A percepção de presença (PP), evolução do conceito de telepresença, pode ser definida como ilusão perceptiva de não mediação e/ou a percepção ilusória da realidade. O método mais utilizado para a avaliação da PP faz uso de questionários aplicados aos sujeitos, após sua participação numa experiência. Além de não fornecer informações em tempo real esse método sofre muitas interferências advindas tanto dos sujeitos submetidos ao experimento como dos avaliadores dos questionários. Os métodos que poderiam ser mais efetivos para a avaliação da PP, em tempo real, fazem uso de sinais fisiológicos que variam independentemente da vontade dos sujeitos, como batimento cardíaco, eletrocardiograma, eletroencefalograma, resistividade e umidade da pele. Os sinais fisiológicos, no entanto, só variam de forma significativa em situações de estresse, inviabilizando sua utilização em atividades normais, sem estresse. Outra forma de avaliar a PP é utilizar sistemas de rastreamento do olhar. Estudados e desenvolvidos desde o século 19, os sistemas de rastreamento do olhar fornecem um mapeamento do movimento dos olhos. Além de indicar para onde os sujeitos estão olhando, podem também monitorar a dilatação da pupila e as piscadas. Atualmente existem sistemas de rastreamento do olhar comerciais de baixo custo, que apesar de terem menos precisão e frequência que os equipamentos de alto custo são mais práticos e possuem software de plataforma aberta. No futuro serão tão comuns e simples de usar como são hoje as câmeras em dispositivos móveis e computadores, o que viabilizará a aplicação das técnicas e métodos aqui propostos em larga escala, principalmente para monitorar a atenção e envolvimento de atividades mediadas por vídeo. É apresentada uma ferramenta que faz uso do rastreamento do olhar para avaliar a percepção de presença em atividades mediadas por vídeo (com estímulos sonoros). Dois experimentos foram realizados para validar as hipóteses da pesquisa e a ferramenta. Um terceiro experimento foi executado para verificar a capacidade da ferramenta em avaliar a percepção de presença em atividades não estressantes mediadas por vídeo. / The presence perception (PP), evolution of the concept of telepresence, could be defined as the perceptual illusion of nonmediation and/or the ilusional perception of reality. The most utilized method for PP evaluation make uses questionnaires applied for the subjects, after your participation in an experience. Besides it does not provide real-time information this method suffers with many interferences in the results that come from the subjects undergoing and form the reviewers of the of the questionnaires. The methods could be more effective for PP evaluation, in real time, make uses of physiologic signals that vary independently of the request of the subjects, e.g. heart rate, electrocardiogram, electroencephalogram, skin resistivity and skin humidity. However, meaningful physiologic signals occurs only in stress situations, unfeasible Its use in normal environments, whit no stress. Another way to evaluate the PP is using eye gaze tracking systems. Studied and developed since the 19th century, eye gaze tracking systems provide an eye movements mapping. Moreover it indicate where the subjects are viewing, these systems can follow up pupil dilatation and blinks. Currently there are commercial gaze tracking systems inexpensive, despite having less precision and frequency that expensive-equipments are more practical and open software platform is available. In the future these technologies will be common and simple to use as today are cameras on mobile devices and computers, which will enable the implementation of the techniques and methods here proposed on a large scale, mainly to monitor the attention and involvement during activities mediated by video. A tool that makes use of gaze tracking to evaluate presence perception in activities video mediated (with sound stimuli) is displayed. Two experiments were conducted to validate the hypotheses of the research and the tool. A third experiment was performed to verify the tool\'s ability to assess presence perception in non-stressful activities video mediated.

A crescente capacidade do poder computacional e a proliferação de dispositivos ao nosso redor vem permitindo o desenvolvimento de novas e sofisticadas interfaces para interação humano-computador que reagem à presença e ao estado de seus usuários. Como o olhar tem a capacidade de transmitir muitas informações sobre o usuário, rastreadores de olhar, dispositivos que estimam a direção para onde uma pessoa olha, tem papel importante no desenvolvimento de tais interfaces. Entre suas aplicações temos o auxílio a pessoas com dificuldades motoras, que podem utilizar um rastreador de olhar como substituto ao mouse, aplicações de diagnóstico, que estudam evidências do comportamento humano, ou ainda o desenvolvimento de interfaces que utilizem a informação sobre o olhar como um canal a mais de comunicação com o usuário para perceber suas intenções. Muitas técnicas para atingir tal objetivo foram desenvolvidas mas as tradicionais ainda oferecem certas dificuldades de uso para seus usuários como a intolerância a movimentos de cabeça e a necessidade de calibração por sessão de uso. Neste trabalho fizemos um levantamento de uma série de técnicas de rastreamento de olhar, indo das mais tradicionais até algumas mais recentes que visam melhorar a facilidade de uso destes sistemas. Uma das técnicas mais promissoras utiliza múltiplas fontes de luz fixadas nos cantos do monitor do computador. Através da análise da posição dos reflexos gerados por essas fontes de luz sobre a córnea, juntamente com a informação da posição da pupila, presentes em imagens capturadas do olho, é possível estimar o ponto observado no monitor. Devido às suas vantagens ela foi escolhida para estudo mais detalhado e implementação. Extensos testes utilizando simulações foram realizados para avaliar seu desempenho. Foi também desenvolvida uma extensão dessa técnica, utilizando um modelo mais preciso do olho, visando melhorar sua precisão. Ao final apresentamos nossa implementação, baseada nessa extensão da técnica original, que é tolerante a movimentação da face e mostramos os resultados obtidos em testes realizados com um grupo de usuários. / Recent advances in computing power and the proliferation of computing devices around us allowed the development of new computer interfaces which can react to the presence and state of its users. Since gaze can transmit a lot of information about the user, gaze trackers, devices that can estimate the direction which a person is looking at, have an important role in the development of such interfaces. Among gaze tracking applications, we have aid for people with limited motor skills, human behavior studies, and the development of interfaces that can take gaze information as an additional communication channel with the user. Lots of techniques have been developed to reach this goal, but they have some problems that make them hard to be widely used. These problems are the need of calibration for each use session and the need to keep the user\'s head still. In this work we studied some of the existing gaze tracking techniques, from the more traditional ones to more recent ones. One of the most interesting techniques makes use of multiple light sources fixed at the monitor\'s corners. By analyzing the positions of corneal reflections and the pupil present in captured images of the eye, it is possible to estimate the gaze point on the monitor screen. Due to its advantages this technique was chosen for a deeper study and implementation. Lots of experiments using simulated data have been carried out to validate the technique. Using a more accurate model of the eye, an extension for this technique was also developed to increase its precision. Finally, we present our implementation, that allows for large head movement, as well as test results obtained from real users.

A percepção de presença (PP), evolução do conceito de telepresença, pode ser definida como ilusão perceptiva de não mediação e/ou a percepção ilusória da realidade. O método mais utilizado para a avaliação da PP faz uso de questionários aplicados aos sujeitos, após sua participação numa experiência. Além de não fornecer informações em tempo real esse método sofre muitas interferências advindas tanto dos sujeitos submetidos ao experimento como dos avaliadores dos questionários. Os métodos que poderiam ser mais efetivos para a avaliação da PP, em tempo real, fazem uso de sinais fisiológicos que variam independentemente da vontade dos sujeitos, como batimento cardíaco, eletrocardiograma, eletroencefalograma, resistividade e umidade da pele. Os sinais fisiológicos, no entanto, só variam de forma significativa em situações de estresse, inviabilizando sua utilização em atividades normais, sem estresse. Outra forma de avaliar a PP é utilizar sistemas de rastreamento do olhar. Estudados e desenvolvidos desde o século 19, os sistemas de rastreamento do olhar fornecem um mapeamento do movimento dos olhos. Além de indicar para onde os sujeitos estão olhando, podem também monitorar a dilatação da pupila e as piscadas. Atualmente existem sistemas de rastreamento do olhar comerciais de baixo custo, que apesar de terem menos precisão e frequência que os equipamentos de alto custo são mais práticos e possuem software de plataforma aberta. No futuro serão tão comuns e simples de usar como são hoje as câmeras em dispositivos móveis e computadores, o que viabilizará a aplicação das técnicas e métodos aqui propostos em larga escala, principalmente para monitorar a atenção e envolvimento de atividades mediadas por vídeo. É apresentada uma ferramenta que faz uso do rastreamento do olhar para avaliar a percepção de presença em atividades mediadas por vídeo (com estímulos sonoros). Dois experimentos foram realizados para validar as hipóteses da pesquisa e a ferramenta. Um terceiro experimento foi executado para verificar a capacidade da ferramenta em avaliar a percepção de presença em atividades não estressantes mediadas por vídeo. / The presence perception (PP), evolution of the concept of telepresence, could be defined as the perceptual illusion of nonmediation and/or the ilusional perception of reality. The most utilized method for PP evaluation make uses questionnaires applied for the subjects, after your participation in an experience. Besides it does not provide real-time information this method suffers with many interferences in the results that come from the subjects undergoing and form the reviewers of the of the questionnaires. The methods could be more effective for PP evaluation, in real time, make uses of physiologic signals that vary independently of the request of the subjects, e.g. heart rate, electrocardiogram, electroencephalogram, skin resistivity and skin humidity. However, meaningful physiologic signals occurs only in stress situations, unfeasible Its use in normal environments, whit no stress. Another way to evaluate the PP is using eye gaze tracking systems. Studied and developed since the 19th century, eye gaze tracking systems provide an eye movements mapping. Moreover it indicate where the subjects are viewing, these systems can follow up pupil dilatation and blinks. Currently there are commercial gaze tracking systems inexpensive, despite having less precision and frequency that expensive-equipments are more practical and open software platform is available. In the future these technologies will be common and simple to use as today are cameras on mobile devices and computers, which will enable the implementation of the techniques and methods here proposed on a large scale, mainly to monitor the attention and involvement during activities mediated by video. A tool that makes use of gaze tracking to evaluate presence perception in activities video mediated (with sound stimuli) is displayed. Two experiments were conducted to validate the hypotheses of the research and the tool. A third experiment was performed to verify the tool\'s ability to assess presence perception in non-stressful activities video mediated.

A crescente capacidade do poder computacional e a proliferação de dispositivos ao nosso redor vem permitindo o desenvolvimento de novas e sofisticadas interfaces para interação humano-computador que reagem à presença e ao estado de seus usuários. Como o olhar tem a capacidade de transmitir muitas informações sobre o usuário, rastreadores de olhar, dispositivos que estimam a direção para onde uma pessoa olha, tem papel importante no desenvolvimento de tais interfaces. Entre suas aplicações temos o auxílio a pessoas com dificuldades motoras, que podem utilizar um rastreador de olhar como substituto ao mouse, aplicações de diagnóstico, que estudam evidências do comportamento humano, ou ainda o desenvolvimento de interfaces que utilizem a informação sobre o olhar como um canal a mais de comunicação com o usuário para perceber suas intenções. Muitas técnicas para atingir tal objetivo foram desenvolvidas mas as tradicionais ainda oferecem certas dificuldades de uso para seus usuários como a intolerância a movimentos de cabeça e a necessidade de calibração por sessão de uso. Neste trabalho fizemos um levantamento de uma série de técnicas de rastreamento de olhar, indo das mais tradicionais até algumas mais recentes que visam melhorar a facilidade de uso destes sistemas. Uma das técnicas mais promissoras utiliza múltiplas fontes de luz fixadas nos cantos do monitor do computador. Através da análise da posição dos reflexos gerados por essas fontes de luz sobre a córnea, juntamente com a informação da posição da pupila, presentes em imagens capturadas do olho, é possível estimar o ponto observado no monitor. Devido às suas vantagens ela foi escolhida para estudo mais detalhado e implementação. Extensos testes utilizando simulações foram realizados para avaliar seu desempenho. Foi também desenvolvida uma extensão dessa técnica, utilizando um modelo mais preciso do olho, visando melhorar sua precisão. Ao final apresentamos nossa implementação, baseada nessa extensão da técnica original, que é tolerante a movimentação da face e mostramos os resultados obtidos em testes realizados com um grupo de usuários. / Recent advances in computing power and the proliferation of computing devices around us allowed the development of new computer interfaces which can react to the presence and state of its users. Since gaze can transmit a lot of information about the user, gaze trackers, devices that can estimate the direction which a person is looking at, have an important role in the development of such interfaces. Among gaze tracking applications, we have aid for people with limited motor skills, human behavior studies, and the development of interfaces that can take gaze information as an additional communication channel with the user. Lots of techniques have been developed to reach this goal, but they have some problems that make them hard to be widely used. These problems are the need of calibration for each use session and the need to keep the user\'s head still. In this work we studied some of the existing gaze tracking techniques, from the more traditional ones to more recent ones. One of the most interesting techniques makes use of multiple light sources fixed at the monitor\'s corners. By analyzing the positions of corneal reflections and the pupil present in captured images of the eye, it is possible to estimate the gaze point on the monitor screen. Due to its advantages this technique was chosen for a deeper study and implementation. Lots of experiments using simulated data have been carried out to validate the technique. Using a more accurate model of the eye, an extension for this technique was also developed to increase its precision. Finally, we present our implementation, that allows for large head movement, as well as test results obtained from real users.

A presente tese de doutorado insere-se na área de interação pelo olhar. A interação pelo olhar é uma forma de comunicação com o computador utilizando os movimentos oculares do usuário. Pessoas com deficiência física, que não conseguem usar dispositivos convencionais como um teclado e um mouse de computador, podem se beneficiar da interação pelo olhar para se comunicarem e se inserirem na sociedade. Para isso a entrada de texto ou digitação pelo olhar é um recurso importante e assunto principal dessa tese. O instrumento mais comum para entrada de texto pelo olhar consiste de um teclado virtual onde os caracteres são selecionados por tempo de latência. Essa forma de interação, embora simples, sofre de seleções involuntárias (problema conhecido como toque de Midas) se o tempo de latência for curto (menos de 500 ms). Já para tempos de latência mais longos, a interação se torna lenta. Alternativas para entrada de texto pelo olhar são os gestos discretos ou contínuos do olhar. O uso de gestos discretos permite reduzir o toque de Midas, porém o desempenho é inferior ao tempo de latência. Já nos métodos baseados em gestos contínuos, o olhar está sempre preso ao controle da interface. Uma técnica de interação proposta recentemente, chamada de \"alternância entre contextos\", permite reduzir o efeito do toque de Midas, utilizando apenas uma sacada para cada seleção. Além disso, essa técnica permite aos usuários manterem o ritmo de interação sem ajustar nenhum parâmetro na interface. A presente tese de doutorado visa melhorar a usabilidade e experiência dos usuários na interação pelo olhar com teclados virtuais. Os objetivos específicos são: investigar a relação entre a manipulação do contraste dos estímulos visuais e o tempo de reação sacádico para facilitar os movimentos oculares e tornar a interação mais rápida e agradável; propor e investigar novas extensões e aplicações da alternância entre contextos, visando reduzir o toque de Midas e ao mesmo tempo generalizar o método para outras tarefas de navegação e seleção de objetos pelo olhar; e desenvolver novos métodos de entrada de texto pelo olhar para melhorar a velocidade de digitação dos usuários, sem incrementar a carga de trabalho e mantendo a interação simples e fácil de aprender. A avaliação dos novos métodos e modelos propostos foi feita por meio de vários estudos com usuários. Os dados coletados nos estudos, tanto quantitativos quanto qualitativos, foram analisados com métodos estatísticos utilizados na área de interação homem-computador. As contribuições originais apresentadas na presente tese são: a proposta e a avaliação do efeito gap gradiente como feedback visual para facilitar a execução de movimentos sacádicos durante a interação pelo olhar; a proposta e investigação de contextos dinâmicos como extensão da alternância entre contextos, para permitir um melhor aproveitamento da área útil do monitor com uma baixa taxa de erros de seleção, assim como de meta-keys para navegação e execução de comandos de forma geral; e a proposta e a avaliação de AugFix, um novo modelo de feedback visual que melhora a velocidade e a experiência dos usuários na entrada de texto pelo olhar, com aplicação em teclados virtuais baseados nos paradigmas do tempo de latência e a alternância entre contextos. / This PhD thesis lays in the context of gaze-based interaction. Gaze-based interfaces allows the user to control a computer using his/her eye movements. Gaze interaction is specially useful for people with physical disabilities who cannot use conventional devices (such as a keyboard and/or mouse) to communicate. Entering text by gaze (also known as eye typing) is a very important activity and the main focus of this dissertation. The most common eye typing technique uses a virtual keyboard, where the letters are selected by dwell time. Though simple, this interaction technique suffers from involuntary activations (known as the Midas\' touch problem) for short dwell times (shorter than 500 ms). On the other hand, with longer dwell times the interaction becomes slow. Alternatives to dwell time are discrete and continuous gaze gestures. The use of discrete gaze gestures reduces the Midas\' touch problem, but its performance is slower compared to dwell time. When using continuous gaze gestures, the user gaze is always controlling the interface. A recently proposed technique called \"context switching\" avoids the Midas touch problem by mapping selection to a single saccade. Furthermore, with this technique the users can keep their rhythm of interaction without adjusting any parameter of the interface. This PhD thesis aims at improving the usability and user experience in gaze interaction with virtual keyboards. The objectives are: to investigate the relationship between contrast manipulation of visual stimuli and saccadic reaction time, to facilitate eye movements and make the interaction faster and more comfortable; to propose and investigate new extensions and applications of the context switching paradigm, in order to reduce the Midas touch problem and generalize the extensions to other tasks such as browsing and selection; and to develop new methods of eye typing that can improve typing performance without increasing the user workload, while keeping the interaction simple and easy to learn. Several user studies were designed and conducted to evaluate the methods and models proposed in this thesis. The data (both quantitative and qualitative) collected in the experiments is rigorously analysed using statistical methods. The original contributions of this thesis are: the proposal and investigation of the gradient gap effect as a visual feedback to facilitate the execution of saccadic movements during gaze interaction; the proposal and investigation of two extensions to the context switching paradigm: dynamic contexts that improve the utilization of the screen space while keeping a low selection error rate, and meta-keys for browsing and executing general-purpose commands; and the proposal and evaluation of AugFix, a new method that improves eye typing speed and user experience without increasing the cognitive load, that can be used with virtual keyboards controlled by both dwell time and context switching.

A presente tese de doutorado insere-se na área de interação pelo olhar. A interação pelo olhar é uma forma de comunicação com o computador utilizando os movimentos oculares do usuário. Pessoas com deficiência física, que não conseguem usar dispositivos convencionais como um teclado e um mouse de computador, podem se beneficiar da interação pelo olhar para se comunicarem e se inserirem na sociedade. Para isso a entrada de texto ou digitação pelo olhar é um recurso importante e assunto principal dessa tese. O instrumento mais comum para entrada de texto pelo olhar consiste de um teclado virtual onde os caracteres são selecionados por tempo de latência. Essa forma de interação, embora simples, sofre de seleções involuntárias (problema conhecido como toque de Midas) se o tempo de latência for curto (menos de 500 ms). Já para tempos de latência mais longos, a interação se torna lenta. Alternativas para entrada de texto pelo olhar são os gestos discretos ou contínuos do olhar. O uso de gestos discretos permite reduzir o toque de Midas, porém o desempenho é inferior ao tempo de latência. Já nos métodos baseados em gestos contínuos, o olhar está sempre preso ao controle da interface. Uma técnica de interação proposta recentemente, chamada de \"alternância entre contextos\", permite reduzir o efeito do toque de Midas, utilizando apenas uma sacada para cada seleção. Além disso, essa técnica permite aos usuários manterem o ritmo de interação sem ajustar nenhum parâmetro na interface. A presente tese de doutorado visa melhorar a usabilidade e experiência dos usuários na interação pelo olhar com teclados virtuais. Os objetivos específicos são: investigar a relação entre a manipulação do contraste dos estímulos visuais e o tempo de reação sacádico para facilitar os movimentos oculares e tornar a interação mais rápida e agradável; propor e investigar novas extensões e aplicações da alternância entre contextos, visando reduzir o toque de Midas e ao mesmo tempo generalizar o método para outras tarefas de navegação e seleção de objetos pelo olhar; e desenvolver novos métodos de entrada de texto pelo olhar para melhorar a velocidade de digitação dos usuários, sem incrementar a carga de trabalho e mantendo a interação simples e fácil de aprender. A avaliação dos novos métodos e modelos propostos foi feita por meio de vários estudos com usuários. Os dados coletados nos estudos, tanto quantitativos quanto qualitativos, foram analisados com métodos estatísticos utilizados na área de interação homem-computador. As contribuições originais apresentadas na presente tese são: a proposta e a avaliação do efeito gap gradiente como feedback visual para facilitar a execução de movimentos sacádicos durante a interação pelo olhar; a proposta e investigação de contextos dinâmicos como extensão da alternância entre contextos, para permitir um melhor aproveitamento da área útil do monitor com uma baixa taxa de erros de seleção, assim como de meta-keys para navegação e execução de comandos de forma geral; e a proposta e a avaliação de AugFix, um novo modelo de feedback visual que melhora a velocidade e a experiência dos usuários na entrada de texto pelo olhar, com aplicação em teclados virtuais baseados nos paradigmas do tempo de latência e a alternância entre contextos. / This PhD thesis lays in the context of gaze-based interaction. Gaze-based interfaces allows the user to control a computer using his/her eye movements. Gaze interaction is specially useful for people with physical disabilities who cannot use conventional devices (such as a keyboard and/or mouse) to communicate. Entering text by gaze (also known as eye typing) is a very important activity and the main focus of this dissertation. The most common eye typing technique uses a virtual keyboard, where the letters are selected by dwell time. Though simple, this interaction technique suffers from involuntary activations (known as the Midas\' touch problem) for short dwell times (shorter than 500 ms). On the other hand, with longer dwell times the interaction becomes slow. Alternatives to dwell time are discrete and continuous gaze gestures. The use of discrete gaze gestures reduces the Midas\' touch problem, but its performance is slower compared to dwell time. When using continuous gaze gestures, the user gaze is always controlling the interface. A recently proposed technique called \"context switching\" avoids the Midas touch problem by mapping selection to a single saccade. Furthermore, with this technique the users can keep their rhythm of interaction without adjusting any parameter of the interface. This PhD thesis aims at improving the usability and user experience in gaze interaction with virtual keyboards. The objectives are: to investigate the relationship between contrast manipulation of visual stimuli and saccadic reaction time, to facilitate eye movements and make the interaction faster and more comfortable; to propose and investigate new extensions and applications of the context switching paradigm, in order to reduce the Midas touch problem and generalize the extensions to other tasks such as browsing and selection; and to develop new methods of eye typing that can improve typing performance without increasing the user workload, while keeping the interaction simple and easy to learn. Several user studies were designed and conducted to evaluate the methods and models proposed in this thesis. The data (both quantitative and qualitative) collected in the experiments is rigorously analysed using statistical methods. The original contributions of this thesis are: the proposal and investigation of the gradient gap effect as a visual feedback to facilitate the execution of saccadic movements during gaze interaction; the proposal and investigation of two extensions to the context switching paradigm: dynamic contexts that improve the utilization of the screen space while keeping a low selection error rate, and meta-keys for browsing and executing general-purpose commands; and the proposal and evaluation of AugFix, a new method that improves eye typing speed and user experience without increasing the cognitive load, that can be used with virtual keyboards controlled by both dwell time and context switching.