Design and recognition of microgestures for always-available input

Abstract

Gestural user interfaces for computing devices most commonly require the user to have at least one hand free to interact with the device, for example, moving a mouse, touching a screen, or performing mid-air gestures. Consequently, users find it difficult to operate computing devices while holding or manipulating everyday objects. This limits the users from interacting with the digital world during a significant portion of their everyday activities, such as, using tools in the kitchen or workshop, carrying items, or workout with sports equipment. This thesis pushes the boundaries towards the bigger goal of enabling always-available input. Microgestures have been recognized for their potential to facilitate direct and subtle interactions. However, it remains an open question how to interact using gestures with computing devices when both of the user’s hands are occupied holding everyday objects. We take a holistic approach and focus on three core contributions: i) To understand end-users preferences, we present an empirical analysis of users’ choice of microgestures when holding objects of diverse geometries. Instead of designing a gesture set for a specific object or geometry and to identify gestures that generalize, this thesis leverages the taxonomy of grasp types established from prior research. ii) We tackle the critical problem of avoiding false activation by introducing a novel gestural input concept that leverages a single-finger movement, which stands out from everyday finger motions during holding and manipulating objects. Through a data-driven approach, we also systematically validate the concept’s robustness with different everyday actions. iii) While full sensor coverage on the user’s hand would allow detailed hand-object interaction, minimal instrumentation is desirable for real-world use. This thesis addresses the problem of identifying sparse sensor layouts. We present the first rapid computational method, along with a GUI-based design tool that enables iterative design based on the designer’s high-level requirements. Furthermore, we demonstrate that minimal form-factor devices, like smart rings, can be used to effectively detect microgestures in hands-free and busy scenarios. Overall, the presented findings will serve as both conceptual and technical foundations for enabling interaction with computing devices wherever and whenever users need them.

Benutzerschnittstellen für Computergeräte auf Basis von Gesten erfordern für eine Interaktion meist mindestens eine freie Hand, z.B. um eine Maus zu bewegen, einen Bildschirm zu berühren oder Gesten in der Luft auszuführen. Daher ist es für Nutzer schwierig, Geräte zu bedienen, während sie Gegenstände halten oder manipulieren. Dies schränkt die Interaktion mit der digitalen Welt während eines Großteils ihrer alltäglichen Aktivitäten ein, etwa wenn sie Küchengeräte oder Werkzeug verwenden, Gegenstände tragen oder mit Sportgeräten trainieren. Diese Arbeit erforscht neue Wege in Richtung des größeren Ziels, immer verfügbare Eingaben zu ermöglichen. Das Potential von Mikrogesten für die Erleichterung von direkten und feinen Interaktionen wurde bereits erkannt. Die Frage, wie der Nutzer mit Geräten interagiert, wenn beide Hände mit dem Halten von Gegenständen belegt sind, bleibt jedoch offen. Wir verfolgen einen ganzheitlichen Ansatz und konzentrieren uns auf drei Kernbeiträge: i) Um die Präferenzen der Endnutzer zu verstehen, präsentieren wir eine empirische Analyse der Wahl von Mikrogesten beim Halten von Objekte mit diversen Geometrien. Anstatt einen Satz an Gesten für ein bestimmtes Objekt oder eine bestimmte Geometrie zu entwerfen, nutzt diese Arbeit die aus früheren Forschungen stammenden Taxonomien an Griff-Typen. ii) Wir adressieren das Problem falscher Aktivierungen durch ein neuartiges Eingabekonzept, das die sich von alltäglichen Fingerbewegungen abhebende Bewegung eines einzelnen Fingers nutzt. Durch einen datengesteuerten Ansatz validieren wir zudem systematisch die Robustheit des Konzepts bei diversen alltäglichen Aktionen. iii) Auch wenn eine vollständige Sensorabdeckung an der Hand des Nutzers eine detaillierte Hand-Objekt-Interaktion ermöglichen würde, ist eine minimale Ausstattung für den Einsatz in der realen Welt wünschenswert. Diese Arbeit befasst sich mit der Identifizierung reduzierter Sensoranordnungen. Wir präsentieren die erste, schnelle Berechnungsmethode in einem GUI-basierten Designtool, das iteratives Design basierend auf den Anforderungen des Designers ermöglicht. Wir zeigen zudem, dass Geräte mit minimalem Formfaktor wie smarte Ringe für die Erkennung von Mikrogesten verwendet werden können. Insgesamt dienen die vorgestellten Ergebnisse sowohl als konzeptionelle als auch als technische Grundlage für die Realisierung von Interaktion mit Computergeräten wo und wann immer Nutzer sie benötigen.