Generation of Vibrotactile Feedback for Enhancing Collision Awareness and Quality of Experience in First-person View Videos

要約のみTohoku University昆陽雅司課

一人称視点ビデオにおける接触検知と体験の質を高める触覚フィードバックの生成

要約のみTohoku University昆陽雅司課

HapticHead - Augmenting Reality via Tactile Cues

Information overload is increasingly becoming a challenge in today's world. Humans have only a limited amount of attention to allocate between sensory channels and tend to miss or misjudge critical sensory information when multiple activities are going on at the same time. For example, people may miss the sound of an approaching car when walking across the street while looking at their smartphones. Some sensory channels may also be impaired due to congenital or acquired conditions. Among sensory channels, touch is often experienced as obtrusive, especially when it occurs unexpectedly. Since tactile actuators can simulate touch, targeted tactile stimuli can provide users of virtual reality and augmented reality environments with important information for navigation, guidance, alerts, and notifications. In this dissertation, a tactile user interface around the head is presented to relieve or replace a potentially impaired visual channel, called \emph{HapticHead}. It is a high-resolution, omnidirectional, vibrotactile display that presents general, 3D directional, and distance information through dynamic tactile patterns. The head is well suited for tactile feedback because it is sensitive to mechanical stimuli and provides a large spherical surface area that enables the display of precise 3D information and allows the user to intuitively rotate the head in the direction of a stimulus based on natural mapping. Basic research on tactile perception on the head and studies on various use cases of head-based tactile feedback are presented in this thesis. Several investigations and user studies have been conducted on (a) the funneling illusion and localization accuracy of tactile stimuli around the head, (b) the ability of people to discriminate between different tactile patterns on the head, (c) approaches to designing tactile patterns for complex arrays of actuators, (d) increasing the immersion and presence level of virtual reality applications, and (e) assisting people with visual impairments in guidance and micro-navigation. In summary, tactile feedback around the head was found to be highly valuable as an additional information channel in various application scenarios. Most notable is the navigation of visually impaired individuals through a micro-navigation obstacle course, which is an order of magnitude more accurate than the previous state-of-the-art, which used a tactile belt as a feedback modality. The HapticHead tactile user interface's ability to safely navigate people with visual impairments around obstacles and on stairs with a mean deviation from the optimal path of less than 6~cm may ultimately improve the quality of life for many people with visual impairments.Die Informationsüberlastung wird in der heutigen Welt zunehmend zu einer Herausforderung. Der Mensch hat nur eine begrenzte Menge an Aufmerksamkeit, die er zwischen den Sinneskanälen aufteilen kann, und neigt dazu, kritische Sinnesinformationen zu verpassen oder falsch einzuschätzen, wenn mehrere Aktivitäten gleichzeitig ablaufen. Zum Beispiel können Menschen das Geräusch eines herannahenden Autos überhören, wenn sie über die Straße gehen und dabei auf ihr Smartphone schauen. Einige Sinneskanäle können auch aufgrund von angeborenen oder erworbenen Erkrankungen beeinträchtigt sein. Unter den Sinneskanälen wird Berührung oft als aufdringlich empfunden, besonders wenn sie unerwartet auftritt. Da taktile Aktoren Berührungen simulieren können, können gezielte taktile Reize den Benutzern von Virtual- und Augmented Reality Anwendungen wichtige Informationen für die Navigation, Führung, Warnungen und Benachrichtigungen liefern. In dieser Dissertation wird eine taktile Benutzeroberfläche um den Kopf herum präsentiert, um einen möglicherweise beeinträchtigten visuellen Kanal zu entlasten oder zu ersetzen, genannt \emph{HapticHead}. Es handelt sich um ein hochauflösendes, omnidirektionales, vibrotaktiles Display, das allgemeine, 3D-Richtungs- und Entfernungsinformationen durch dynamische taktile Muster darstellt. Der Kopf eignet sich gut für taktiles Feedback, da er empfindlich auf mechanische Reize reagiert und eine große sphärische Oberfläche bietet, die die Darstellung präziser 3D-Informationen ermöglicht und es dem Benutzer erlaubt, den Kopf aufgrund der natürlichen Zuordnung intuitiv in die Richtung eines Reizes zu drehen. Grundlagenforschung zur taktilen Wahrnehmung am Kopf und Studien zu verschiedenen Anwendungsfällen von kopfbasiertem taktilem Feedback werden in dieser Arbeit vorgestellt. Mehrere Untersuchungen und Nutzerstudien wurden durchgeführt zu (a) der Funneling Illusion und der Lokalisierungsgenauigkeit von taktilen Reizen am Kopf, (b) der Fähigkeit von Menschen, zwischen verschiedenen taktilen Mustern am Kopf zu unterscheiden, (c) Ansätzen zur Gestaltung taktiler Muster für komplexe Arrays von Aktoren, (d) der Erhöhung des Immersions- und Präsenzgrades von Virtual-Reality-Anwendungen und (e) der Unterstützung von Menschen mit Sehbehinderungen bei der Führung und Mikronavigation. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass taktiles Feedback um den Kopf herum als zusätzlicher Informationskanal in verschiedenen Anwendungsszenarien sehr wertvoll ist. Am interessantesten ist die Navigation von sehbehinderten Personen durch einen Mikronavigations-Hindernisparcours, welche um eine Größenordnung präziser ist als der bisherige Stand der Technik, der einen taktilen Gürtel als Feedback-Modalität verwendete. Die Fähigkeit der taktilen Benutzerschnittstelle HapticHead, Menschen mit Sehbehinderungen mit einer mittleren Abweichung vom optimalen Pfad von weniger als 6~cm sicher um Hindernisse und auf Treppen zu navigieren, kann letztendlich die Lebensqualität vieler Menschen mit Sehbehinderungen verbessern

Sonic Interactions in Virtual Environments

This open access book tackles the design of 3D spatial interactions in an audio-centered and audio-first perspective, providing the fundamental notions related to the creation and evaluation of immersive sonic experiences. The key elements that enhance the sensation of place in a virtual environment (VE) are: Immersive audio: the computational aspects of the acoustical-space properties of Virutal Reality (VR) technologies Sonic interaction: the human-computer interplay through auditory feedback in VE VR systems: naturally support multimodal integration, impacting different application domains Sonic Interactions in Virtual Environments will feature state-of-the-art research on real-time auralization, sonic interaction design in VR, quality of the experience in multimodal scenarios, and applications. Contributors and editors include interdisciplinary experts from the fields of computer science, engineering, acoustics, psychology, design, humanities, and beyond. Their mission is to shape an emerging new field of study at the intersection of sonic interaction design and immersive media, embracing an archipelago of existing research spread in different audio communities and to increase among the VR communities, researchers, and practitioners, the awareness of the importance of sonic elements when designing immersive environments

Sonic interactions in virtual environments

This book tackles the design of 3D spatial interactions in an audio-centered and audio-first perspective, providing the fundamental notions related to the creation and evaluation of immersive sonic experiences. The key elements that enhance the sensation of place in a virtual environment (VE) are: Immersive audio: the computational aspects of the acoustical-space properties of Virutal Reality (VR) technologies Sonic interaction: the human-computer interplay through auditory feedback in VE VR systems: naturally support multimodal integration, impacting different application domains Sonic Interactions in Virtual Environments will feature state-of-the-art research on real-time auralization, sonic interaction design in VR, quality of the experience in multimodal scenarios, and applications. Contributors and editors include interdisciplinary experts from the fields of computer science, engineering, acoustics, psychology, design, humanities, and beyond. Their mission is to shape an emerging new field of study at the intersection of sonic interaction design and immersive media, embracing an archipelago of existing research spread in different audio communities and to increase among the VR communities, researchers, and practitioners, the awareness of the importance of sonic elements when designing immersive environments

Sonic Interactions in Virtual Environments

This open access book tackles the design of 3D spatial interactions in an audio-centered and audio-first perspective, providing the fundamental notions related to the creation and evaluation of immersive sonic experiences. The key elements that enhance the sensation of place in a virtual environment (VE) are: Immersive audio: the computational aspects of the acoustical-space properties of Virutal Reality (VR) technologies Sonic interaction: the human-computer interplay through auditory feedback in VE VR systems: naturally support multimodal integration, impacting different application domains Sonic Interactions in Virtual Environments will feature state-of-the-art research on real-time auralization, sonic interaction design in VR, quality of the experience in multimodal scenarios, and applications. Contributors and editors include interdisciplinary experts from the fields of computer science, engineering, acoustics, psychology, design, humanities, and beyond. Their mission is to shape an emerging new field of study at the intersection of sonic interaction design and immersive media, embracing an archipelago of existing research spread in different audio communities and to increase among the VR communities, researchers, and practitioners, the awareness of the importance of sonic elements when designing immersive environments

Enhanced Virtuality: Increasing the Usability and Productivity of Virtual Environments

Mit stetig steigender Bildschirmauflösung, genauerem Tracking und fallenden Preisen stehen Virtual Reality (VR) Systeme kurz davor sich erfolgreich am Markt zu etablieren. Verschiedene Werkzeuge helfen Entwicklern bei der Erstellung komplexer Interaktionen mit mehreren Benutzern innerhalb adaptiver virtueller Umgebungen. Allerdings entstehen mit der Verbreitung der VR-Systeme auch zusätzliche Herausforderungen: Diverse Eingabegeräte mit ungewohnten Formen und Tastenlayouts verhindern eine intuitive Interaktion. Darüber hinaus zwingt der eingeschränkte Funktionsumfang bestehender Software die Nutzer dazu, auf herkömmliche PC- oder Touch-basierte Systeme zurückzugreifen. Außerdem birgt die Zusammenarbeit mit anderen Anwendern am gleichen Standort Herausforderungen hinsichtlich der Kalibrierung unterschiedlicher Trackingsysteme und der Kollisionsvermeidung. Beim entfernten Zusammenarbeiten wird die Interaktion durch Latenzzeiten und Verbindungsverluste zusätzlich beeinflusst. Schließlich haben die Benutzer unterschiedliche Anforderungen an die Visualisierung von Inhalten, z.B. Größe, Ausrichtung, Farbe oder Kontrast, innerhalb der virtuellen Welten. Eine strikte Nachbildung von realen Umgebungen in VR verschenkt Potential und wird es nicht ermöglichen, die individuellen Bedürfnisse der Benutzer zu berücksichtigen. Um diese Probleme anzugehen, werden in der vorliegenden Arbeit Lösungen in den Bereichen Eingabe, Zusammenarbeit und Erweiterung von virtuellen Welten und Benutzern vorgestellt, die darauf abzielen, die Benutzerfreundlichkeit und Produktivität von VR zu erhöhen. Zunächst werden PC-basierte Hardware und Software in die virtuelle Welt übertragen, um die Vertrautheit und den Funktionsumfang bestehender Anwendungen in VR zu erhalten. Virtuelle Stellvertreter von physischen Geräten, z.B. Tastatur und Tablet, und ein VR-Modus für Anwendungen ermöglichen es dem Benutzer reale Fähigkeiten in die virtuelle Welt zu übertragen. Des Weiteren wird ein Algorithmus vorgestellt, der die Kalibrierung mehrerer ko-lokaler VR-Geräte mit hoher Genauigkeit und geringen Hardwareanforderungen und geringem Aufwand ermöglicht. Da VR-Headsets die reale Umgebung der Benutzer ausblenden, wird die Relevanz einer Ganzkörper-Avatar-Visualisierung für die Kollisionsvermeidung und das entfernte Zusammenarbeiten nachgewiesen. Darüber hinaus werden personalisierte räumliche oder zeitliche Modifikationen vorgestellt, die es erlauben, die Benutzerfreundlichkeit, Arbeitsleistung und soziale Präsenz von Benutzern zu erhöhen. Diskrepanzen zwischen den virtuellen Welten, die durch persönliche Anpassungen entstehen, werden durch Methoden der Avatar-Umlenkung (engl. redirection) kompensiert. Abschließend werden einige der Methoden und Erkenntnisse in eine beispielhafte Anwendung integriert, um deren praktische Anwendbarkeit zu verdeutlichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass virtuelle Umgebungen auf realen Fähigkeiten und Erfahrungen aufbauen können, um eine vertraute und einfache Interaktion und Zusammenarbeit von Benutzern zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen individuelle Erweiterungen des virtuellen Inhalts und der Avatare Einschränkungen der realen Welt zu überwinden und das Erlebnis von VR-Umgebungen zu steigern

In Touch with the Wild: Exploring Real-time Feedback for Learning to Play the Violin

Real-time feedback has great potential for enhancing learning complex motor-skills by enabling people to correct their mistakes as they go. Multimodal real-time cues could provide reinforcement to inform players whether they are making the correct or incorrect movements at a given time. However, little is known about how best to communicate information in real-time so that people can readily perceive and apply it to improving their movement while learning complex motor-skills. This thesis addresses this gap in knowledge by investigating how real-time feedback can enhance learning to play the violin. It explores how haptic and visual feedback are perceived, understood and acted upon in real-time when engaged in the primary task of playing the violin. Prototypes were built with sensors to measure movement and either vibrations on the body or visual signals as feedback. Three in-the-wild user studies were conducted: one comparing visual and vibrotactile feedback for individual practice; one investigating shared feedback at a musical summer school; and one examining real-time feedback as part of a programme of learning at a high school. In-the-wild studies investigate users interacting with technology in a naturalistic setting, with all the demands that this entails. The findings show real-time feedback is effective at improving violin technique and can support learning in other ways such as encouraging mutual support between learners. The positive learning outcomes, however, need to be understood with respect to the complex interplay between the technology, demands of the setting and characteristics of individual learners. A conceptual framework is provided that outlines these interdependent factors. The findings are discussed regarding their applicability to learning other physical skills and the challenges and insights of using an in-the-wild methodology. The contribution of this thesis is to demonstrate empirically and theoretically how real-time vibrotactile and visual feedback can enhance learning a complex motor-skill

Accessibility of Health Data Representations for Older Adults: Challenges and Opportunities for Design

Health data of consumer off-the-shelf wearable devices is often conveyed to users through visual data representations and analyses. However, this is not always accessible to people with disabilities or older people due to low vision, cognitive impairments or literacy issues. Due to trade-offs between aesthetics predominance or information overload, real-time user feedback may not be conveyed easily from sensor devices through visual cues like graphs and texts. These difficulties may hinder critical data understanding. Additional auditory and tactile feedback can also provide immediate and accessible cues from these wearable devices, but it is necessary to understand existing data representation limitations initially. To avoid higher cognitive and visual overload, auditory and haptic cues can be designed to complement, replace or reinforce visual cues. In this paper, we outline the challenges in existing data representation and the necessary evidence to enhance the accessibility of health information from personal sensing devices used to monitor health parameters such as blood pressure, sleep, activity, heart rate and more. By creating innovative and inclusive user feedback, users will likely want to engage and interact with new devices and their own data