Supporting the Development Process of Multimodal and Natural Automotive User Interfaces

Nowadays, driving a car places multi-faceted demands on the driver that go beyond maneuvering a vehicle through road traffic. The number of additional functions for entertainment, infotainment and comfort increased rapidly in the last years. Each new function in the car is designed to make driving as pleasant as possible but also increases the risk that the driver will be distracted from the primary driving task. One of the most important goals for designers of new and innovative automotive user interfaces is therefore to keep driver distraction to a minimum while providing an appropriate support to the driver. This goal can be achieved by providing tools and methods that support a human-centred development process. In this dissertation, a design space will be presented that helps to analyze the use of context, to generate new ideas for automotive user interfaces and to document them. Furthermore, new opportunities for rapid prototyping will be introduced. To be able to evaluate new automotive user interfaces and interaction concepts regarding their effect on driving performance, a driving simulation software was developed within the scope of this dissertation. In addition, research results in the field of multimodal, implicit and eye-based interaction in the car are presented. The different case studies mentioned illustrate the systematic and comprehensive research on the opportunities of these kinds of interaction, as well as their effects on driving performance. We developed a prototype of a vibration steering wheel that communicates navigation instructions. Another prototype of a steering wheel has a display integrated in the middle and enables handwriting input. A further case study explores a visual placeholder concept to assist drivers when using in-car displays while driving. When a driver looks at a display and then at the street, the last gaze position on the display is highlighted to assist the driver when he switches his attention back to the display. This speeds up the process of resuming an interrupted task. In another case study, we compared gaze-based interaction with touch and speech input. In the last case study, a driver-passenger video link system is introduced that enables the driver to have eye contact with the passenger without turning his head. On the whole, this dissertation shows that by using a new human-centred development process, modern interaction concepts can be developed in a meaningful way.Das Führen eines Fahrzeuges stellt heute vielfältige Ansprüche an den Fahrer, die über das reine Manövrieren im Straßenverkehr hinausgehen. Die Fülle an Zusatzfunktionen zur Unterhaltung, Navigation- und Komfortzwecken, die während der Fahrt genutzt werden können, ist in den letzten Jahren stark angestiegen. Einerseits dient jede neu hinzukommende Funktion im Fahrzeug dazu, das Fahren so angenehm wie möglich zu gestalten, birgt aber anderseits auch immer das Risiko, den Fahrer von seiner primären Fahraufgabe abzulenken. Eines der wichtigsten Ziele für Entwickler von neuen und innovativen Benutzungsschnittstellen im Fahrzeug ist es, die Fahrerablenkung so gering wie möglich zu halten und dabei dem Fahrer eine angemessene Unterstützung zu bieten. Werkzeuge und Methoden, die einen benutzerzentrierten Entwicklungsprozess unter-stützen, können helfen dieses Ziel zu erreichen. In dieser Dissertation wird ein Entwurfsraum vorgestellt, welcher helfen soll den Benutzungskontext zu analysieren, neue Ideen für Benutzungsschnittstellen zu generieren und diese zu dokumentieren. Darüber hinaus wurden im Rahmen der Arbeit neue Möglichkeiten zur schnellen Prototypenerstellung entwickelt. Es wurde ebenfalls eine Fahrsimulationssoftware erstellt, welche die quantitative Bewertung der Auswirkungen von Benutzungs-schnittstellen und Interaktionskonzepten auf die Fahreraufgabe ermöglicht. Desweiteren stellt diese Dissertation neue Forschungsergebnisse auf den Gebieten der multimodalen, impliziten und blickbasierten Interaktion im Fahrzeug vor. In verschiedenen Fallbeispielen wurden die Möglichkeiten dieser Interaktionsformen sowie deren Auswirkung auf die Fahrerablenkung umfassend und systematisch untersucht. Es wurde ein Prototyp eines Vibrationslenkrads erstellt, womit Navigations-information übermittelt werden können sowie ein weiterer Prototyp eines Lenkrads, welches ein Display in der Mitte integriert hat und damit handschriftliche Texteingabe ermöglicht. Ein visuelles Platzhalterkonzept ist im Fokus eines weiteren Fallbeispiels. Auf einem Fahrzeugdisplay wird die letzte Blickposition bevor der Fahrer seine Aufmerksamkeit dem Straßenverkehr zuwendet visuell hervorgehoben. Dies ermöglicht dem Fahrer eine unterbrochene Aufgabe z.B. das Durchsuchen einer Liste von Musik-titel schneller wieder aufzunehmen, wenn er seine Aufmerksamkeit wieder dem Display zuwendet. In einer weiteren Studie wurde blickbasierte Interaktion mit Sprach- und Berührungseingabe verglichen und das letzte Fallbeispiel beschäftigt sich mit der Unterstützung der Kommunikation im Fahrzeug durch die Bereitstellung eines Videosystems, welches Blickkontakt zwischen dem Fahrer und den Mitfahrern ermöglicht, ohne dass der Fahrer seinen Kopf drehen muss. Die Arbeit zeigt insgesamt, dass durch den Einsatz eines neuen benutzerzentrierten Entwicklungsprozess moderne Interaktionskonzept sinnvoll entwickelt werden können

EMPOWERING THE FRONT-SEAT PASSENGER: DESIGN AND EXPERIENCE PROTOTYPING OF LUXURY INFOTAINMENT SYSTEMS THROUGH VR SIMULATION

Automotive user interfaces have been designed within the limitations of driving activity. Therefore, there has been a lack of infotainment solutions that target the front-seat passenger as another car occupant with his/her own needs, interests and capabilities. This research is built on the motivation of empowering the front-seat passengers in luxury car journeys through infotainment systems. It handles front-seat passenger’s empowerment through the investigation of how a pleasant and luxury infotainment experience is manifested via new functionalities and interactions. This research tackles the challenge of understanding how these unprecedented infotainment solutions will add to front-seat passenger’s travel experience with experience prototyping through VR simulation. It follows the ‘research through design approach’ by i) presenting a design proposal for the front-seat passenger infotainment system, ii) developing a VR simulation to communicate the infotainment system interactions within a travel scenario in an immersive way, and iii) conducting experience prototyping study where participants reflect on the design proposal (VR simulation) through administration of mixed data collection methods including semantic differential questionnaires and semi-structured interviews. To achieve the above-mentioned objectives, the research makes use of an extensive literature on User Experience (UX)-Human Computer Interaction (HCI), Automotive UX, Luxury Marketing, and Simulation. The synthesis of the UX and marketing literature enables deconstruction of pleasant and luxury user experience into a set of qualities/metrics to be referred in design and design evaluation. The synthesis of aesthetics of interaction studies in the UX literature helps to categorize the diverse aspects of the infotainment system. The analysis of the academic and industrial efforts to empower front-seat passengers through automotive user interfaces is used for identification of promising technologies and trends for the infotainment system. The literature review on experience prototyping with VR constitutes a reference in prototyping-related decisions and using VR as part of the user study. The thesis finally presents the analysis of the experience prototyping study through i) the quantitative representation and discussion of the diverse aspects of the infotainment system (functionalities and interaction aesthetics) that play role in delivery of the various qualities of luxury experience, ii) structured analysis of the participants’ suggestions for the system with specification of the underlying motivations and iii) development of a framework that conceptualizes the front-seat passengers’ changing role and relations with the infotainment system. Based on these investigations of the link between the infotainment system aspects and the participants’ expectations/concerns, the research concludes with key design considerations and recommendations for the future (luxury) front-seat passenger-oriented infotainment system solutions. It also presents recommendations for integration of VR simulation into future car HMI appraisals by reflecting on the experience prototyping study conducted as part of the PhD research

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

Remote tactile feedback on interactive surfaces

Direct touch input on interactive surfaces has become a predominating standard for the manipulation of digital information in our everyday lives. However, compared to our rich interchange with the physical world, the interaction with touch-based systems is limited in terms of flexibility of input and expressiveness of output. Particularly, the lack of tactile feedback greatly reduces the general usability of a touch-based system and hinders from a productive entanglement of the virtual information with the physical world. This thesis proposes remote tactile feedback as a novel method to provide programmed tactile stimuli supporting direct touch interactions. The overall principle is to spatially decouple the location of touch input (e.g. fingertip or hand) and the location of the tactile sensation on the user's body (e.g. forearm or back). Remote tactile feedback is an alternative concept which avoids particular challenges of existing approaches. Moreover, the principle provides inherent characteristics which can accommodate for the requirements of current and future touch interfaces. To define the design space, the thesis provides a structured overview of current forms of touch surfaces and identifies trends towards non-planar and non-rigid forms with more versatile input mechanisms. Furthermore, a classification highlights limitations of the current methods to generate tactile feedback on touch-based systems. The proposed notion of tactile sensory relocation is a form of sensory substitution. Underlying neurological and psychological principles corroborate the approach. Thus, characteristics of the human sense of touch and principles from sensory substitution help to create a technical and conceptual framework for remote tactile feedback. Three consecutive user studies measure and compare the effects of both direct and remote tactile feedback on the performance and the subjective ratings of the user. Furthermore, the experiments investigate different body locations for the application of tactile stimuli. The results show high subjective preferences for tactile feedback, regardless of its type of application. Additionally, the data reveals no significant differences between the effects of direct and remote stimuli. The results back the feasibility of the approach and provide parameters for the design of stimuli and the effective use of the concept. The main part of the thesis describes the systematical exploration and analysis of the inherent characteristics of remote tactile feedback. Four specific features of the principle are identified: (1) the simplification of the integration of cutaneous stimuli, (2) the transmission of proactive, reactive and detached feedback, (3) the increased expressiveness of tactile sensations and (4) the provision of tactile feedback during multi-touch. In each class, several prototypical remote tactile interfaces are used in evaluations to analyze the concept. For example, the PhantomStation utilizes psychophysical phenomena to reduce the number of single tactile actuators. An evaluation with the prototype compares standard actuator technologies with each other in order to enable simple and scalable implementations. The ThermalTouch prototype creates remote thermal stimuli to reproduce material characteristics on standard touchscreens. The results show a stable rate of virtual object discrimination based on remotely applied temperature profiles. The AutmotiveRTF system is implemented in a vehicle and supports the driver's input on the in-vehicle-infotainment system. A field study with the system focuses on evaluating the effects of proactive and reactive feedback on the user's performance. The main contributions of the dissertation are: First, the thesis introduces the principle of remote tactile feedback and defines a design space for this approach as an alternative method to provide non-visual cues on interactive surfaces. Second, the thesis describes technical examples to rapidly prototype remote tactile feedback systems. Third, these prototypes are deployed in several evaluations which highlight the beneficial subjective and objective effects of the approach. Finally, the thesis presents features and inherent characteristics of remote tactile feedback as a means to support the interaction on today's touchscreens and future interactive surfaces.Die Interaktion mit berührungsempfindlichen Oberflächen ist heute ein Standard für die Manipulation von digitaler Information. Jedoch weist die Bedienung dieser interaktiven Bildschirme starke Einschränkungen hinsichtlich der Flexibilität bei der Eingabe und der Ausdruckskraft der Ausgabe auf, wenn man sie mit den vielfältigen Möglichkeiten des Umgangs mit Objekten in unserer Alltagswelt vergleicht. Besonders die nicht vorhandenen Tastsinnesrückmeldungen vermindern stark die Benutzbarkeit solcher Systeme und verhindern eine effektive Verknüpfung von virtueller Information und physischer Welt. Die vorliegende Dissertation beschreibt den Ansatz der 'distalen taktilen Rückmeldungen' als neuartige Möglichkeit zur Vermittlung programmierter Tastsinnesreize an Benutzer interaktiver Oberflächen. Das Grundprinzip dabei ist die räumliche Trennung zwischen der Eingabe durch Berührung (z.B. mit der Fingerspitze) und dem daraus resultierenden taktilen Reiz am Körper der Benutzer (z.B. am Rücken). Dabei vermeidet das Konzept der distalen taktilen Rückmeldungen einzelne technische und konzeptionelle Nachteile existierender Ansätze. Zusätzlich bringt es Interaktionsmöglichkeiten mit sich, die den Eigenheiten der Interaktion mit aktuellen und auch zukünftigen berührungsempfindlichen Oberflächen Rechnung tragen. Zu Beginn zeigt ein Überblick zu relevanten Arbeiten den aktuellen Forschungstrend hin zu nicht-flachen und verformbaren berührungsempfindlichen Oberflächen sowie zu vielfältigeren Eingabemethoden. Eine Klassifizierung ordnet existierende technische Verfahren zur Erzeugung von künstlichen Tastsinnesreizen und stellt jeweils konzeptuelle und technische Herausforderungen dar. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene Ansatz der Verlagerung von Tastsinnesreizen ist eine Form der sensorischen Substitution, zugrunde liegende neurologische und psychologische Prinzipien untermauern das Vorgehen. Die Wirkprinzipien des menschlichen Tastsinnes und die Systeme zur sensorischen Substitution liefern daher konzeptionelle und technische Richtlinien zur Umsetzung der distalen taktilen Rückmeldungen. Drei aufeinander aufbauende Benutzerstudien vergleichen die Auswirkungen von direkten und distalen taktilen Rückmeldungen auf die Leistung und das Verhalten von Benutzern sowie deren subjektive Bewertung der Interaktion. Außerdem werden in den Experimenten die Effekte von Tastsinnesreizen an verschiedenen Körperstellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen starke Präferenzen für Tastsinnesrückmeldungen, unabhängig von deren Applikationsort. Die Daten ergeben weiterhin keine signifikanten Unterschiede bei den quantitativen Effekten von direktem und distalen Rückmeldungen. Diese Ergebnisse befürworten die Realisierbarkeit des Ansatzes und zeigen Richtlinien für weitere praktische Umsetzungen auf. Der Hauptteil der Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung und Analyse der inhärenten Möglichkeiten, die sich aus der Vermittlung distaler taktiler Rückmeldungen ergeben. Vier verschiedene Charakteristika werden identifiziert: (1) die vereinfachte Integration von Tastsinnesreizen, (2) die Vermittlung von proaktiven, reaktiven und entkoppelten Rückmeldungen, (3) die erhöhte Bandbreite der taktilen Signale und (4) die Darstellung von individuellen Tastsinnesreizen für verschiedene Kontaktpunkte mit der berührungsempfindlichen Oberfläche. Jedes dieser Prinzipien wird durch prototypische Systeme umgesetzt und in Benutzerstudien analysiert. Beispielsweise nutzt das System PhantomStation psychophysikalische Illusionen, um die Anzahl der einzelnen Reizgeber zu reduzieren. In einer Evaluierung des Prototypen werden mehrere Aktuatortechnologien verglichen, um einfache und skalierbare Ansätze zu identifizieren. Der ThermalTouch-Prototyp wird dazu genutzt, distale thermale Reize zu vermitteln, um so Materialeigenschaften auf Berührungsbildschirmen darstellen zu können. Eine Benutzerstudie zeigt, dass sich auf Basis dieser Temperaturverläufe virtuelle Objekte unterscheiden lassen. Das AutomotiveRTF-System wird schließlich in ein Kraftfahrzeug integriert, um den Fahrer bei der Eingabe auf dem Informations- und Unterhaltungssystem zu unterstützen. Eine Feldstudie untersucht die Auswirkungen der proaktiven und reaktiven Rückmeldungen auf die Benutzerleistung. Die vorliegende Dissertation leistet mehrere Beiträge zur Mensch-Maschine-Interaktion: Das Prinzip der distalen taktilen Rückmeldungen wird eingeführt als Alternative zur Erzeugung nicht-visueller Rückmeldungen auf interaktiven Oberflächen. Es werden technische Verfahrensweisen zur prototypischen Implementierung solcher Systeme vorgeschlagen. Diese technischen Prototypen werden in einer Vielzahl verschiedener Benutzerstudien eingesetzt, welche die quantitativen und qualitativen Vorteile des Ansatzes aufzeigen. Schließlich wird gezeigt, wie sich das Prinzip zur Unterstützung heutiger und zukünftiger Interaktionsformen mit berührungsempfindlichen Bildschirmen nutzen lässt