Les retours tactile et kinesthésique améliorent la perception de distance en réalité virtuelle

National audienceResearch spanning psychology, neuroscience and HCI found that depth perception distortion is a common problem in virtual reality. This distortion results in depth compression, where users perceive objects closer than their intended distance. Studies suggested that cues, such as audio and haptic, help to solve this issue. We focus on haptic feedback and investigate how force feedback compares to tactile feedback within peripersonal space in reducing depth perception distortion. Our study (N=12) compares the use of haptic force feedback, vibration haptic feedback, a combination of both or no feedback. Our results show that both vibration and force feedback improve depth perception distortion over no feedback (8.3 times better distance estimation than with no haptic feedback vs. 1.4 to 1.5 times better with either vibration or force feedback on their own). Participants also subjectively preferred using force feedback, or a combination of force and vibration feedback, over no feedback.Des recherches en psychologie, neurosciences et IHM ont montré que la distorsion de la perception des distances est un problème courant en réalité virtuelle. Cette distorsion entraîne une compression des profondeurs, et les utilisateurs perçoivent des objets plus proches qu'ils ne le sont. Dans ce papier, nous nous concentrons sur le retour haptique et examinons comment le retour de force se compare au retour tactile pour réduire la compression des profondeurs. Notre étude (N = 12) compare l'utilisation du retour de force, le retour tactile vibratoire, la combinaison des deux ou l'absence de retour. Nos résultats montrent que le retour tactile et le retour de force améliorent la perception de la profondeur. L'estimation de distance est 8.3 fois meilleure que sans retour, par rapport à 1.4-1.5 fois avec retour tactile vibratoire ou de force non-combinés. Les participants ont également préféré utiliser le retour de force, ou une combinaison de force et tactile

Haptics: Science, Technology, Applications

This open access book constitutes the proceedings of the 12th International Conference on Human Haptic Sensing and Touch Enabled Computer Applications, EuroHaptics 2020, held in Leiden, The Netherlands, in September 2020. The 60 papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 111 submissions. The were organized in topical sections on haptic science, haptic technology, and haptic applications. This year's focus is on accessibility

Haptics: Science, Technology, Applications

This open access book constitutes the proceedings of the 12th International Conference on Human Haptic Sensing and Touch Enabled Computer Applications, EuroHaptics 2020, held in Leiden, The Netherlands, in September 2020. The 60 papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 111 submissions. The were organized in topical sections on haptic science, haptic technology, and haptic applications. This year's focus is on accessibility

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

Realistic Interaction with Virtual Objects within Arm's Reach

The automotive industry requires realistic virtual reality applications more than other domains to increase the efficiency of product development. Currently, the visual quality of virtual invironments resembles reality, but interaction within these environments is usually far from what is known in everyday life. Several realistic research approaches exist, however they are still not all-encompassing enough to be usable in industrial processes. This thesis realizes lifelike direct multi-hand and multi-finger interaction with arbitrary objects, and proposes algorithmic and technical improvements that also approach lifelike usability. In addition, the thesis proposes methods to measure the effectiveness and usability of such interaction techniques as well as discusses different types of grasping feedback that support the user during interaction. Realistic and reliable interaction is reached through the combination of robust grasping heuristics and plausible pseudophysical object reactions. The easy-to-compute grasping rules use the objects’ surface normals, and mimic human grasping behavior. The novel concept of Normal Proxies increases grasping stability and diminishes challenges induced by adverse normals. The intricate act of picking-up thin and tiny objects remains challenging for some users. These cases are further supported by the consideration of finger pinches, which are measured with a specialized finger tracking device. With regard to typical object constraints, realistic object motion is geometrically calculated as a plausible reaction on user input. The resulting direct finger-based interaction technique enables realistic and intuitive manipulation of arbitrary objects. The thesis proposes two methods that prove and compare effectiveness and usability. An expert review indicates that experienced users quickly familiarize themselves with the technique. A quantitative and qualitative user study shows that direct finger-based interaction is preferred over indirect interaction in the context of functional car assessments. While controller-based interaction is more robust, the direct finger-based interaction provides greater realism, and becomes nearly as reliable when the pinch-sensitive mechanism is used. At present, the haptic channel is not used in industrial virtual reality applications. That is why it can be used for grasping feedback which improves the users’ understanding of the grasping situation. This thesis realizes a novel pressure-based tactile feedback at the fingertips. As an alternative, vibro-tactile feedback at the same location is realized as well as visual feedback by the coloring of grasp-involved finger segments. The feedback approaches are also compared within the user study, which reveals that grasping feedback is a requirement to judge grasp status and that tactile feedback improves interaction independent of the used display system. The considerably stronger vibrational tactile feedback can quickly become annoying during interaction. The interaction improvements and hardware enhancements make it possible to interact with virtual objects in a realistic and reliable manner. By addressing realism and reliability, this thesis paves the way for the virtual evaluation of human-object interaction, which is necessary for a broader application of virtual environments in the automotive industry and other domains.Stärker als andere Branchen benötigt die Automobilindustrie realistische Virtual Reality Anwendungen für eine effiziente Produktentwicklung. Während sich die visuelle Qualität virtueller Darstellungen bereits der Realität angenähert hat, ist die Interaktion mit virtuellen Umgebungen noch weit vom täglichen Erleben der Menschen entfernt. Einige Forschungsansätze haben sich mit realistischer Interaktion befasst, gehen aber nicht weit genug, um in industriellen Prozessen eingesetzt zu werden. Diese Arbeit realisiert eine lebensnahe mehrhändige und fingerbasierte Interaktion mit beliebigen Objekten. Dabei ermöglichen algorithmische und technische Verbesserungen eine realitätsnahe Usability. Außerdem werden Methoden für die Evaluation dieser Interaktionstechnik vorgestellt und benutzerunterstützende Greiffeedbackarten diskutiert. Die verlässliche und gleichzeitig realistische Interaktion wird durch die Kombination von robusten Greifheuristiken und pseudophysikalischen Objektreaktionen erreicht. Die das menschliche Greifverhalten nachbildenden Greifregeln basieren auf den Oberflächennormalen der Objekte. Die Reduktion negativer Einflüsse verfälschter Normalen und eine höhere Griffstabilität werden durch das neuartige Konzept der Normal Proxies erreicht. Dennoch bleibt für manche Nutzer das Aufnehmen von dünnen und kleinen Objekten problematisch. Diese Fälle werden zusätzlich durch die Einbeziehung von Fingerberührungen unterstützt, die mit einem speziellen Fingertracking Gerät erfasst werden. Plausible Objektreaktionen auf Benutzereingaben werden unter Berücksichtigung typischer Objekteinschränkungen geometrisch berechnet. Die Arbeit schlägt zwei Methoden zur Evaluierung der fingerbasierten Interaktion vor. Ein Expertenreview zeigt, dass sich erfahrene Benutzer sehr schnell in die Technik einfinden. In einer Benutzerstudie wird nachgewiesen, dass fingerbasierte Interaktion im hier untersuchten Kontext vor indirekter Interaktion mit einem Eingabegerät bevorzugt wird. Während letztere robuster zu handhaben ist, stellt die fingerbasierte Interaktion einen deutlich höheren Realismus bereit und erreicht mit den vorgeschlagenen Verbesserungen eine vergleichbare Verlässlichkeit. Um Greifsituationen transparent zu gestalten, realisiert diese Arbeit ein neuartiges druckbasiertes taktiles Feedback an den Fingerspitzen. Alternativ wird ein vibrotaktiles Feedback am gleichen Ort realisiert und visuelles Feedback durch die Einfärbung der griffbeteiligten Fingersegmente umgesetzt. Die verschiedenen Feedbackansätze werden in der Benutzerstudie verglichen. Dabei wird Greiffeedback als Voraussetzung identifiziert, um den Greifzustand zu beurteilen. Taktiles Feedback verbessert dabei die Interaktion unabhängig vom eingesetzten Display. Das merklich stärkere Vibrationsfeedback kann während der Interaktion störend wirken. Die vorgestellten Interaktionsverbesserungen und Hardwareerweiterungen ermöglichen es, mit virtuellen Objekten auf realistische und zuverlässige Art zu interagieren. Indem die Arbeit Realismus und Verlässlichkeit gleichzeitig adressiert, bereitet sie den Boden für die virtuelle Untersuchung von Mensch-Objekt Interaktionen und ermöglicht so einen breiteren Einsatz virtueller Techniken in der Automobilindustrie und in anderen Bereichen

Realistic Interaction with Virtual Objects within Arm's Reach

The automotive industry requires realistic virtual reality applications more than other domains to increase the efficiency of product development. Currently, the visual quality of virtual invironments resembles reality, but interaction within these environments is usually far from what is known in everyday life. Several realistic research approaches exist, however they are still not all-encompassing enough to be usable in industrial processes. This thesis realizes lifelike direct multi-hand and multi-finger interaction with arbitrary objects, and proposes algorithmic and technical improvements that also approach lifelike usability. In addition, the thesis proposes methods to measure the effectiveness and usability of such interaction techniques as well as discusses different types of grasping feedback that support the user during interaction. Realistic and reliable interaction is reached through the combination of robust grasping heuristics and plausible pseudophysical object reactions. The easy-to-compute grasping rules use the objects’ surface normals, and mimic human grasping behavior. The novel concept of Normal Proxies increases grasping stability and diminishes challenges induced by adverse normals. The intricate act of picking-up thin and tiny objects remains challenging for some users. These cases are further supported by the consideration of finger pinches, which are measured with a specialized finger tracking device. With regard to typical object constraints, realistic object motion is geometrically calculated as a plausible reaction on user input. The resulting direct finger-based interaction technique enables realistic and intuitive manipulation of arbitrary objects. The thesis proposes two methods that prove and compare effectiveness and usability. An expert review indicates that experienced users quickly familiarize themselves with the technique. A quantitative and qualitative user study shows that direct finger-based interaction is preferred over indirect interaction in the context of functional car assessments. While controller-based interaction is more robust, the direct finger-based interaction provides greater realism, and becomes nearly as reliable when the pinch-sensitive mechanism is used. At present, the haptic channel is not used in industrial virtual reality applications. That is why it can be used for grasping feedback which improves the users’ understanding of the grasping situation. This thesis realizes a novel pressure-based tactile feedback at the fingertips. As an alternative, vibro-tactile feedback at the same location is realized as well as visual feedback by the coloring of grasp-involved finger segments. The feedback approaches are also compared within the user study, which reveals that grasping feedback is a requirement to judge grasp status and that tactile feedback improves interaction independent of the used display system. The considerably stronger vibrational tactile feedback can quickly become annoying during interaction. The interaction improvements and hardware enhancements make it possible to interact with virtual objects in a realistic and reliable manner. By addressing realism and reliability, this thesis paves the way for the virtual evaluation of human-object interaction, which is necessary for a broader application of virtual environments in the automotive industry and other domains.Stärker als andere Branchen benötigt die Automobilindustrie realistische Virtual Reality Anwendungen für eine effiziente Produktentwicklung. Während sich die visuelle Qualität virtueller Darstellungen bereits der Realität angenähert hat, ist die Interaktion mit virtuellen Umgebungen noch weit vom täglichen Erleben der Menschen entfernt. Einige Forschungsansätze haben sich mit realistischer Interaktion befasst, gehen aber nicht weit genug, um in industriellen Prozessen eingesetzt zu werden. Diese Arbeit realisiert eine lebensnahe mehrhändige und fingerbasierte Interaktion mit beliebigen Objekten. Dabei ermöglichen algorithmische und technische Verbesserungen eine realitätsnahe Usability. Außerdem werden Methoden für die Evaluation dieser Interaktionstechnik vorgestellt und benutzerunterstützende Greiffeedbackarten diskutiert. Die verlässliche und gleichzeitig realistische Interaktion wird durch die Kombination von robusten Greifheuristiken und pseudophysikalischen Objektreaktionen erreicht. Die das menschliche Greifverhalten nachbildenden Greifregeln basieren auf den Oberflächennormalen der Objekte. Die Reduktion negativer Einflüsse verfälschter Normalen und eine höhere Griffstabilität werden durch das neuartige Konzept der Normal Proxies erreicht. Dennoch bleibt für manche Nutzer das Aufnehmen von dünnen und kleinen Objekten problematisch. Diese Fälle werden zusätzlich durch die Einbeziehung von Fingerberührungen unterstützt, die mit einem speziellen Fingertracking Gerät erfasst werden. Plausible Objektreaktionen auf Benutzereingaben werden unter Berücksichtigung typischer Objekteinschränkungen geometrisch berechnet. Die Arbeit schlägt zwei Methoden zur Evaluierung der fingerbasierten Interaktion vor. Ein Expertenreview zeigt, dass sich erfahrene Benutzer sehr schnell in die Technik einfinden. In einer Benutzerstudie wird nachgewiesen, dass fingerbasierte Interaktion im hier untersuchten Kontext vor indirekter Interaktion mit einem Eingabegerät bevorzugt wird. Während letztere robuster zu handhaben ist, stellt die fingerbasierte Interaktion einen deutlich höheren Realismus bereit und erreicht mit den vorgeschlagenen Verbesserungen eine vergleichbare Verlässlichkeit. Um Greifsituationen transparent zu gestalten, realisiert diese Arbeit ein neuartiges druckbasiertes taktiles Feedback an den Fingerspitzen. Alternativ wird ein vibrotaktiles Feedback am gleichen Ort realisiert und visuelles Feedback durch die Einfärbung der griffbeteiligten Fingersegmente umgesetzt. Die verschiedenen Feedbackansätze werden in der Benutzerstudie verglichen. Dabei wird Greiffeedback als Voraussetzung identifiziert, um den Greifzustand zu beurteilen. Taktiles Feedback verbessert dabei die Interaktion unabhängig vom eingesetzten Display. Das merklich stärkere Vibrationsfeedback kann während der Interaktion störend wirken. Die vorgestellten Interaktionsverbesserungen und Hardwareerweiterungen ermöglichen es, mit virtuellen Objekten auf realistische und zuverlässige Art zu interagieren. Indem die Arbeit Realismus und Verlässlichkeit gleichzeitig adressiert, bereitet sie den Boden für die virtuelle Untersuchung von Mensch-Objekt Interaktionen und ermöglicht so einen breiteren Einsatz virtueller Techniken in der Automobilindustrie und in anderen Bereichen

Advancing proxy-based haptic feedback in virtual reality

This thesis advances haptic feedback for Virtual Reality (VR). Our work is guided by Sutherland's 1965 vision of the ultimate display, which calls for VR systems to control the existence of matter. To push towards this vision, we build upon proxy-based haptic feedback, a technique characterized by the use of passive tangible props. The goal of this thesis is to tackle the central drawback of this approach, namely, its inflexibility, which yet hinders it to fulfill the vision of the ultimate display. Guided by four research questions, we first showcase the applicability of proxy-based VR haptics by employing the technique for data exploration. We then extend the VR system's control over users' haptic impressions in three steps. First, we contribute the class of Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) alongside two novel concepts for conveying kinesthetic properties, like virtual weight and shape, through weight-shifting and drag-changing proxies. Conceptually orthogonal to this, we study how visual-haptic illusions can be leveraged to unnoticeably redirect the user's hand when reaching towards props. Here, we contribute a novel perception-inspired algorithm for Body Warping-based Hand Redirection (HR), an open-source framework for HR, and psychophysical insights. The thesis concludes by proving that the combination of DPHF and HR can outperform the individual techniques in terms of the achievable flexibility of the proxy-based haptic feedback.Diese Arbeit widmet sich haptischem Feedback für Virtual Reality (VR) und ist inspiriert von Sutherlands Vision des ultimativen Displays, welche VR-Systemen die Fähigkeit zuschreibt, Materie kontrollieren zu können. Um dieser Vision näher zu kommen, baut die Arbeit auf dem Konzept proxy-basierter Haptik auf, bei der haptische Eindrücke durch anfassbare Requisiten vermittelt werden. Ziel ist es, diesem Ansatz die für die Realisierung eines ultimativen Displays nötige Flexibilität zu verleihen. Dazu bearbeiten wir vier Forschungsfragen und zeigen zunächst die Anwendbarkeit proxy-basierter Haptik durch den Einsatz der Technik zur Datenexploration. Anschließend untersuchen wir in drei Schritten, wie VR-Systeme mehr Kontrolle über haptische Eindrücke von Nutzern erhalten können. Hierzu stellen wir Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) vor, sowie zwei Verfahren, die kinästhetische Eindrücke wie virtuelles Gewicht und Form durch Gewichtsverlagerung und Veränderung des Luftwiderstandes von Requisiten vermitteln. Zusätzlich untersuchen wir, wie visuell-haptische Illusionen die Hand des Nutzers beim Greifen nach Requisiten unbemerkt umlenken können. Dabei stellen wir einen neuen Algorithmus zur Body Warping-based Hand Redirection (HR), ein Open-Source-Framework, sowie psychophysische Erkenntnisse vor. Abschließend zeigen wir, dass die Kombination von DPHF und HR proxy-basierte Haptik noch flexibler machen kann, als es die einzelnen Techniken alleine können