteristics for upcoming interactive surfaces are largeness and shape. On the one hand, spatial extension is not only increasing through larger displays, but also by taking objects in the surrounding into account for interaction. On the other hand, the flatness inherent in current screens can be overcome by upcoming technologies, and interactive surfaces can therefore provide haptically distinguishable surfaces. This thesis describes the systematic exploration of large and shaped interactive surfaces and analyzes their potential for interaction while driving. Therefore, different prototypes for each characteristic have been developed and evaluated in test settings suitable for their maturity level. Those prototypes were used to obtain subjective user feedback and objective data, to investigate effects on driving and glance behavior as well as usability and user experience. As a contribution, this thesis provides an analysis of the development of interactive surfaces in the car. Two characteristics, largeness and shape, are identified that can improve the interaction compared to conventional touchscreens. The presented studies show that large interactive surfaces can provide new and improved ways of interaction both in driver-only and driver-passenger situations. Furthermore, studies indicate a positive effect on visual distraction when additional static haptic feedback is provided by shaped interactive surfaces. Overall, various, non-exclusively applicable, interaction concepts prove the potential of interactive surfaces for the use in automotive cockpits, which is expected to be beneficial also in further environments where visual attention needs to be focused on additional tasks.Der Einsatz von interaktiven Oberflächen weitet sich mehr und mehr auf die unterschiedlichsten Lebensbereiche aus. Damit sind sie eine mögliche Ausprägung von Mark Weisers Vision der allgegenwärtigen Computer, die aus unserer direkten Wahrnehmung verschwinden. Bei einer Vielzahl von technischen Geräten des täglichen Lebens, wie Smartphones, Tablets oder interaktiven Tischen, sind berührungsempfindliche Oberflächen bereits heute in Benutzung. Schon seit vielen Jahren arbeiten Forscher an einer Weiterentwicklung der Technik, um ihre Vorteile auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Interaktion zwischen Mensch und Automobil, nutzbar zu machen. Und das mit Erfolg: Interaktive Benutzeroberflächen werden mittlerweile serienmäßig in vielen Fahrzeugen eingesetzt. Der Einbau von immer größeren, in das Cockpit integrierten Touchscreens in Konzeptfahrzeuge zeigt, dass sich diese Entwicklung weiter in vollem Gange befindet. Interaktive Oberflächen ermöglichen das flexible Anzeigen von kontextsensitiven Inhalten und machen eine direkte Interaktion mit den Bildschirminhalten möglich. Auf diese Weise erfüllen sie die sich wandelnden Informations- und Interaktionsbedürfnisse in besonderem Maße. Beim Einsatz von Bedienschnittstellen im Fahrzeug ist die gefahrlose Benutzbarkeit während der Fahrt von besonderer Bedeutung. Insbesondere visuelle Ablenkung von der Fahraufgabe kann zu kritischen Situationen führen, wenn Primär- und Sekundäraufgaben mehr als die insgesamt verfügbare Aufmerksamkeit des Fahrers beanspruchen. Herkömmliche Touchscreens stellen dem Fahrer bisher lediglich eine flache Oberfläche bereit, die keinerlei haptische Rückmeldung bietet, weshalb deren Bedienung besonders viel visuelle Aufmerksamkeit erfordert. Verschiedene Ansätze ermöglichen dem Fahrer, direkte Touchinteraktion für einfache Aufgaben während der Fahrt zu nutzen. Außerhalb der Automobilindustrie, zum Beispiel für Büroarbeitsplätze, wurden bereits verschiedene Konzepte für eine komplexere Bedienung großer Bildschirme vorgestellt. Darüber hinaus führt der technologische Fortschritt zu neuen möglichen Ausprägungen interaktiver Oberflächen und erlaubt, diese beliebig zu formen. Für die nächste Generation von interaktiven Oberflächen im Fahrzeug wird vor allem an der Modifikation der Kategorien Größe und Form gearbeitet. Die Bedienschnittstelle wird nicht nur durch größere Bildschirme erweitert, sondern auch dadurch, dass Objekte wie Dekorleisten in die Interaktion einbezogen werden können. Andererseits heben aktuelle Technologieentwicklungen die Restriktion auf flache Oberflächen auf, so dass Touchscreens künftig ertastbare Strukturen aufweisen können. Diese Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung großer und nicht-flacher interaktiver Oberflächen und analysiert ihr Potential für die Interaktion während der Fahrt. Dazu wurden für jede Charakteristik verschiedene Prototypen entwickelt und in Testumgebungen entsprechend ihres Reifegrads evaluiert. Auf diese Weise konnten subjektives Nutzerfeedback und objektive Daten erhoben, und die Effekte auf Fahr- und Blickverhalten sowie Nutzbarkeit untersucht werden. Diese Dissertation leistet den Beitrag einer Analyse der Entwicklung von interaktiven Oberflächen im Automobilbereich. Weiterhin werden die Aspekte Größe und Form untersucht, um mit ihrer Hilfe die Interaktion im Vergleich zu herkömmlichen Touchscreens zu verbessern. Die durchgeführten Studien belegen, dass große Flächen neue und verbesserte Bedienmöglichkeiten bieten können. Außerdem zeigt sich ein positiver Effekt auf die visuelle Ablenkung, wenn zusätzliches statisches, haptisches Feedback durch nicht-flache Oberflächen bereitgestellt wird. Zusammenfassend zeigen verschiedene, untereinander kombinierbare Interaktionskonzepte das Potential interaktiver Oberflächen für den automotiven Einsatz. Zudem können die Ergebnisse auch in anderen Bereichen Anwendung finden, in denen visuelle Aufmerksamkeit für andere Aufgaben benötigt wird

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

Exploring the potential of physical visualizations

The goal of an external representation of abstract data is to provide insights and convey information about the structure of the underlying data, therefore helping people execute tasks and solve problems more effectively. Apart from the popular and well-studied digital visualization of abstract data there are other scarcely studied perceptual channels to represent data such as taste, sound or haptic. My thesis focuses on the latter and explores in which ways human knowledge and ability to sense and interact with the physical non-digital world can be used to enhance the way in which people analyze and explore abstract data. Emerging technological progress in digital fabrication allow an easy, fast and inexpensive production of physical objects. Machines such as laser cutters and 3D printers enable an accurate fabrication of physical visualizations with different form factors as well as materials. This creates, for the first time, the opportunity to study the potential of physical visualizations in a broad range. The thesis starts with the description of six prototypes of physical visualizations from static examples to digitally augmented variations to interactive artifacts. Based on these explorations, three promising areas of potential for physical visualizations were identified and investigated in more detail: perception & memorability, communication & collaboration, and motivation & self-reflection. The results of two studies in the area of information recall showed that participants who used a physical bar chart retained more information compared to the digital counterpart. Particularly facts about maximum and minimum values were be remembered more efficiently, when they were perceived from a physical visualization. Two explorative studies dealt with the potential of physical visualizations regarding communication and collaboration. The observations revealed the importance on the design and aesthetic of physical visualizations and indicated a great potential for their utilization by audiences with less interest in technology. The results also exposed the current limitations of physical visualizations, especially in contrast to their well-researched digital counterparts. In the area of motivation we present the design and evaluation of the Activity Sculptures project. We conducted a field study, in which we investigated physical visualizations of personal running activity. It was discovered that these sculptures generated curiosity and experimentation regarding the personal running behavior as well as evoked social dynamics such as discussions and competition. Based on the findings of the aforementioned studies this thesis concludes with two theoretical contributions on the design and potential of physical visualizations. On the one hand, it proposes a conceptual framework for material representations of personal data by describing a production and consumption lens. The goal is to encourage artists and designers working in the field of personal informatics to harness the interactive capabilities afforded by digital fabrication and the potential of material representations. On the other hand we give a first classification and performance rating of physical variables including 14 dimensions grouped into four categories. This complements the undertaking of providing researchers and designers with guidance and inspiration to uncover alternative strategies for representing data physically and building effective physical visualizations.Um aus abstrakten Daten konkrete Aussagen, komplexe Zusammenhänge oder überraschende Einsichten gewinnen zu können, müssen diese oftmals in eine, für den Menschen, anschauliche Form gebracht werden. Eine weitverbreitete und gut erforschte Möglichkeiten ist die Darstellung von Daten in visueller Form. Weniger erforschte Varianten sind das Verkörpern von Daten durch Geräusche, Gerüche oder physisch ertastbare Objekte und Formen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die letztgenannte Variante und untersucht wie die menschlichen Fähigkeiten mit der physischenWelt zu interagieren dafür genutzt werden können, das Analysieren und Explorieren von Daten zu unterstützen. Der technische Fortschritt in der digitalen Fertigung vereinfacht und beschleunigt die Produktion von physischen Objekten und reduziert dabei deren Kosten. Lasercutter und 3D Drucker ermöglichen beispielsweise eine maßgerechte Fertigung physischer Visualisierungen verschiedenster Ausprägungen hinsichtlich Größe und Material. Dadurch ergibt sich zum ersten Mal die Gelegenheit, das Potenzial von physischen Visualisierungen in größerem Umfang zu erforschen. Der erste Teil der Arbeit skizziert insgesamt sechs Prototypen physischer Visualisierungen, wobei sowohl statische Beispiele beschrieben werden, als auch Exemplare die durch digital Inhalte erweitert werden oder dynamisch auf Interaktionen reagieren können. Basierend auf den Untersuchungen dieser Prototypen wurden drei vielversprechende Bereiche für das Potenzial physischer Visualisierungen ermittelt und genauer untersucht: Wahrnehmung & Einprägsamkeit, Kommunikation & Zusammenarbeit sowie Motivation & Selbstreflexion. Die Ergebnisse zweier Studien zur Wahrnehmung und Einprägsamkeit von Informationen zeigten, dass sich Teilnehmer mit einem physischen Balkendiagramm an deutlich mehr Informationen erinnern konnten, als Teilnehmer, die eine digitale Visualisierung nutzten. Insbesondere Fakten über Maximal- und Minimalwerte konnten besser im Gedächtnis behalten werden, wenn diese mit Hilfe einer physischen Visualisierung wahrgenommen wurden. Zwei explorative Studien untersuchten das Potenzial von physischen Visualisierungen im Bereich der Kommunikation mit Informationen sowie der Zusammenarbeit. Die Ergebnisse legten einerseits offen wie wichtig ein ausgereiftes Design und die Ästhetik von physischen Visualisierungen ist, deuteten anderseits aber auch darauf hin, dass Menschen mit geringem Interesse an neuen Technologien eine interessante Zielgruppe darstellen. Die Studien offenbarten allerdings auch die derzeitigen Grenzen von physischen Visualisierungen, insbesondere im Vergleich zu ihren gut erforschten digitalen Pendants. Im Bereich der Motivation und Selbstreflexion präsentieren wir die Entwicklung und Auswertung des Projekts Activity Sculptures. In einer Feldstudie über drei Wochen erforschten wir physische Visualisierungen, die persönliche Laufdaten repräsentieren. Unsere Beobachtungen und die Aussagen der Teilnehmer ließen darauf schließen, dass die Skulpturen Neugierde weckten und zum Experimentieren mit dem eigenen Laufverhalten einluden. Zudem konnten soziale Dynamiken entdeckt werden, die beispielsweise durch Diskussion aber auch Wettbewerbsgedanken zum Ausdruck kamen. Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen durch die erwähnten Studien schließt diese Arbeit mit zwei theoretischen Beiträgen, hinsichtlich des Designs und des Potenzials von physischen Visualisierungen, ab. Zuerst wird ein konzeptionelles Framework vorgestellt, welches die Möglichkeiten und den Nutzen physischer Visualisierungen von persönlichen Daten veranschaulicht. Für Designer und Künstler kann dies zudem als Inspirationsquelle dienen, wie das Potenzial neuer Technologien, wie der digitalen Fabrikation, zur Darstellung persönlicher Daten in physischer Form genutzt werden kann. Des Weiteren wird eine initiale Klassifizierung von physischen Variablen vorgeschlagen mit insgesamt 14 Dimensionen, welche in vier Kategorien gruppiert sind. Damit vervollständigen wir unser Ziel, Forschern und Designern Inspiration und Orientierung zu bieten, um neuartige und effektvolle physische Visualisierungen zu erschaffen

Vision, Action, and Make-Perceive

In this paper, I critically assess the enactive account of visual perception recently defended by Alva Noë (2004). I argue inter alia that the enactive account falsely identifies an object’s apparent shape with its 2D perspectival shape; that it mistakenly assimilates visual shape perception and volumetric object recognition; and that it seriously misrepresents the constitutive role of bodily action in visual awareness. I argue further that noticing an object’s perspectival shape involves a hybrid experience combining both perceptual and imaginative elements – an act of what I call ‘make-perceive.

Bringing the Physical to the Digital

This dissertation describes an exploration of digital tabletop interaction styles, with the ultimate goal of informing the design of a new model for tabletop interaction. In the context of this thesis the term digital tabletop refers to an emerging class of devices that afford many novel ways of interaction with the digital. Allowing users to directly touch information presented on large, horizontal displays. Being a relatively young field, many developments are in flux; hardware and software change at a fast pace and many interesting alternative approaches are available at the same time. In our research we are especially interested in systems that are capable of sensing multiple contacts (e.g., fingers) and richer information such as the outline of whole hands or other physical objects. New sensor hardware enable new ways to interact with the digital. When embarking into the research for this thesis, the question which interaction styles could be appropriate for this new class of devices was a open question, with many equally promising answers. Many everyday activities rely on our hands ability to skillfully control and manipulate physical objects. We seek to open up different possibilities to exploit our manual dexterity and provide users with richer interaction possibilities. This could be achieved through the use of physical objects as input mediators or through virtual interfaces that behave in a more realistic fashion. In order to gain a better understanding of the underlying design space we choose an approach organized into two phases. First, two different prototypes, each representing a specific interaction style – namely gesture-based interaction and tangible interaction – have been implemented. The flexibility of use afforded by the interface and the level of physicality afforded by the interface elements are introduced as criteria for evaluation. Each approaches’ suitability to support the highly dynamic and often unstructured interactions typical for digital tabletops is analyzed based on these criteria. In a second stage the learnings from these initial explorations are applied to inform the design of a novel model for digital tabletop interaction. This model is based on the combination of rich multi-touch sensing and a three dimensional environment enriched by a gaming physics simulation. The proposed approach enables users to interact with the virtual through richer quantities such as collision and friction. Enabling a variety of fine-grained interactions using multiple fingers, whole hands and physical objects. Our model makes digital tabletop interaction even more “natural”. However, because the interaction – the sensed input and the displayed output – is still bound to the surface, there is a fundamental limitation in manipulating objects using the third dimension. To address this issue, we present a technique that allows users to – conceptually – pick objects off the surface and control their position in 3D. Our goal has been to define a technique that completes our model for on-surface interaction and allows for “as-direct-as possible” interactions. We also present two hardware prototypes capable of sensing the users’ interactions beyond the table’s surface. Finally, we present visual feedback mechanisms to give the users the sense that they are actually lifting the objects off the surface. This thesis contributes on various levels. We present several novel prototypes that we built and evaluated. We use these prototypes to systematically explore the design space of digital tabletop interaction. The flexibility of use afforded by the interaction style is introduced as criterion alongside the user interface elements’ physicality. Each approaches’ suitability to support the highly dynamic and often unstructured interactions typical for digital tabletops are analyzed. We present a new model for tabletop interaction that increases the fidelity of interaction possible in such settings. Finally, we extend this model so to enable as direct as possible interactions with 3D data, interacting from above the table’s surface