User experience with immersive and interactive media = Experiencia de usuario en entornos 3D inmersivos e interactivos

Estudios recientes promueven la integración de estímulos multisensoriales en activos multimedia con el fin de mejorar la experiencia de usuario mediante la estimulación de nuevos sentidos, más allá de la tradicional experiencia audiovisual. Del mismo modo, varios trabajos proponen la introducción de componentes de interacción capaces de complementar con nuevas características, funcionalidades y/o información la experiencia multimedia. Efectos sensoriales basados en el uso de nuevas técnicas de audio, olores, viento, vibraciones y control de la iluminación, han demostrado tener un impacto favorable en la sensación de Presencia, en el disfrute de la experiencia multimedia y en la calidad, relevancia y realismo de la misma percibidos por el usuario. Asimismo, los servicios basados en dos pantallas y la manipulación directa de (elementos en) la escena de video tienen el potencial de mejorar la comprensión, la concentración y la implicación proactiva del usuario en la experiencia multimedia. El deporte se encuentra entre los géneros con mayor potencial para integrar y explotar éstas soluciones tecnológicas. Trabajos previos han demostrado asimismo la viabilidad técnica de integrar éstas tecnologías con los estándares actualmente adoptados a lo largo de toda la cadena de transmisión de televisión. De este modo, los sistemas multimedia enriquecidos con efectos sensoriales, los servicios interactivos multiplataforma y un mayor control del usuario sobre la escena de vídeo emergen como nuevas formas de llevar la multimedia immersiva e interactiva al mercado de consumo de forma no disruptiva. Sin embargo, existen numerosas interrogantes relativas a los efectos sensoriales y/o soluciones interactivas más adecuadas para complementar un contenido audiovisual determinado o a la mejor manera de de integrar y combinar dichos componentes para mejorar la experiencia de usuario de un segmento de audiencia objetivo. Además, la evidencia científica sobre el impacto de factores humanos en la experiencia de usuario con estas nuevas formas de immersión e interacción en el contexto multimedia es aún insuficiente y en ocasiones, contradictoria. Así, el papel de éstos factores en el potencial de adopción de éstas tecnologías ha sido amplia-mente ignorado. La presente tesis analiza el impacto del audio binaural, efectos sensoriales (de iluminación y olfativos), interacción con objetos 3D integrados en la escena de vídeo e interacción con contenido adicional utilizando una segunda pantalla en la experiencia de usuario con contenidos de deporte. La posible influencia de dichos componentes en las variables dependientes se explora tanto a nivel global (efecto promedio) como en función de las características de los usuarios (efectos heterogéneos). Para ello, se ha llevado a cabo un experimento con usuarios orientado a explorar la influencia de éstos componentes immersivos e interactivos en dos grandes dimensiones de la experiencia multimedia: calidad y Presencia. La calidad de la experiencia multimedia se analiza en términos de las posibles variaciones asociadas a la calidad global y a la calidad del contenido, la imagen, el audio, los efectos sensoriales, la interacción con objetos 3D y la interacción con la segunda pantalla. El posible impacto en la Presencia considera dos de las dimensiones definidas por el cuestionario ITC-SOPI: Presencia Espacial (Spatial Presence) e Implicación (Engagement). Por último, los individuos son caracterizados teniendo en cuenta los siguientes atributos afectivos, cognitivos y conductuales: preferencias y hábitos en relación con el contenido, grado de conocimiento de las tecnologías integradas en el sistema, tendencia a involucrarse emocionalmente, tendencia a concentrarse en una actividad bloqueando estímulos externos y los cinco grandes rasgos de la personalidad: extroversión, amabilidad, responsabilidad, inestabilidad emocional y apertura a nuevas experiencias. A nivel global, nuestro estudio revela que los participantes prefieren el audio binaural frente al sistema estéreo y que los efectos sensoriales generan un aumento significativo del nivel de Presencia Espacial percibido por los usuarios. Además, las manipulaciones experimentales realizadas permitieron identificar una gran variedad de efectos heterogéneos. Un resultado interesante es que dichos efectos no se encuentran distribuidos de forma equitativa entre las medidas de calidad y Presencia. Nuestros datos revelan un impacto generalizado del audio binaural en la mayoría de las medidas de calidad y Presencia analizadas. En cambio, la influencia de los efectos sensoriales y de la interacción con la segunda pantalla se concentran en las medidas de Presencia y calidad, respectivamente. La magnitud de los efectos heterogéneos identificados está modulada por las siguientes características personales: preferencias en relación con el contenido, frecuencia con la que el usuario suele ver contenido similar, conocimiento de las tecnologías integradas en el demostrador, sexo, tendencia a involucrarse emocionalmente, tendencia a a concentrarse en una actividad bloqueando estímulos externos y niveles de amabilidad, responsabilidad y apertura a nuevas experiencias. Las características personales consideradas en nuestro experimento explicaron la mayor parte de la variación en las variables dependientes, confirmando así el importante (y frecuentemente ignorado) papel de las diferencias individuales en la experiencia multimedia. Entre las características de los usuarios con un impacto más generalizado se encuentran las preferencias en relación con el contenido, el grado de conocimiento de las tecnologías integradas en el sistema y la tendencia a involucrarse emocionalmente. En particular, los primeros dos factores parecen generar un conflicto de atención hacia el contenido versus las características/elementos técnicos del sistema, respectivamente. Asimismo, la experiencia multimedia de los fans del fútbol parece estar modulada por procesos emociona-les, mientras que para los no-fans predominan los procesos cognitivos, en particular aquellos directamente relacionados con la percepción de calidad. Abstract Recent studies encourage the integration of multi-sensorial stimuli into multimedia assets to enhance the user experience by stimulating other senses beyond sight and hearing. Similarly, the introduction of multi-modal interaction components complementing with new features, functionalities and/or information the multimedia experience is promoted. Sensory effects as odor, wind, vibration and light effects, as well as an enhanced audio quality, have been found to favour media enjoyment and to have a positive influence on the sense of Presence and on the perceived quality, relevance and reality of a multimedia experience. Two-screen services and a direct manipulation of (elements in) the video scene have the potential to enhance user comprehension, engagement and proactive involvement of/in the media experience. Sports is among the genres that could benefit the most from these solutions. Previous works have demonstrated the technical feasibility of implementing and deploying end-to-end solutions integrating these technologies into legacy systems. Thus, sensorially-enhanced media, two-screen services and an increased user control over the displayed scene emerge as means to deliver a new form of immersive and interactive media experiences to the mass market in a non-disruptive manner. However, many questions remain concerning issues as the specific interactive solutions or sensory effects that can better complement a given audiovisual content or the best way in which to integrate and combine them to enhance the user experience of a target audience segment. Furthermore, scientific evidence on the impact of human factors on the user experience with these new forms of immersive and interactive media is still insufficient and sometimes, contradictory. Thus, the role of these factors on the potential adoption of these technologies has been widely ignored. This thesis analyzes the impact of binaural audio, sensory (light and olfactory) effects, interaction with 3D objects integrated into the video scene and interaction with additional content using a second screen on the sports media experience. The potential influence of these components on the dependent variables is explored both at the overall level (average effect) and as a function of users’ characteristics (heterogeneous effects). To these aims, we conducted an experimental study exploring the influence of these immersive and interactive elements on the quality and Presence dimensions of the media experience. Along the quality dimension, we look for possible variations on the quality scores as-signed to the overall media experience and to the media components content, image, audio, sensory effects, interaction with 3D objects and interaction using the tablet device. The potential impact on Presence is analyzed by looking at two of the four dimensions defined by the ITC-SOPI questionnaire, namely Spatial Presence and Engagement. The users’ characteristics considered encompass the following personal affective, cognitive and behavioral attributes: preferences and habits in relation to the content, knowledge of the involved technologies, tendency to get emotionally involved and tendency to get absorbed in an activity and block out external distractors and the big five personality traits extraversion, agreeableness, conscientiousness, neuroticism and openness to experience. At the overall level, we found that participants preferred binaural audio than standard stereo audio and that sensory effects increase significantly the level of Spatial Presence. Several heterogeneous effects were also revealed as a result of our experimental manipulations. Interestingly, these effects were not equally distributed across the quality and Presence measures analyzed. Whereas binaural audio was foud to have an influence on the majority of the quality and Presence measures considered, the effects of sensory effects and of interaction with additional content through the tablet device concentrate mainly on the dimensions of Presence and on quality measures, respectively. The magnitude of these effects was modulated by individual’s characteristics, such as: preferences in relation to the content, frequency of viewing similar content, knowledge of involved technologies, gender, tendency to get emotionally involved, tendency to absorption and levels of agreeableness, conscientiousness and openness to experience. The personal characteristics collected in our experiment explained most of the variation in the dependent variables, confirming the frequently neglected role of individual differences on the media experience. Preferences in relation to the content, knowledge of involved technologies and tendency to get emotionally involved were among the user variables with the most generalized influence. In particular, the former two features seem to present a conflict in the allocation of attentional resources towards the media content versus the technical features of the system, respectively. Additionally, football fans’ experience seems to be modulated by emotional processes whereas for not fans, cognitive processes (and in particular those related to quality judgment) prevail.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.