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.
