An increasing amount of information content used in schools, work and everyday living is being presented in graphical form, creating accessibility challenges for individuals who are blind or visually impaired, especially in dynamic environments, such as over the internet. Refreshable haptic displays that can interact with computers can be used to access such information tactually. Main focus of this study was the development of specialized computer applications allowing users to actively compensate for the inherent issues of haptics when exploring visual diagrams as compared to vision, which we hypothesized, would improve the usability of such devices. An intuitive zooming algorithm capable of automatically detecting significant different zoom levels, providing auditory feedback, preventing cropping of information and preventing zooming in on areas where no features were present was developed to compensate for the lower spatial resolution of haptics and was found to significantly improve the performance of the participants. Another application allowing the users to perform dynamic simplifications on the diagram to compensate for the serial based nature of processing 2D geometric information was tested and found to significantly improve the performance of the participants. For both applications participants liked the user interface and found it more usable, as expected. In addition, in this study we investigated methods that can be used to effectively present different visual features as well as overlaying features present in the visual diagrams. Three methods using several combinations of tactile and auditory modalities were tested. We found that the performance significantly improves when using the overlapping method using different modalities. For tactile only methods developed for deaf blind individuals, the toggle method was surprisingly preferred as compared to the overlapping method.

In the driving task, vision, hearing, and the haptic senses are all used by the driver to gather required information. Future Intelligent Transportation Systems components are likely to further increase the volume of information available to or required by the driver, particularly in the case of commercial vehicle operators. The use of alternate modalities to present in-vehicle information is a possible solution to the potential overload of the visual channel. Auditory icons have been shown to improve operator performance and decrease learning and response times, not only in industrial applications, but also as emergency braking warnings. The use of auditory icons in commercial truck cabs has the potential to increase the number of auditory displays that can be distinguished and understood by commercial vehicle operators, and this experiment sought to determine the utility of auditory icons in that situation. Nine auditory icons were evaluated by commercial vehicle operators as they drove an experimental vehicle over public roads. A comparison of the data collected in the truck-cab environment to data collected in a laboratory study on the same auditory icons revealed some differences in the perceived meaning, perceived urgency, and association with the auditory icons' intended meanings between the two conditions. The presence of these differences indicates that driver evaluations of auditory icons can be affected by the environment, and testing should therefore be conducted in a situation that approximates the end-user environment as closely as possible. A comparison of the drivers' brake response times across the three warning conditions (no warning, auditory icon, and soft braking) was also conducted on a closed, secure handling course. Dependent measures included overall brake reaction time and its components, steering response time, time to initial driver action, and categorical measures of driver responses (steering, swerving, braking, and stopping). The results indicated numerically shorter mean response times (on the order of 0.5 seconds for Total Brake Response Time) for the two conditions with warnings, but the differences were not statistically significant. The most likely reason for this lack of significance is the extreme between-subject variability in response times in the no warning condition. An analysis of the response time variance across the three conditions did indicate significantly less variability in operator responses in the two warning conditions. Two of the five dependent measures (Brake Pedal Contact Time and Total Brake Response Time) exhibited significantly reduced variance in the auditory icon warning condition compared to the no warning condition. The soft braking warning condition exhibited significantly reduced variance for four of the dependent measures (Accelerator Reaction Time, Brake Pedal Contact Time, Total Brake Response Time, and First Reaction Time). These results indicate that a soft braking stimulus like that used in this study could potentially prove to be a more effective emergency braking warning than simple auditory warnings alone. / Master of Science

Aufgrund der stetig wachsenden Weltbevölkerung bei gleichzeitig sinkenden Agrarressourcen ist die Automatisierung auf dem Feld notwendig. Die dafür erforderlichen Maschinen, Technologien und Datenströme sind im entstehen und z. T. verfügbar. Jedoch ist die Automatisierung auf dem Feld im Vergleich zur Fabrikautomation zusätzlichen Störgrößen ausgesetzt, die eine permanent verfügbare Eingriffsressource notwendig machen. Der Autor postuliert die Entstehung von Maschinen Teams, die von einem besetzten Schlepper geführt werden. Durch die Führung der zusätzlichen Automaten, in deren Programmablauf eingegriffen werden muss, wird die Komplexität der Mensch-Maschine Schnittstelle zunehmen. Hier ist aber schon eine Grenze erreicht, sodaß zusätzliche Bedienelemente oder weitere Displays keine Lösung darstellen. Als Lösung werden hier Elemente aufgezeigt, die Flexibilität in der Bedienung und in der Darstellung optimieren und so zu einem permanenten Wechsel in puncto Maschinenbedienung fähig sind. An einem realisierten Prototyp werden Technologien und Funktionsumfänge deutlich gemacht.

Für den Zugang zu grafischen Benutzungsoberflächen (GUIs) stehen blinden Menschen so genannte Screenreader und Braillezeilen zur Verfügung. Diese ermöglichen zwar das nicht-visuelle Wahrnehmen textueller Inhalte, allerdings kein effektives Arbeiten mit bildlichen Darstellungen. Neuartige taktile Flächendisplays können eine geeignete Lösung für den interaktiven Zugang zu tastbaren Grafiken darstellen und somit die Interaktionsmöglichkeiten blinder Benutzer im Umgang mit grafischen Anwendungen bereichern. Beispielsweise erlauben derartige Geräte nicht nur das Erkunden räumlicher Anordnungen, sondern darüber hinaus auch die kombinierte Ausgabe von Braille, Grafik und semi-grafischen Elementen. Um die deutlich größere Menge an gleichzeitig darstellbaren Informationen beherrschbar zu machen, sind neben entsprechenden Inhaltsaufbereitungen und Navigationsmechanismen auch geeignete Orientierungshilfen bereitzustellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde am Beispiel der BrailleDis Geräte der Metec AG, welche eine taktile Ausgabefläche von 120 mal 60 Stiften bereitstellen, untersucht, inwieweit flächige Brailledisplays blinden Menschen eine effektive und effiziente Bedienung grafischer Benutzungsoberflächen ermöglichen. Neben dem Zugang zur GUI selbst sowie dem Lesen von Texten stellt dabei insbesondere das Arbeiten mit Grafiken einen wichtigen Aspekt dar. Um die Bedienung auf einem taktilen Flächendisplay zu erleichtern, ist eine konsistente Organisation der Inhalte hilfreich. Hierfür wurde ein neuartiges taktiles Fenstersystem umgesetzt, welches die Ausgabe nicht nur in mehrere disjunkte Bereiche unterteilt, sondern auch verschiedene taktile Darstellungsarten unterstützt. Zur Systematisierung der Gestaltung und Evaluation derartiger taktiler Benutzungsoberflächen sowie der darin stattfindenden Benutzerinteraktionen wurde zunächst eine Taxonomie erarbeitet. Dabei wurden neben der Interaktion selber, welche durch die Ein-und Ausgabe sowie die Handbewegungen des Benutzers beschrieben werden kann, auch die Benutzerintention in Form von taktilen Elementaraufgaben sowie die technischen Spezifikationen des Geräts mit einbezogen. Basierend auf der Taxonomie wurden anschließend relevante Aspekte identifiziert, welche in mehreren Benutzerstudien mit insgesamt 46 blinden und hochgradig sehbehinderten Menschen untersucht wurden. Die betrachteten Untersuchungsfragen betrafen dabei einerseits die Effektivität der Ausgabe in Form verschiedener taktiler Ansichtsarten sowie die Eingabe und Erkundung durch den Benutzer, andererseits auch Aspekte zur Effizienz konkreter Interaktionstechniken. Als Ergebnis der einzelnen Studien wurden abschließend konkrete Empfehlungen zur Umsetzung von Benutzungsoberflächen auf flächigen Brailledisplays gegeben. Diese beinhalten insbesondere Aspekte zur Ergonomie von taktilen Flächendisplays, zur Anzeige von textuellen Inhalten, zur Darstellung und Interaktion mit grafischen Inhalten sowie zu Orientierungshilfen. Insgesamt konnte mit Hilfe der Benutzerstudien gezeigt werden, dass flächige Brailledisplays blinden Menschen einen effektiven und effizienten Zugang zu grafischen Benutzungsoberflächen ermöglichen. Verschiedene taktile Darstellungsarten können dabei das Lösen unterschiedlicher Aufgaben unterstützen. Generell erfordert die flächige Interaktion vom Benutzer allerdings auch die Erweiterung seiner konventionellen Erkundungs-und Eingabestrategien. Die Bereitstellung neuartiger Interaktionstechniken zur Unterstützung der Orientierung kann die Effizienz zusätzlich steigern. / Blind people normally use screen readers as well as single-lined refreshable Braille displays for accessing graphical user interfaces (GUIs). These technologies allow for a non-visual perception of textual content but not for an effective handling of visual illustrations. Novel two-dimensional tactile pin-matrix devices are an appropriate solution to interactively access tactual graphics. In this way, they can enrich the interaction possibilities of blind users in dealing with graphical applications. For instance, such devices enable the exploration of spatial arrangements and also combine output of Braille, graphics and semi-graphical elements. To make the high amount of simultaneously presented information perceivable and efficiently usable for blind users, an adequate preparation of content as well as adapted navigation and orientation mechanisms must be provided. In this thesis the BrailleDis devices of Metec AG, which have a tactile output area of 120 times 60 pins, were used. The goal was to investigate to what extent large pin-matrix devices enable blind people to use graphical user interfaces effectively and efficiently. Access to the GUI itself, reading text, and dealing with graphics are the main aspects of the application area of such devices. To facilitate the operation on a two-dimensional pin-matrix device a consistent organization of the content is helpful. Therefore, a novel tactile windowing system was implemented which divides the output area into multiple disjunctive regions and supports diverse tactile information visualizations. Moreover, a taxonomy was developed to systematize the design and evaluation of tactile user interfaces. Apart from interaction that can be described by input and output as well as hand movements, the taxonomy includes user intention in terms of interactive task primitives and technical specifications of the device. Based on the taxonomy, relevant aspects of tactile interaction were identified. These aspects were examined in multiple user studies with a total of 46 blind and visually impaired participants. The following research topics were considered during the user studies: 1. the effectiveness of diverse tactile view types (output), 2. user input and exploration, and 3. the efficiency of specific interaction techniques. As a result, practical recommendations for implementing user interfaces on two-dimensional pin-matrix devices were given. These recommendations include ergonomic issues of physical devices as well as design considerations for textual and graphical content as well as orientation aids. In summary, the user studies showed that two-dimensional pin-matrix devices enable blind people an effective and efficient access to graphical user interfaces. Diverse tactile information visualizations can support users to fulfill various tasks. In general, two-dimensional interaction requires the extension of conventional exploration and input strategies of users. The provision of novel interaction techniques for supporting orientation can help to increase efficiency even more.

Für den Zugang zu grafischen Benutzungsoberflächen (GUIs) stehen blinden Menschen so genannte Screenreader und Braillezeilen zur Verfügung. Diese ermöglichen zwar das nicht-visuelle Wahrnehmen textueller Inhalte, allerdings kein effektives Arbeiten mit bildlichen Darstellungen. Neuartige taktile Flächendisplays können eine geeignete Lösung für den interaktiven Zugang zu tastbaren Grafiken darstellen und somit die Interaktionsmöglichkeiten blinder Benutzer im Umgang mit grafischen Anwendungen bereichern. Beispielsweise erlauben derartige Geräte nicht nur das Erkunden räumlicher Anordnungen, sondern darüber hinaus auch die kombinierte Ausgabe von Braille, Grafik und semi-grafischen Elementen. Um die deutlich größere Menge an gleichzeitig darstellbaren Informationen beherrschbar zu machen, sind neben entsprechenden Inhaltsaufbereitungen und Navigationsmechanismen auch geeignete Orientierungshilfen bereitzustellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde am Beispiel der BrailleDis Geräte der Metec AG, welche eine taktile Ausgabefläche von 120 mal 60 Stiften bereitstellen, untersucht, inwieweit flächige Brailledisplays blinden Menschen eine effektive und effiziente Bedienung grafischer Benutzungsoberflächen ermöglichen. Neben dem Zugang zur GUI selbst sowie dem Lesen von Texten stellt dabei insbesondere das Arbeiten mit Grafiken einen wichtigen Aspekt dar. Um die Bedienung auf einem taktilen Flächendisplay zu erleichtern, ist eine konsistente Organisation der Inhalte hilfreich. Hierfür wurde ein neuartiges taktiles Fenstersystem umgesetzt, welches die Ausgabe nicht nur in mehrere disjunkte Bereiche unterteilt, sondern auch verschiedene taktile Darstellungsarten unterstützt. Zur Systematisierung der Gestaltung und Evaluation derartiger taktiler Benutzungsoberflächen sowie der darin stattfindenden Benutzerinteraktionen wurde zunächst eine Taxonomie erarbeitet. Dabei wurden neben der Interaktion selber, welche durch die Ein-und Ausgabe sowie die Handbewegungen des Benutzers beschrieben werden kann, auch die Benutzerintention in Form von taktilen Elementaraufgaben sowie die technischen Spezifikationen des Geräts mit einbezogen. Basierend auf der Taxonomie wurden anschließend relevante Aspekte identifiziert, welche in mehreren Benutzerstudien mit insgesamt 46 blinden und hochgradig sehbehinderten Menschen untersucht wurden. Die betrachteten Untersuchungsfragen betrafen dabei einerseits die Effektivität der Ausgabe in Form verschiedener taktiler Ansichtsarten sowie die Eingabe und Erkundung durch den Benutzer, andererseits auch Aspekte zur Effizienz konkreter Interaktionstechniken. Als Ergebnis der einzelnen Studien wurden abschließend konkrete Empfehlungen zur Umsetzung von Benutzungsoberflächen auf flächigen Brailledisplays gegeben. Diese beinhalten insbesondere Aspekte zur Ergonomie von taktilen Flächendisplays, zur Anzeige von textuellen Inhalten, zur Darstellung und Interaktion mit grafischen Inhalten sowie zu Orientierungshilfen. Insgesamt konnte mit Hilfe der Benutzerstudien gezeigt werden, dass flächige Brailledisplays blinden Menschen einen effektiven und effizienten Zugang zu grafischen Benutzungsoberflächen ermöglichen. Verschiedene taktile Darstellungsarten können dabei das Lösen unterschiedlicher Aufgaben unterstützen. Generell erfordert die flächige Interaktion vom Benutzer allerdings auch die Erweiterung seiner konventionellen Erkundungs-und Eingabestrategien. Die Bereitstellung neuartiger Interaktionstechniken zur Unterstützung der Orientierung kann die Effizienz zusätzlich steigern. / Blind people normally use screen readers as well as single-lined refreshable Braille displays for accessing graphical user interfaces (GUIs). These technologies allow for a non-visual perception of textual content but not for an effective handling of visual illustrations. Novel two-dimensional tactile pin-matrix devices are an appropriate solution to interactively access tactual graphics. In this way, they can enrich the interaction possibilities of blind users in dealing with graphical applications. For instance, such devices enable the exploration of spatial arrangements and also combine output of Braille, graphics and semi-graphical elements. To make the high amount of simultaneously presented information perceivable and efficiently usable for blind users, an adequate preparation of content as well as adapted navigation and orientation mechanisms must be provided. In this thesis the BrailleDis devices of Metec AG, which have a tactile output area of 120 times 60 pins, were used. The goal was to investigate to what extent large pin-matrix devices enable blind people to use graphical user interfaces effectively and efficiently. Access to the GUI itself, reading text, and dealing with graphics are the main aspects of the application area of such devices. To facilitate the operation on a two-dimensional pin-matrix device a consistent organization of the content is helpful. Therefore, a novel tactile windowing system was implemented which divides the output area into multiple disjunctive regions and supports diverse tactile information visualizations. Moreover, a taxonomy was developed to systematize the design and evaluation of tactile user interfaces. Apart from interaction that can be described by input and output as well as hand movements, the taxonomy includes user intention in terms of interactive task primitives and technical specifications of the device. Based on the taxonomy, relevant aspects of tactile interaction were identified. These aspects were examined in multiple user studies with a total of 46 blind and visually impaired participants. The following research topics were considered during the user studies: 1. the effectiveness of diverse tactile view types (output), 2. user input and exploration, and 3. the efficiency of specific interaction techniques. As a result, practical recommendations for implementing user interfaces on two-dimensional pin-matrix devices were given. These recommendations include ergonomic issues of physical devices as well as design considerations for textual and graphical content as well as orientation aids. In summary, the user studies showed that two-dimensional pin-matrix devices enable blind people an effective and efficient access to graphical user interfaces. Diverse tactile information visualizations can support users to fulfill various tasks. In general, two-dimensional interaction requires the extension of conventional exploration and input strategies of users. The provision of novel interaction techniques for supporting orientation can help to increase efficiency even more.