Interacting "Through the Display"

The increasing availability of displays at lower costs has led to a proliferation of such in our everyday lives. Additionally, mobile devices are ready to hand and have been proposed as interaction devices for external screens. However, only their input mechanism was taken into account without considering three additional factors in environments hosting several displays: first, a connection needs to be established to the desired target display (modality). Second, screens in the environment may be re-arranged (flexibility). And third, displays may be out of the user’s reach (distance). In our research we aim to overcome the problems resulting from these characteristics. The overall goal is a new interaction model that allows for (1) a non-modal connection mechanism for impromptu use on various displays in the environment, (2) interaction on and across displays in highly flexible environments, and (3) interacting at variable distances. In this work we propose a new interaction model called through the display interaction which enables users to interact with remote content on their personal device in an absolute and direct fashion. To gain a better understanding of the effects of the additional characteristics, we implemented two prototypes each of which investigates a different distance to the target display: LucidDisplay allows users to place their mobile device directly on top of a larger external screen. MobileVue on the other hand enables users to interact with an external screen at a distance. In each of these prototypes we analyzed their effects on the remaining two criteria – namely the modality of the connection mechanism as well as the flexibility of the environment. With the findings gained in this initial phase we designed Shoot & Copy, a system that allows the detection of screens purely based on their visual content. Users aim their personal device’s camera at the target display which then appears in live video shown in the viewfinder. To select an item, users take a picture which is analyzed to determine the targeted region. We further extended this approach to multiple displays by using a centralized component serving as gateway to the display environment. In Tap & Drop we refined this prototype to support real-time feedback. Instead of taking pictures, users can now aim their mobile device at the display resulting and start interacting immediately. In doing so, we broke the rigid sequential interaction of content selection and content manipulation. Both prototypes allow for (1) connections in a non-modal way (i.e., aim at the display and start interacting with it) from the user’s point of view and (2) fully flexible environments (i.e., the mobile device tracks itself with respect to displays in the environment). However, the wide-angle lenses and thus greater field of views of current mobile devices still do not allow for variable distances. In Touch Projector, we overcome this limitation by introducing zooming in combination with temporarily freezing the video image. Based on our extensions to taxonomy of mobile device interaction on external displays, we created a refined model of interacting through the display for mobile use. It enables users to interact impromptu without explicitly establishing a connection to the target display (non-modal). As the mobile device tracks itself with respect to displays in the environment, the model further allows for full flexibility of the environment (i.e., displays can be re-arranged without affecting on the interaction). And above all, users can interact with external displays regardless of their actual size at variable distances without any loss of accuracy.Die steigende Verfügbarkeit von Bildschirmen hat zu deren Verbreitung in unserem Alltag geführt. Ferner sind mobile Geräte immer griffbereit und wurden bereits als Interaktionsgeräte für zusätzliche Bildschirme vorgeschlagen. Es wurden jedoch nur Eingabemechanismen berücksichtigt ohne näher auf drei weitere Faktoren in Umgebungen mit mehreren Bildschirmen einzugehen: (1) Beide Geräte müssen verbunden werden (Modalität). (2) Bildschirme können in solchen Umgebungen umgeordnet werden (Flexibilität). (3) Monitore können außer Reichweite sein (Distanz). Wir streben an, die Probleme, die durch diese Eigenschaften auftreten, zu lösen. Das übergeordnete Ziel ist ein Interaktionsmodell, das einen nicht-modalen Verbindungsaufbau für spontane Verwendung von Bildschirmen in solchen Umgebungen, (2) Interaktion auf und zwischen Bildschirmen in flexiblen Umgebungen, und (3) Interaktionen in variablen Distanzen erlaubt. Wir stellen ein Modell (Interaktion durch den Bildschirm) vor, mit dem Benutzer mit entfernten Inhalten in direkter und absoluter Weise auf ihrem Mobilgerät interagieren können. Um die Effekte der hinzugefügten Charakteristiken besser zu verstehen, haben wir zwei Prototypen für unterschiedliche Distanzen implementiert: LucidDisplay erlaubt Benutzern ihr mobiles Gerät auf einen größeren, sekundären Bildschirm zu legen. Gegensätzlich dazu ermöglicht MobileVue die Interaktion mit einem zusätzlichen Monitor in einer gewissen Entfernung. In beiden Prototypen haben wir dann die Effekte der verbleibenden zwei Kriterien (d.h. Modalität des Verbindungsaufbaus und Flexibilität der Umgebung) analysiert. Mit den in dieser ersten Phase erhaltenen Ergebnissen haben wir Shoot & Copy entworfen. Dieser Prototyp erlaubt die Erkennung von Bildschirmen einzig über deren visuellen Inhalt. Benutzer zeigen mit der Kamera ihres Mobilgeräts auf einen Bildschirm dessen Inhalt dann in Form von Video im Sucher dargestellt wird. Durch die Aufnahme eines Bildes (und der darauf folgenden Analyse) wird Inhalt ausgewählt. Wir haben dieses Konzept zudem auf mehrere Bildschirme erweitert, indem wir eine zentrale Instanz verwendet haben, die als Schnittstelle zur Umgebung agiert. Mit Tap & Drop haben wir den Prototyp verfeinert, um Echtzeit-Feedback zu ermöglichen. Anstelle der Bildaufnahme können Benutzer nun ihr mobiles Gerät auf den Bildschirm richten und sofort interagieren. Dadurch haben wir die strikt sequentielle Interaktion (Inhalt auswählen und Inhalt manipulieren) aufgebrochen. Beide Prototypen erlauben bereits nicht-modale Verbindungsmechanismen in flexiblen Umgebungen. Die in heutigen Mobilgeräten verwendeten Weitwinkel-Objektive erlauben jedoch nach wie vor keine variablen Distanzen. Mit Touch Projector beseitigen wir diese Einschränkung, indem wir Zoomen in Kombination mit einer vorübergehenden Pausierung des Videos im Sucher einfügen. Basierend auf den Erweiterungen der Klassifizierung von Interaktionen mit zusätzlichen Bildschirmen durch mobile Geräte haben wir ein verbessertes Modell (Interaktion durch den Bildschirm) erstellt. Es erlaubt Benutzern spontan zu interagieren, ohne explizit eine Verbindung zum zweiten Bildschirm herstellen zu müssen (nicht-modal). Da das mobile Gerät seinen räumlichen Bezug zu allen Bildschirmen selbst bestimmt, erlaubt unser Modell zusätzlich volle Flexibilität in solchen Umgebungen. Darüber hinaus können Benutzer mit zusätzlichen Bildschirmen (unabhängig von deren Größe) in variablen Entfernungen interagieren

Spatial Interaction for Immersive Mixed-Reality Visualizations

Growing amounts of data, both in personal and professional settings, have caused an increased interest in data visualization and visual analytics. Especially for inherently three-dimensional data, immersive technologies such as virtual and augmented reality and advanced, natural interaction techniques have been shown to facilitate data analysis. Furthermore, in such use cases, the physical environment often plays an important role, both by directly influencing the data and by serving as context for the analysis. Therefore, there has been a trend to bring data visualization into new, immersive environments and to make use of the physical surroundings, leading to a surge in mixed-reality visualization research. One of the resulting challenges, however, is the design of user interaction for these often complex systems. In my thesis, I address this challenge by investigating interaction for immersive mixed-reality visualizations regarding three core research questions: 1) What are promising types of immersive mixed-reality visualizations, and how can advanced interaction concepts be applied to them? 2) How does spatial interaction benefit these visualizations and how should such interactions be designed? 3) How can spatial interaction in these immersive environments be analyzed and evaluated? To address the first question, I examine how various visualizations such as 3D node-link diagrams and volume visualizations can be adapted for immersive mixed-reality settings and how they stand to benefit from advanced interaction concepts. For the second question, I study how spatial interaction in particular can help to explore data in mixed reality. There, I look into spatial device interaction in comparison to touch input, the use of additional mobile devices as input controllers, and the potential of transparent interaction panels. Finally, to address the third question, I present my research on how user interaction in immersive mixed-reality environments can be analyzed directly in the original, real-world locations, and how this can provide new insights. Overall, with my research, I contribute interaction and visualization concepts, software prototypes, and findings from several user studies on how spatial interaction techniques can support the exploration of immersive mixed-reality visualizations.Zunehmende Datenmengen, sowohl im privaten als auch im beruflichen Umfeld, führen zu einem zunehmenden Interesse an Datenvisualisierung und visueller Analyse. Insbesondere bei inhärent dreidimensionalen Daten haben sich immersive Technologien wie Virtual und Augmented Reality sowie moderne, natürliche Interaktionstechniken als hilfreich für die Datenanalyse erwiesen. Darüber hinaus spielt in solchen Anwendungsfällen die physische Umgebung oft eine wichtige Rolle, da sie sowohl die Daten direkt beeinflusst als auch als Kontext für die Analyse dient. Daher gibt es einen Trend, die Datenvisualisierung in neue, immersive Umgebungen zu bringen und die physische Umgebung zu nutzen, was zu einem Anstieg der Forschung im Bereich Mixed-Reality-Visualisierung geführt hat. Eine der daraus resultierenden Herausforderungen ist jedoch die Gestaltung der Benutzerinteraktion für diese oft komplexen Systeme. In meiner Dissertation beschäftige ich mich mit dieser Herausforderung, indem ich die Interaktion für immersive Mixed-Reality-Visualisierungen im Hinblick auf drei zentrale Forschungsfragen untersuche: 1) Was sind vielversprechende Arten von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen, und wie können fortschrittliche Interaktionskonzepte auf sie angewendet werden? 2) Wie profitieren diese Visualisierungen von räumlicher Interaktion und wie sollten solche Interaktionen gestaltet werden? 3) Wie kann räumliche Interaktion in diesen immersiven Umgebungen analysiert und ausgewertet werden? Um die erste Frage zu beantworten, untersuche ich, wie verschiedene Visualisierungen wie 3D-Node-Link-Diagramme oder Volumenvisualisierungen für immersive Mixed-Reality-Umgebungen angepasst werden können und wie sie von fortgeschrittenen Interaktionskonzepten profitieren. Für die zweite Frage untersuche ich, wie insbesondere die räumliche Interaktion bei der Exploration von Daten in Mixed Reality helfen kann. Dabei betrachte ich die Interaktion mit räumlichen Geräten im Vergleich zur Touch-Eingabe, die Verwendung zusätzlicher mobiler Geräte als Controller und das Potenzial transparenter Interaktionspanels. Um die dritte Frage zu beantworten, stelle ich schließlich meine Forschung darüber vor, wie Benutzerinteraktion in immersiver Mixed-Reality direkt in der realen Umgebung analysiert werden kann und wie dies neue Erkenntnisse liefern kann. Insgesamt trage ich mit meiner Forschung durch Interaktions- und Visualisierungskonzepte, Software-Prototypen und Ergebnisse aus mehreren Nutzerstudien zu der Frage bei, wie räumliche Interaktionstechniken die Erkundung von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen unterstützen können

Cross-Device Taxonomy:Survey, Opportunities and Challenges of Interactions Spanning Across Multiple Devices

Designing interfaces or applications that move beyond the bounds of a single device screen enables new ways to engage with digital content. Research addressing the opportunities and challenges of interactions with multiple devices in concert is of continued focus in HCI research. To inform the future research agenda of this field, we contribute an analysis and taxonomy of a corpus of 510 papers in the cross- device computing domain. For both new and experienced researchers in the field we provide: an overview, historic trends and unified terminology of cross-device research; discussion of major and under-explored application areas; mapping of enabling technologies; synthesis of key interaction techniques spanning across multiple devices; and review of common evaluation strategies. We close with a discussion of open issues. Our taxonomy aims to create a unified terminology and common understanding for researchers in order to facilitate and stimulate future cross-device research