Quantifying epistemic actions in human-computer interaction

As digital systems move away from traditional desktop setups, new interaction paradigms are emerging that better integrate with users’ realworld surroundings, and better support users’ individual needs. While promising, these modern interaction paradigms also present new challenges, such as a lack of paradigm-specific tools to systematically evaluate and fully understand their use. This dissertation tackles this issue by framing empirical studies of three novel digital systems in embodied cognition – an exciting new perspective in cognitive science where the body and its interactions with the physical world take a central role in human cognition. This is achieved by first, focusing the design of all these systems on a contemporary interaction paradigm that emphasizes physical interaction on tangible interaction, a contemporary interaction paradigm; and second, by comprehensively studying user performance in these systems through a set of novel performance metrics grounded on epistemic actions, a relatively well established and studied construct in the literature on embodied cognition. The first system presented in this dissertation is an augmented Four-in-a-row board game. Three different versions of the game were developed, based on three different interaction paradigms (tangible, touch and mouse), and a repeated measures study involving 36 participants measured the occurrence of three simple epistemic actions across these three interfaces. The results highlight the relevance of epistemic actions in such a task and suggest that the different interaction paradigms afford instantiation of these actions in different ways. Additionally, the tangible version of the system supports the most rapid execution of these actions, providing novel quantitative insights into the real benefits of tangible systems. The second system presented in this dissertation is a tangible tabletop scheduling application. Two studies with single and paired users provide several insights into the impact of epistemic actions on the user experience when these are performed outside of a system’s sensing boundaries. These insights are clustered by the form, size and location of ideal interface areas for such offline epistemic actions to occur, as well as how can physical tokens be designed to better support them. Finally, and based on the results obtained to this point, the last study presented in this dissertation directly addresses the lack of empirical tools to formally evaluate tangible interaction. It presents a video-coding framework grounded on a systematic literature review of 78 papers, and evaluates its value as metric through a 60 participant study performed across three different research laboratories. The results highlight the usefulness and power of epistemic actions as a performance metric for tangible systems. In sum, through the use of such novel metrics in each of the three studies presented, this dissertation provides a better understanding of the real impact and benefits of designing and developing systems that feature tangible interaction.

A multimodal tablet-based interface for designing and reviewing 3D engineering models

The ability to view and interact with 3D models has been happening for a long time. However, vision-based 3D modeling has only seen limited success in applications, as it faces many technical challenges. Hand-held mobile devices have changed the way we interact with virtual reality environments. Their high mobility and technical features, such as inertial sensors, cameras and fast processors, are especially attractive for advancing the state of the art in virtual reality systems. Also, their ubiquity and fast Internet connection open a path to distributed and collaborative development. However, such path has not been fully explored in many domains. VR systems for real world engineering contexts are still difficult to use, especially when geographically dispersed engineering teams need to collaboratively visualize and review 3D CAD models. Another challenge is the ability to rendering these environments at the required interactive rates and with high fidelity. In this document it is presented a virtual reality system mobile for visualization, navigation and reviewing large scale 3D CAD models, held under the CEDAR (Collaborative Engineering Design and Review) project. It’s focused on interaction using different navigation modes. The system uses the mobile device's inertial sensors and camera to allow users to navigate through large scale models. IT professionals, architects, civil engineers and oil industry experts were involved in a qualitative assessment of the CEDAR system, in the form of direct user interaction with the prototypes and audio-recorded interviews about the prototypes. The lessons learned are valuable and are presented on this document. Subsequently it was prepared a quantitative study on the different navigation modes to analyze the best mode to use it in a given situation.

Controlo de estufagem do Vinho Madeira em escala piloto

Um dos processos de envelhecimento do Vinho Madeira é a “Estufagem” realizada através da circulação de água aquecida a uma determinada temperatura por um sistema de serpentina existente no interior de cada estufa. De modo a tornar o processo de estufagem eficiente e preservar a qualidade do Vinho Madeira, a monitorização, registo e controlo da temperatura reveste-se da maior importância sendo, atualmente, todo esse processo realizado, por norma, manualmente, quer no sistema de dez estufas de aço inox existente no laboratório de enologia da Universidade da Madeira (UMa), quer nos sistemas das cooperativas de Vinho Madeira. Existem, no mercado, alguns sistemas que solucionam, com menor ou maior limitação, este problema. Porém, nenhum desses sistemas implementa um sistema de controlo “inteligente” capaz de se adaptar automaticamente a diferentes períodos de temperaturas predefinidos e manter o aquecimento das estufas de acordo com essas temperaturas com uma margem de erro inferior a ±0,5℃, bem como o custo associado aos mesmos é elevado o que dificulta a sua implementação neste setor. O sistema implementado, nesta tese, consiste em duas aplicações: uma aplicação web e uma Windows Forms Application. A aplicação web foi desenvolvida em C# com recurso à framework ASP.NET Web Pages e implementa toda a lógica necessária à monitorização gráfica e à gestão do sistema, nomeadamente a definição do setpoint para cada estufa. A Windows Forms Application, também desenvolvida em C# devido à necessidade de interligação com a biblioteca fornecida pela CAREL para conexão aos controladores de temperatura IR32, efetua o registo e controlo automático da temperatura, de acordo com o setpoint definido para cada estufa através da aplicação web. O controlo de temperatura realiza-se com recurso às redes neuronais, nomeadamente através dum controlador DIC (Direct Inverse Controller) que obteve, de entre os vários controladores testados, o melhor Erro Quadrático Médio (MSE) e o melhor Coeficiente de Correlação (R). Através da utilização do sistema implementado conseguiu-se eliminar a limitação física de erro com ± 1℃ em torno do setpoint tendo-se conseguido, para o melhor caso, uma margem de erro de ± 0,1℃ relativamente ao setpoint reduzindo-se, assim, a margem de variação de temperatura até um máximo de 1,8ºC e, consequentemente, o erro associado.

Quantifying epistemic actions in human-computer interaction

As digital systems move away from traditional desktop setups, new interaction paradigms are emerging that better integrate with users’ realworld surroundings, and better support users’ individual needs. While promising, these modern interaction paradigms also present new challenges, such as a lack of paradigm-specific tools to systematically evaluate and fully understand their use. This dissertation tackles this issue by framing empirical studies of three novel digital systems in embodied cognition – an exciting new perspective in cognitive science where the body and its interactions with the physical world take a central role in human cognition. This is achieved by first, focusing the design of all these systems on a contemporary interaction paradigm that emphasizes physical interaction on tangible interaction, a contemporary interaction paradigm; and second, by comprehensively studying user performance in these systems through a set of novel performance metrics grounded on epistemic actions, a relatively well established and studied construct in the literature on embodied cognition. The first system presented in this dissertation is an augmented Four-in-a-row board game. Three different versions of the game were developed, based on three different interaction paradigms (tangible, touch and mouse), and a repeated measures study involving 36 participants measured the occurrence of three simple epistemic actions across these three interfaces. The results highlight the relevance of epistemic actions in such a task and suggest that the different interaction paradigms afford instantiation of these actions in different ways. Additionally, the tangible version of the system supports the most rapid execution of these actions, providing novel quantitative insights into the real benefits of tangible systems. The second system presented in this dissertation is a tangible tabletop scheduling application. Two studies with single and paired users provide several insights into the impact of epistemic actions on the user experience when these are performed outside of a system’s sensing boundaries. These insights are clustered by the form, size and location of ideal interface areas for such offline epistemic actions to occur, as well as how can physical tokens be designed to better support them. Finally, and based on the results obtained to this point, the last study presented in this dissertation directly addresses the lack of empirical tools to formally evaluate tangible interaction. It presents a video-coding framework grounded on a systematic literature review of 78 papers, and evaluates its value as metric through a 60 participant study performed across three different research laboratories. The results highlight the usefulness and power of epistemic actions as a performance metric for tangible systems. In sum, through the use of such novel metrics in each of the three studies presented, this dissertation provides a better understanding of the real impact and benefits of designing and developing systems that feature tangible interaction.

A multimodal tablet-based interface for designing and reviewing 3D engineering models

The ability to view and interact with 3D models has been happening for a long time. However, vision-based 3D modeling has only seen limited success in applications, as it faces many technical challenges. Hand-held mobile devices have changed the way we interact with virtual reality environments. Their high mobility and technical features, such as inertial sensors, cameras and fast processors, are especially attractive for advancing the state of the art in virtual reality systems. Also, their ubiquity and fast Internet connection open a path to distributed and collaborative development. However, such path has not been fully explored in many domains. VR systems for real world engineering contexts are still difficult to use, especially when geographically dispersed engineering teams need to collaboratively visualize and review 3D CAD models. Another challenge is the ability to rendering these environments at the required interactive rates and with high fidelity. In this document it is presented a virtual reality system mobile for visualization, navigation and reviewing large scale 3D CAD models, held under the CEDAR (Collaborative Engineering Design and Review) project. It’s focused on interaction using different navigation modes. The system uses the mobile device's inertial sensors and camera to allow users to navigate through large scale models. IT professionals, architects, civil engineers and oil industry experts were involved in a qualitative assessment of the CEDAR system, in the form of direct user interaction with the prototypes and audio-recorded interviews about the prototypes. The lessons learned are valuable and are presented on this document. Subsequently it was prepared a quantitative study on the different navigation modes to analyze the best mode to use it in a given situation.

Controlo de estufagem do Vinho Madeira em escala piloto

Um dos processos de envelhecimento do Vinho Madeira é a “Estufagem” realizada através da circulação de água aquecida a uma determinada temperatura por um sistema de serpentina existente no interior de cada estufa. De modo a tornar o processo de estufagem eficiente e preservar a qualidade do Vinho Madeira, a monitorização, registo e controlo da temperatura reveste-se da maior importância sendo, atualmente, todo esse processo realizado, por norma, manualmente, quer no sistema de dez estufas de aço inox existente no laboratório de enologia da Universidade da Madeira (UMa), quer nos sistemas das cooperativas de Vinho Madeira. Existem, no mercado, alguns sistemas que solucionam, com menor ou maior limitação, este problema. Porém, nenhum desses sistemas implementa um sistema de controlo “inteligente” capaz de se adaptar automaticamente a diferentes períodos de temperaturas predefinidos e manter o aquecimento das estufas de acordo com essas temperaturas com uma margem de erro inferior a ±0,5℃, bem como o custo associado aos mesmos é elevado o que dificulta a sua implementação neste setor. O sistema implementado, nesta tese, consiste em duas aplicações: uma aplicação web e uma Windows Forms Application. A aplicação web foi desenvolvida em C# com recurso à framework ASP.NET Web Pages e implementa toda a lógica necessária à monitorização gráfica e à gestão do sistema, nomeadamente a definição do setpoint para cada estufa. A Windows Forms Application, também desenvolvida em C# devido à necessidade de interligação com a biblioteca fornecida pela CAREL para conexão aos controladores de temperatura IR32, efetua o registo e controlo automático da temperatura, de acordo com o setpoint definido para cada estufa através da aplicação web. O controlo de temperatura realiza-se com recurso às redes neuronais, nomeadamente através dum controlador DIC (Direct Inverse Controller) que obteve, de entre os vários controladores testados, o melhor Erro Quadrático Médio (MSE) e o melhor Coeficiente de Correlação (R). Através da utilização do sistema implementado conseguiu-se eliminar a limitação física de erro com ± 1℃ em torno do setpoint tendo-se conseguido, para o melhor caso, uma margem de erro de ± 0,1℃ relativamente ao setpoint reduzindo-se, assim, a margem de variação de temperatura até um máximo de 1,8ºC e, consequentemente, o erro associado.

Combining the power of online crowdsourcing with creative writing user interfaces

The goal of this work was to provide professional and amateur writers with a new way of enhancing their productivity and mental well-being, by helping them overcoming writers block and being able to achieve a state of optimal experience while writing. Our approach is based on bringing together different components to create what we call a creative moment. A creative moment is composed by an image, a text, a mood, a location and a color. The color presented in the creative moment varied according to the mood that was associated to the creative moment. With the creative moments we hoped that our users could have a way to easily trigger their creativity and have a kick start in their work. The prototyping of a web crowdsourcing platform, named CreativeWall, and a Microsoft Word Add-In, that was used on the user study performed, is described and their implementations are discussed. The user study reveals that our approach does have a positive influence in the productivity of the participants when compared with another existing approach. The study also revealed that our approach can ease the process of achieving a state of optimal experience by enhancing one of the dimensions presented on the Flow Theory. At the end we present what we consider would be some possible future developments for the concept created during the development of this work.

Combining the power of online crowdsourcing with creative writing user interfaces

The goal of this work was to provide professional and amateur writers with a new way of enhancing their productivity and mental well-being, by helping them overcoming writers block and being able to achieve a state of optimal experience while writing. Our approach is based on bringing together different components to create what we call a creative moment. A creative moment is composed by an image, a text, a mood, a location and a color. The color presented in the creative moment varied according to the mood that was associated to the creative moment. With the creative moments we hoped that our users could have a way to easily trigger their creativity and have a kick start in their work. The prototyping of a web crowdsourcing platform, named CreativeWall, and a Microsoft Word Add-In, that was used on the user study performed, is described and their implementations are discussed. The user study reveals that our approach does have a positive influence in the productivity of the participants when compared with another existing approach. The study also revealed that our approach can ease the process of achieving a state of optimal experience by enhancing one of the dimensions presented on the Flow Theory. At the end we present what we consider would be some possible future developments for the concept created during the development of this work.

CultuRAM: agenda cultural da Região Autónoma da Madeira

A Região Autónoma da Madeira é uma região turística com uma oferta cultural intensa e diversificada, que é dinamizada por um considerável número de entidades. A necessidade de gerir toda essa oferta torna-se cada vez mais premente. Com esta necessidade surge o conceito de agenda cultural única, um mecanismo que congregue toda a atividade cultural desenvolvida na região. O projeto Agenda Cultural da Região Autónoma da Madeira, designado por CultuRAM, consiste numa aplicação web direcionada às entidades regionais que desenvolvam atividades no domínio da cultura. Essas entidades podem ser públicas ou privadas que estejam ligadas à promoção e divulgação de eventos culturais. Esta plataforma de gestão e divulgação de conteúdos tem por principal objetivo a centralização da gestão e divulgação da atividade cultural desenvolvida na região, posicionando-se como uma agenda cultural única. Com esta ferramenta pretende-se criar as condições necessárias aos diversos intervenientes, de modo a assegurar uma melhor oferta cultural, tanto aos residentes, como aos turistas que nos visitam. Este relatório descreve e documenta os métodos de investigação e fases de desenvolvimento do projeto, com enfase na referência e fundamentação dos modelos e tecnologias utilizadas.

Wi-share: partilha de configurações wi-fi

A popularidade dos dispositivos móveis tem vindo a aumentar significativamente nos últimos anos e, com isso, surge a necessidade de aceder à Internet nos smartphones e tablets, quer para fins laborais quer para lazer. Devido às limitações de tráfego nas redes móveis, como 3G ou 4G, as pessoas procuram conectar-se aos pontos de acesso nas suas proximidades para poupar tráfego móvel. Os pontos de acesso também são uma outra forma de se conseguir conectar à Internet no estrangeiro, mesmo quando não se tem disponível um plano de dados móveis. As soluções existentes, que visam conectar os seus utilizadores à Internet através de pontos de acesso, requerem o pagamento de uma taxa elevada ou violam a privacidade das redes Wi-Fi ao permitir que todos os utilizadores se consigam conectar sem a devida autorização dos proprietários e que consumam tráfego e largura de banda sem quaisquer restrições. Com este trabalho pretende-se permitir que os proprietários das redes possam limitar os recursos de quem acede às suas redes (tráfego, largura de banda e/ou número de utilizadores conectados) usando apenas uma aplicação Android para fazer todo o controlo de acesso e limitação de recursos. Além de limitar os recursos pretende-se possibilitar a interoperabilidade entre pontos de acesso de diferentes plataformas para permitir que utilizadores de diferentes operadores de telecomunicações possam partilhar as suas redes mutuamente. Para se atingir estes objetivos foi desenvolvido um sistema composto por uma aplicação Android e um servidor web. O teste da solução foi feito através de testes com utilizadores, identificando-se que os participantes partilharam maioritariamente as suas próprias redes. A maioria dos utilizadores optou por partilhar as suas redes de forma pública (com todos os utilizadores) e limitar o número de utilizadores conectados para salvaguardar o desempenho da sua ligação. Com este trabalho, consegue-se concluir que é possível incentivar os utilizadores a partilhar as suas redes caso estejam presentes mecanismos que consigam manter a privacidade da rede e que lhes consigam dar controlo sobre a partilha.

CultuRAM: agenda cultural da Região Autónoma da Madeira

A Região Autónoma da Madeira é uma região turística com uma oferta cultural intensa e diversificada, que é dinamizada por um considerável número de entidades. A necessidade de gerir toda essa oferta torna-se cada vez mais premente. Com esta necessidade surge o conceito de agenda cultural única, um mecanismo que congregue toda a atividade cultural desenvolvida na região. O projeto Agenda Cultural da Região Autónoma da Madeira, designado por CultuRAM, consiste numa aplicação web direcionada às entidades regionais que desenvolvam atividades no domínio da cultura. Essas entidades podem ser públicas ou privadas que estejam ligadas à promoção e divulgação de eventos culturais. Esta plataforma de gestão e divulgação de conteúdos tem por principal objetivo a centralização da gestão e divulgação da atividade cultural desenvolvida na região, posicionando-se como uma agenda cultural única. Com esta ferramenta pretende-se criar as condições necessárias aos diversos intervenientes, de modo a assegurar uma melhor oferta cultural, tanto aos residentes, como aos turistas que nos visitam. Este relatório descreve e documenta os métodos de investigação e fases de desenvolvimento do projeto, com enfase na referência e fundamentação dos modelos e tecnologias utilizadas.

Wi-share: partilha de configurações wi-fi

A popularidade dos dispositivos móveis tem vindo a aumentar significativamente nos últimos anos e, com isso, surge a necessidade de aceder à Internet nos smartphones e tablets, quer para fins laborais quer para lazer. Devido às limitações de tráfego nas redes móveis, como 3G ou 4G, as pessoas procuram conectar-se aos pontos de acesso nas suas proximidades para poupar tráfego móvel. Os pontos de acesso também são uma outra forma de se conseguir conectar à Internet no estrangeiro, mesmo quando não se tem disponível um plano de dados móveis. As soluções existentes, que visam conectar os seus utilizadores à Internet através de pontos de acesso, requerem o pagamento de uma taxa elevada ou violam a privacidade das redes Wi-Fi ao permitir que todos os utilizadores se consigam conectar sem a devida autorização dos proprietários e que consumam tráfego e largura de banda sem quaisquer restrições. Com este trabalho pretende-se permitir que os proprietários das redes possam limitar os recursos de quem acede às suas redes (tráfego, largura de banda e/ou número de utilizadores conectados) usando apenas uma aplicação Android para fazer todo o controlo de acesso e limitação de recursos. Além de limitar os recursos pretende-se possibilitar a interoperabilidade entre pontos de acesso de diferentes plataformas para permitir que utilizadores de diferentes operadores de telecomunicações possam partilhar as suas redes mutuamente. Para se atingir estes objetivos foi desenvolvido um sistema composto por uma aplicação Android e um servidor web. O teste da solução foi feito através de testes com utilizadores, identificando-se que os participantes partilharam maioritariamente as suas próprias redes. A maioria dos utilizadores optou por partilhar as suas redes de forma pública (com todos os utilizadores) e limitar o número de utilizadores conectados para salvaguardar o desempenho da sua ligação. Com este trabalho, consegue-se concluir que é possível incentivar os utilizadores a partilhar as suas redes caso estejam presentes mecanismos que consigam manter a privacidade da rede e que lhes consigam dar controlo sobre a partilha.

Desenho e implementação de uma plataforma integrada para monitorização e gestão da rede da UMa

Na atualidade, as estruturas e serviços de redes informáticas massificaram-se de forma heterogénea. Aumenta, assim, a importância de garantir aos utilizadores, segurança, fiabilidade e disponibilidade da rede. Posto isto, os administradores de redes têm de manter uma qualidade de serviço elevada utilizando novas formas de vigiar a rede. No âmbito deste projeto, o trabalho desenvolvido, atendendo às necessidades principais do ambiente a ser monitorizado, pretende-se implementar uma solução integrada de gestão das Tecnologias de Informação da Universidade da Madeira, para permitir uma gestão preventiva e corretiva. A abordagem selecionada começou com a fundamentação e conceitos teóricos sobre a gestão de rede, apresentando modelos de gestão de redes e o estudo de quatro sistemas, de domínio público, de gestão e monitorização de redes, destacando as suas principais arquiteturas e funcionalidades. O trabalho continuou com a contextualização do problema através do estudo e descrição da dimensão e da heterogeneidade da rede da Universidade da Madeira. Prosseguiu com a criação de vários cenários de rede que serão utilizados ao longo do trabalho, como apoio nas três partes em que este foi dividido para obter a solução pretendida, nomeadamente a “Contextualização do problema”, “Análise e Desenho da solução” e “Implementação da solução”. Na criação de uma arquitetura de uma solução, tendo em conta as prioridades definidas pelo gestor de rede, este trabalho fornece à Universidade da Madeira um sistema de monitorização e gestão integrada, através do qual os seus gestores de rede poderão, de forma eficiente e contínua, gerir as Tecnologias de Informação pertencentes a esta Instituição.

Building a network Operations Center (NOC) solution

Esta dissertação contextualiza e descreve a actividade prática do quotidiano de um gestor de redes informáticas modernas. Define Network Operations Center (NOC) e a sua importância como provedor de serviços de Internet, e aborda a gestão de redes como alicerce teórico mediante a tomada de decisões que a tarefa de gestão coloca. É com base na complexidade da tarefa de gestão que surge a necessidade e o aparecimento consequente de Plataformas de Gestão. Estas plataformas não só auxiliam na tarefa para a qual foram desenvolvidas como substituem todo um conjunto de ferramentas tradicionais, limitadas para a realidade das infraestruturas de telecomunicações actuais. O estudo do NOC da NOS Madeira enfatiza a problemática que as infra-estruturas de média e grande dimensão comportam para os gestores de redes que lá operam. As limitações da plataforma de gestão em uso referentes à definição e organização de utilizadores, dispositivos e grupos respectivos, conjuntamente com a falta de parametrização em notificações justificam uma solução. Aqui, é feita uma análise e um levantamento de requisitos para a selecção da nova plataforma de gestão seguida da proposta de uma solução integrada para resolução do problema. Esta proposta envolve a definição de uma arquitectura, o desenho e a implementação de software próprios para um sistema particular ao qual designamos: ZenDash.

OpenDataHub: an open dataset management system

This thesis presents a cloud-based software platform for sharing publicly available scientific datasets. The proposed platform leverages the potential of NoSQL databases and asynchronous IO technologies, such as Node.JS, in order to achieve high performances and flexible solutions. This solution will serve two main groups of users. The dataset providers, which are the researchers responsible for sharing and maintaining datasets, and the dataset users, that are those who desire to access the public data. To the former are given tools to easily publish and maintain large volumes of data, whereas the later are given tools to enable the preview and creation of subsets of the original data through the introduction of filter and aggregation operations. The choice of NoSQL over more traditional RDDMS emerged from and extended benchmark between relational databases (MySQL) and NoSQL (MongoDB) that is also presented in this thesis. The obtained results come to confirm the theoretical guarantees that NoSQL databases are more suitable for the kind of data that our system users will be handling, i. e., non-homogeneous data structures that can grow really fast. It is envisioned that a platform like this can lead the way to a new era of scientific data sharing where researchers are able to easily share and access all kinds of datasets, and even in more advanced scenarios be presented with recommended datasets and already existing research results on top of those recommendations.