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Development of hands-free interaction techniques and alternative computer access solutions for people with motor-neuron impairments
Esiyok, Cagdas
In our increasingly digitalized world, computers have become indispensable tools by offering several useful services in many aspects of life such as communication, education, commerce, health, social interaction, and entertainment. Unfortunately, most people with motor-impairments have difficulties to access such services because conventional input devices are not concertedly designed for them. Hands-free Computer Accessibility Tools (CATs) help these people to achieve aforesaid useful services for a more inclusive and barrier-free life. However, hands-free computer access is still a challenging task for people with severe motor-impairments of the limbs such as quadriplegics. Especially, when it comes to the people who have only a single voluntary gesture above neck survived (such as blinks or tooth-clicks), hands-free computer access with a single-gesture becomes one of the most challenging tasks in human-computer interaction (HCI).
Through this thesis, we focus on the single-gesture based hands-free computer access problem. The existing HCI solutions on this problem are mostly based on expensive dedicated devices beyond standard computer peripherals. Although the aim of the universal access is enabling equal opportunity by reducing barriers, high-cost of current solutions creates a new barrier financially for the majority of target group. Furthermore, most of the existing single-gesture based hands-free HCI techniques are only compatible with a specific switch-accessible interface. To overcome these deficiencies of the existing HCI solutions, we propose our novel software switch approach. By following the principles of the software switch approach, we also propose four novel software switches which are single-gesture based HCI techniques named as the PuffCam, the PuffMic, the HeadCam, and the HeadGyro. Unlike the existing solutions, our proposed software switches don't require any dedicated devices, and they are compatible with most switch-accessible interfaces.
Although the proposed software switches can allow the users to interact with a computer by a single puff/head gesture, the users require a CAT which is capable of converting the emulated switch presses by software switches into meaningful commands to operate a computer. In accordance with this requirement, we present a new single-switch accessible CAT called the GLOSTER 1.0 with a novel mouse pointing technique within the scope of thesis.
In addition to the above-mentioned contributions, the inadequacies of the existing evaluation tools promote us to design a novel evaluation tool namely the SITbench 1.0. As a benchmark tool, it is able to serve not only for the proposed software switches but also the other available switch-based interaction techniques (SITs). It provides a quicker and more accurate switch evaluation process by collecting and saving the objective data automatically.
In unserer zunehmend digitalisierten Welt sind Computer zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden, da sie in vielen Bereichen des Lebens wie Kommunikation, Bildung und Handel sowie Gesundheit, soziale Interaktion und Unterhaltung verschiedene nützliche Dienste anbieten. Leider haben viele Menschen mit motorischen Beeinträchtigungen Schwierigkeiten, auf solche Dienste zuzugreifen, da konventionelle Eingabegeräte nicht auf sie abgestimmt sind. Freihändige Computerzugangshilfen (Hands-free Computer Accessibility Tools, CATs) helfen diesen Menschen, die oben genannten Dienste zu nutzen und somit ein inklusiveres und barrierefreies Leben in der Computerwelt zu erreichen. Der freihändige Computerzugang ist jedoch immer noch eine Herausforderung für Menschen mit schweren motorischen Beeinträchtigungen der Gliedmaßen, wie z.B. Quadriplegiker. Besonders wenn es um Menschen geht, die mit nur einer einzigen freiwilligen Geste über dem Hals leben (wie Blinzeln oder Zahnklicken), wird der freihändige Computerzugang mit einer einzigen Geste zu einer der anspruchsvollsten Aufgaben in der Mensch-Computer-Interaktion (HCI).
In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf das Problem des freihändigen Computerzugangs mit einer einzigen Geste. Die existierenden HCI-Lösungen für dieses Problem basieren meist auf teuren dedizierten Geräten, die über die Standard-Computerperipherie hinausgehen. Obwohl das Ziel des universellen Zugangs darin besteht, durch den Abbau von Barrieren Chancengleichheit zu ermöglichen, stellen die hohen Kosten der derzeitigen Lösungen für die Mehrheit der Zielgruppe finanziell eine neue Barriere dar. Darüber hinaus sind die meisten der existierenden Single-Gesture-basierten HCI-Freisprechverfahren nur mit einer spezifischen, switch-kompatiblen Schnittstelle kompatibel. Um diese Mängel der bestehenden HCI-Lösungen zu überwinden, schlagen wir unseren neuartigen Software-Switch-Ansatz vor. Wir folgen den Prinzipien des Software-Switch-Ansatzes und schlagen außerdem vier neue Software-Switches vor, die auf Single-Gesture-basierten HCI-Techniken aufbauen und als PuffCam, PuffMic, HeadCam und HeadGyro bezeichnet werden. Im Gegensatz zu den bestehenden Lösungen benötigen unsere vorgeschlagenen Software-Switches keine dedizierten Geräte und sind mit den meisten Switch-zugänglichen Schnittstellen kompatibel.
Obwohl die vorgeschlagenen Software-Switches den Benutzern die Interaktion mit einem Computer durch eine einzige Puff-/Kopf-Geste ermöglichen können, benötigen die Benutzer einen CAT, der in der Lage ist, die emulierten Switch-Pressen durch Software-Switches in sinnvolle Befehle zur Bedienung eines Computers umzuwandeln. Entsprechend dieser Anforderung stellen wir im Rahmen der Doktorarbeit einen neuen mit einer neuartigen Mauszeigertechnik sowie einem einzigen Switch zugänglichen CAT vor - namens GLOSTER 1.0.
Zusätzlich zu den oben genannten Beiträgen haben uns die Unzulänglichkeiten der bestehenden Evaluierungswerkzeuge dazu bewegt, ein neuartiges Evaluierungswerkzeug, nämlich die SITbench 1.0, zu entwerfen. Als Benchmark-Tool ist es in der Lage, nicht nur für die vorgeschlagenen Software-Switches, sondern auch für die anderen verfügbaren switch-basierten Interaktionstechniken (SITs) zu dienen. Es ermöglicht einen schnelleren und genaueren Bewertungsprozess der Switches, indem es die objektiven Daten automatisch sammelt und speichert.
