This research details the development of a large-scale, computer vision-based touch screen capable of supporting a large number of simultaneous hand interactions. The system features a novel lightweight multi-point tracking algorithm to improve real-time responsiveness. This system was trialled for six months in an exhibition installation at World Expo 2005 in Aichi, Japan, providing a robust, fault-tolerant interface. A pilot study was then conducted to directly compare the system against other, more established input methods (a single-touch case, a two-mouse case and a physical prototype) to determine the effectiveness and affordances of the multi-touch technology for arranging information on a large-scale wall space in a paired collaborative task. To assist in this study, a separate visualisation and interaction classification tool was developed, allowing the replay of XML log data in real time to assist in the video analysis required for observation and hypothesis testing.

Les systèmes haptiques, ou systèmes de simulation de textures, sont aujourd'hui en plein essor et représentent le prochain challenge pour les appareils mobiles. L'une des solutions les plus prometteuses est celle à base de réduction de friction par vibrations ultrasoniques. L'objectif de cette thèse est de développer une solution haptique répondant au critère d’intégration de la téléphonie mobile en termes d’intégration et de consommation électrique. Plus précisément, il est de proposer une solution à base de couches minces piézoélectriques déposées sur une plaque transparente de la taille d’un écran de smartphone. Après avoir identifié les phénomènes de perception tactile, nous avons établi les spécifications du cahier des charges permettant obtenir un stimulateur haptique. Un modèle théorique de vibration, basé sur la réflexion des ondes de Lamb, nous a permis de déterminer les modes de vibration répondant à ce cahier des charges pour une plaque de la taille d’un smartphone d'écran 5 pouces libre de toutes contraintes. Des transducteurs piézoélectriques en nitrure d’aluminium sont utilisés pour la mise en vibration du système haptique. Déposés sur une face de la plaque, leur position et leur dimensionnement ont été optimisés grâce à des simulations par éléments finis. Le dispositif tactile final sera conçu de façon à laisser un espace central transparent de 4 pouces de diagonal permettant l’ajout d’un écran LCD. Le prototype ainsi déterminé, il est fabriqué grâce à des techniques de dépôt et de gravure en salle blanche. Le dispositif réalisé est caractérisé électriquement et mécaniquement. On détermine alors la puissance nécessaire pour la mise en vibration de la plaque avec des amplitudes correspondant au cahier des charges. Une optimisation de l’électronique de commande permet de réduire la puissance d’actionnement de ce système. Des transducteurs, utilisés en capteurs, sont caractérisés. Ces derniers seront utilisés pour asservir le système dans le cas d’un appui simulant le doigt sur la plaque. / Haptic rendering systems, or textural recreated systems, are nowaday in constant expension and represent the next challenge for the mobile devices. One of the promising solution is based on the friction reduction generated by ultrasonic waves. The aim of this PhD is to develop an haptic rendering solution taking into account the issues of integration into mobile devices in terms of power consumption. More precisely, a solution based on piezoelectric thin films deposited onto a smartphone-sized transparent plate is proposed. Understanding the tactile perception phenomenons, the physical specifications are established in order to obtain an haptic stimulator. A theoretical model based on the Lamb wave reflections determined the vibration modes corresponding to the specifications for a constrain-free 5-inch smartphone size plate.The plate is put into vibration by Aluminum Nitrite thin-film piezoelectric transducers. Processed on one side of the plate, their dimension and position have been optimized thanks to finite element simulations. The final tactile prototype is designed allowing a 4-inch clear centrale space for positioning a futur LCD screen. After this design, the prototype is fabricated with cleanroom processes. The device is then electrically and mechanically characterized. The minimum power necessary to put in vibration the plate is determined, with the minimum specified vibration amplitude. The electronic for the actuation is optimized in order to reduce the power consumption of the system. Transducers, used as sensors, are characterized in order to create a feedback loop. A user case is finally studied to compensate the influence of the finger.

Sharing a single, large touchscreen between several collaborating users is the research area of multi-user touchscreen interfaces, also named collaborative groupware. Collaborative groupware concerns how to best facilitate teamwork over such shared digital spaces. The technology is used in a number of high-technological and expert-dominated domains including emergency coordination, urban planning, military strategy, etc. This thesis investigates the problem of how to facilitate such mixed-focus work on a multi-user touchscreen in a two-dimensional geospatial context - a digital map - while avoiding the problematic use of widgets and click interfaces. Through a background study of previous work, a new solution is suggested. It is a handchord-input-based interface that uses hand-pattern recognition to interface with multiple users simultaneously and provides graphical tools to enable and enhance geospatial collaborative work. This solution is implemented and evaluated in two user studies. The first investigates the solution in the aspects of practical interfacing, tool impact, and hybrid collaboration on small teams of two. A second smaller expert user study evaluates the technique in the aspects of responsiveness, effectiveness, and representation; with more formalized procedures. The results show that a strong majority of users in the first study could successfully and quickly learn chord-input interfacing, and use it to access a variety of functionality with effectivity and enhancement of collaboration. The results of the second survey received moderately positive feedback in all aspects, with reserved opinions for its usage potential. These results indicate that chord-based interfacing, successfully implemented, could contribute to improved teamwork and task-solving in relevant collaborative contexts. / Kollaborativa gruppprogramet är området som faciliterar samarbete på delade digitala utrymmen. Den här tesen utreder problemet om hur man faciliterar kollaborativ, mix-fokuserad arbete på en fleranvändarpekskärm i en geospatial konext utan att använda problematiska knappar och klickbara gränssnitt. Kollaborativa geospatiala gränsnittanvänds i ett flertal av högteknologiska expertdominerade domäner som inkluderar nödsituationskoordinering, , militär strategi, etc. Den föreslagna lösningen är ett handackordsbaserat gränsnitt som använder fingeringenkänning för att interagera flera användare samtidigt och förse verktyg som möjliggör och förbättrar geospatialt samarbete. Denna lösning implementeras och är möjligtvis den mest omfattande implementationen av hand-ackord, men med signifikanta buggar. Denna utvärderas i två användarstudier. Den första undersöker lösningen i aspekterna av handackordsinteraktion, verktygens påverkan och hybridsamarbete i små lag om två. En andra, mindre studie utvärderar tekniken i termer av gensvar, effektivet och representation. Resultatet visar att ackord-baserade gränssnitt kan framgångsrikt förse en mångfald av funktionalitet med effektivtet och förbättring av samarbete i en geospatial kontext. Resultatet av den första studien visar att handackordbaserade kan bidra till förbättrat samarbete och problemlösning i geospatiala kontexter på en fleranvändarpekskärm, där vissa användare finner det mer praktiskt och enklare att bemästra än andra. Resultatet av den andra studien påvisade tämligen positiv respons i alla aspekter, med reservation för dess tillämpningspotential.

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Les travaux de cette thèse en informatique s’inscrivent dans le domaine de l’interaction homme-machine (IHM). Le sujet de ce mémoire concerne l’utilisation d’une nouvelle forme d’ordinateur appelée table interactive. Il s’agit d’une table dont le plateau est à la fois un écran et une surface de détection multi-tactile. Les tables interactives ouvrent de nouveaux usages de l’informatique en permettant des applications multi-utilisateurs en coprésence. Les utilisateurs d’une même table interactive ont naturellement envie d’interagir simultanément sur la surface partagée. Cette simultanéité est toutefois difficile à observer dans un contexte collaboratif et non artificiel. Les études existantes n’ont pas suffisamment analysé les problèmes rencontrés ni cherché comment le système peut aider à gérer les accès simultanés.Notre approche a consisté à étudier les interactions simultanées en nous orientant vers des situations originales où la couche applicative du système exerce une forte pression sur le rythme d’utilisation. Nous justifions ainsi l’utilisation d’un jeu vidéo comme outil d’exploration et d’expérimentation. Ce mémoire retrace la conception et le développement de RealTimeChess, un jeu pour 2 à 4 joueurs, adapté aux caractéristiques des tables interactives, et inspiré des échecs dans une version s’affranchissant du tour par tour. Nous rapportons les résultats d’expériences menées sur des groupes de 2 à 4 participants en situations de coopération et de compétition, qui ont permis de mettre en évidence des problèmes de gênes physiques et d’accessibilité aux objets distants ; de perception des informations importantes en contexte dynamique ; et de contrôle du rythme de l’interaction.Ce mémoire expose en outre les leçons apprises au niveau de l’interaction simultanée de plusieurs utilisateurs, des aspects de territorialité, des comportements collaboratifs et enfin en proposant des recommandations de Game Design pour tables interactives. / This thesis presents our work in computer science in human-computer interaction (HCI). The subject concerns the use of a new kind of computer called the interactive tabletop display. It is a table whose top is both a screen and a multi-touch detection device. Interactive tabletops open up new uses of computer applications by allowing several co-located users to work or play together on the same system. Tabletop’s users naturally want to interact simultaneously on the shared surface. This simultaneity is difficult to observe in a collaborative and not artificial environment. Existing studies have not sufficiently analyzed the problems nor sought how the system can help manage concurrency.Our approach was to exploring simultaneous interactions by studying original situations where the system puts pressure on users. We explain how we used a video game as an exploration and experimentation tool. This thesis traces the design and development of RealTimeChess, a game for 2-4 players, a real-time version of Chess adapted to tabletops. We report the results of experiments on groups of 2 to 4 participants in situations of cooperation and competition, which helped to highlight problems and physical discomfort of access to remote objects, awareness in dynamic context, and control the pace of interaction.This thesis also presents lessons learned on simultaneous interactions of multiple users, territoriality aspects, collaborative behavior, and finally gives tabletop Game Design guidelines.

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