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Affective automotive user interfaces
Affective automotive user interfaces
Technological progress in the fields of ubiquitous sensing and machine learning has been fueling the development of user-aware human-computer interaction in recent years. Especially natural user interfaces, like digital voice assistants, can benefit from understanding their users in order to provide a more naturalistic experience. Such systems can, for example, detect the emotional state of users and accordingly act in an empathic way. One major research field working on this topic is Affective Computing, where psycho-physiological measures, speech input, and facial expressions are used to sense human emotions. Affective data allows natural user interfaces to respond to emotions, providing promising perspectives not only for user experience design but also for safety aspects. In automotive environments, informed estimations of the driver’s state can potentially avoid dangerous errors and evoking positive emotions can improve the experience of driving. This dissertation explores Affective Automotive User Interfaces using two basic interaction paradigms: firstly, emotion regulation systems react to the current emotional state of the user based on live sensing data, allowing for quick interventions. Secondly, emotional interaction synthesizes experiences which resonate with the user on an emotional level. The constituted goals of these two interaction approaches are the promotion of safe behavior and an improvement of user experience. Promoting safe behavior through emotion regulation: Systems which detect and react to the driver’s state are expected to have great potential for improving road safety. This work presents a model and methods needed to investigate such systems and an exploration of several approaches to keep the driver in a safe state. The presented methods include techniques to induce emotions and to sample the emotional state of drivers. Three driving simulator studies investigate the impacts of emotionaware interventions in the form of implicit cues, visual mirroring and empathic speech synthesis. We envision emotion-awareness as a safety feature which can detect if a driver is unfit or in need of support, based on the propagation of robust emotion detection technology. Improving user experience with emotional interaction: Emotional perception is an essential part of user experience. This thesis entails methods to build emotional experiences derived from a variety of lab and simulator studies, expert feedback, car-storming sessions and design thinking workshops. Systems capable of adapting to the user’s preferences and traits in order to create an emotionally satisfactory user experience do not require the input of emotion detection. They rather create value through general knowledge about the user by adapting the output they generate. During this research, cultural and generational influences became evident, which have to be considered when implementing affective automotive user interfaces in future cars. We argue that the future of user-aware interaction lies in adapting not only to the driver’s preferences and settings but also to their current state. This paves the way for the regulation of safe behavior, especially in safety-critical environments like cars, and an improvement of the driving experience., Aktuelle Fortschritte in den Bereichen des Machine Learning und Ubiquitous Computing ermöglichen es heute adaptive Mensch-Maschine-Schnittstellen zu realisieren. Vor allem natürliche Interaktion, wie wir sie von Sprachassistenten kennen, profitiert von einem verbesserten Verständnis des Nutzerverhaltens. Zum Beispiel kann ein Assistent mit Informationen über den emotionalen Zustand des Nutzers natürlicher interagieren, vielleicht sogar Empathie zeigen. Affective Computing ist das damit verbundene Forschungsfeld, das sich damit beschäftigt menschliche Emotionen durch Beobachtung von physiologischen Daten, Sprache und Mimik zu erkennen. Dabei ermöglicht Emotionserkennung natürliche Interaktion auf Basis des Fahrer/innenzustands, was nicht nur vielversprechend in Bezug auf die Gestaltung des Nutzerelebnisses klingt, sondern auch Anwendungen im Bereich der Verkehrssicherheit hat. Ein Einsatz im Fahrkontext könnte so vermeidbare Unfälle verringern und gleichzeitig Fahrer durch emotionale Interaktion begeistern. Diese Dissertation beleuchtet Affective Automotive User Interfaces – zu Deutsch in etwa Emotionsadaptive Benutzerschnittstellen im Fahrzeug – auf Basis zweier inhaltlicher Säulen: erstens benutzen wir Ansätze zur Emotionsregulierung, um im Falle gefährlicher Fahrerzustände einzugreifen. Zweitens erzeugen wir emotional aufgeladene Interaktionen, um das Nutzererlebnis zu verbessern. Erhöhte Sicherheit durch Emotionsregulierung: Emotionsadaptiven Systemen wird ein großes Potenzial zur Verbesserung der Verkehrssicherheit zugeschrieben. Wir stellen ein Modell und Methoden vor, die zur Untersuchung solcher Systeme benötigt werden und erforschen Ansätze, die dazu dienen Fahrer in einer Gefühlslage zu halten, die sicheres Handeln erlaubt. Die vorgestellten Methoden beinhalten Ansätze zur Emotionsinduktion und -erkennung, sowie drei Fahrsimulatorstudien zur Beeinflussung von Fahrern durch indirekte Reize, Spiegeln von Emotionen und empathischer Sprachinteraktion. Emotionsadaptive Sicherheitssysteme können in Zukunft beeinträchtigten Fahrern Unterstützung leisten und so den Verkehr sicherer machen, vorausgesetzt die technischen Grundlagen der Emotionserkennung gewinnen an Reife. Verbesserung des Nutzererlebnisses durch emotionale Interaktion: Emotionen tragen einen großen Teil zum Nutzerlebnis bei, darum ist es nur sinnvoll den zweiten Fokuspunkt dieser Arbeit auf systeminitiierte emotionale Interaktion zu legen.Wir stellen die Ergebnisse nutzerzentrierter Ideenfindung und mehrer Evaluationsstudien der resultierenden Systeme vor. Um sich den Vorlieben und Eigenschaften von Nutzern anzupassen wird nicht zwingend Emotionserkennung benötigt. Der Mehrwert solcher Systeme besteht vielmehr darin, auf Basis verfügbarer Verhaltensdaten ein emotional anspruchsvolles Erlebnis zu ermöglichen. In unserer Arbeit stoßen wir außerdem auf kulturelle und demografische Einflüsse, die es bei der Gestaltung von emotionsadaptiven Nutzerschnittstellen zu beachten gibt. Wir sehen die Zukunft nutzeradaptiver Interaktion im Fahrzeug nicht in einer rein verhaltensbasierten Anpassung, sondern erwarten ebenso emotionsbezogene Innovationen. Dadurch können zukünftige Systeme sicherheitsrelevantes Verhalten regulieren und gleichzeitig das Fortbestehen der Freude am Fahren ermöglichen.
Affective Computing, Emotion Detection, Interaction Design, Automotive User Interfaces, Human-Computer Interaction, User Studies
Braun, Michael
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Braun, Michael (2020): Affective automotive user interfaces. Dissertation, LMU München: Faculty of Mathematics, Computer Science and Statistics
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Abstract

Technological progress in the fields of ubiquitous sensing and machine learning has been fueling the development of user-aware human-computer interaction in recent years. Especially natural user interfaces, like digital voice assistants, can benefit from understanding their users in order to provide a more naturalistic experience. Such systems can, for example, detect the emotional state of users and accordingly act in an empathic way. One major research field working on this topic is Affective Computing, where psycho-physiological measures, speech input, and facial expressions are used to sense human emotions. Affective data allows natural user interfaces to respond to emotions, providing promising perspectives not only for user experience design but also for safety aspects. In automotive environments, informed estimations of the driver’s state can potentially avoid dangerous errors and evoking positive emotions can improve the experience of driving. This dissertation explores Affective Automotive User Interfaces using two basic interaction paradigms: firstly, emotion regulation systems react to the current emotional state of the user based on live sensing data, allowing for quick interventions. Secondly, emotional interaction synthesizes experiences which resonate with the user on an emotional level. The constituted goals of these two interaction approaches are the promotion of safe behavior and an improvement of user experience. Promoting safe behavior through emotion regulation: Systems which detect and react to the driver’s state are expected to have great potential for improving road safety. This work presents a model and methods needed to investigate such systems and an exploration of several approaches to keep the driver in a safe state. The presented methods include techniques to induce emotions and to sample the emotional state of drivers. Three driving simulator studies investigate the impacts of emotionaware interventions in the form of implicit cues, visual mirroring and empathic speech synthesis. We envision emotion-awareness as a safety feature which can detect if a driver is unfit or in need of support, based on the propagation of robust emotion detection technology. Improving user experience with emotional interaction: Emotional perception is an essential part of user experience. This thesis entails methods to build emotional experiences derived from a variety of lab and simulator studies, expert feedback, car-storming sessions and design thinking workshops. Systems capable of adapting to the user’s preferences and traits in order to create an emotionally satisfactory user experience do not require the input of emotion detection. They rather create value through general knowledge about the user by adapting the output they generate. During this research, cultural and generational influences became evident, which have to be considered when implementing affective automotive user interfaces in future cars. We argue that the future of user-aware interaction lies in adapting not only to the driver’s preferences and settings but also to their current state. This paves the way for the regulation of safe behavior, especially in safety-critical environments like cars, and an improvement of the driving experience.

Abstract

Aktuelle Fortschritte in den Bereichen des Machine Learning und Ubiquitous Computing ermöglichen es heute adaptive Mensch-Maschine-Schnittstellen zu realisieren. Vor allem natürliche Interaktion, wie wir sie von Sprachassistenten kennen, profitiert von einem verbesserten Verständnis des Nutzerverhaltens. Zum Beispiel kann ein Assistent mit Informationen über den emotionalen Zustand des Nutzers natürlicher interagieren, vielleicht sogar Empathie zeigen. Affective Computing ist das damit verbundene Forschungsfeld, das sich damit beschäftigt menschliche Emotionen durch Beobachtung von physiologischen Daten, Sprache und Mimik zu erkennen. Dabei ermöglicht Emotionserkennung natürliche Interaktion auf Basis des Fahrer/innenzustands, was nicht nur vielversprechend in Bezug auf die Gestaltung des Nutzerelebnisses klingt, sondern auch Anwendungen im Bereich der Verkehrssicherheit hat. Ein Einsatz im Fahrkontext könnte so vermeidbare Unfälle verringern und gleichzeitig Fahrer durch emotionale Interaktion begeistern. Diese Dissertation beleuchtet Affective Automotive User Interfaces – zu Deutsch in etwa Emotionsadaptive Benutzerschnittstellen im Fahrzeug – auf Basis zweier inhaltlicher Säulen: erstens benutzen wir Ansätze zur Emotionsregulierung, um im Falle gefährlicher Fahrerzustände einzugreifen. Zweitens erzeugen wir emotional aufgeladene Interaktionen, um das Nutzererlebnis zu verbessern. Erhöhte Sicherheit durch Emotionsregulierung: Emotionsadaptiven Systemen wird ein großes Potenzial zur Verbesserung der Verkehrssicherheit zugeschrieben. Wir stellen ein Modell und Methoden vor, die zur Untersuchung solcher Systeme benötigt werden und erforschen Ansätze, die dazu dienen Fahrer in einer Gefühlslage zu halten, die sicheres Handeln erlaubt. Die vorgestellten Methoden beinhalten Ansätze zur Emotionsinduktion und -erkennung, sowie drei Fahrsimulatorstudien zur Beeinflussung von Fahrern durch indirekte Reize, Spiegeln von Emotionen und empathischer Sprachinteraktion. Emotionsadaptive Sicherheitssysteme können in Zukunft beeinträchtigten Fahrern Unterstützung leisten und so den Verkehr sicherer machen, vorausgesetzt die technischen Grundlagen der Emotionserkennung gewinnen an Reife. Verbesserung des Nutzererlebnisses durch emotionale Interaktion: Emotionen tragen einen großen Teil zum Nutzerlebnis bei, darum ist es nur sinnvoll den zweiten Fokuspunkt dieser Arbeit auf systeminitiierte emotionale Interaktion zu legen.Wir stellen die Ergebnisse nutzerzentrierter Ideenfindung und mehrer Evaluationsstudien der resultierenden Systeme vor. Um sich den Vorlieben und Eigenschaften von Nutzern anzupassen wird nicht zwingend Emotionserkennung benötigt. Der Mehrwert solcher Systeme besteht vielmehr darin, auf Basis verfügbarer Verhaltensdaten ein emotional anspruchsvolles Erlebnis zu ermöglichen. In unserer Arbeit stoßen wir außerdem auf kulturelle und demografische Einflüsse, die es bei der Gestaltung von emotionsadaptiven Nutzerschnittstellen zu beachten gibt. Wir sehen die Zukunft nutzeradaptiver Interaktion im Fahrzeug nicht in einer rein verhaltensbasierten Anpassung, sondern erwarten ebenso emotionsbezogene Innovationen. Dadurch können zukünftige Systeme sicherheitsrelevantes Verhalten regulieren und gleichzeitig das Fortbestehen der Freude am Fahren ermöglichen.