Thèse Année : 2025

Tactile Perception on Haptic Surfaces : Rendering and Recognition of 2D Shapes

Perception tactile des surfaces haptiques : rendu et reconnaissance de formes 2D

Résumé

Modern human-computer interaction is dominated by flat touchscreens that offer little to no haptic feedback. This absence increases cognitive load and creates significant barriers for users with visual impairments. Addressing this shortcoming is crucial for developing the next generation of interactive surfaces that can provide tangible feedback, enhancing usability and immersion in fields such as medical applications, automotive interfaces, and virtual reality. This thesis addresses this challenge by investigating the capabilities and limitations of ultrasonic lubrication for rendering 2D shapes on a flat surface. The central question is: What are the limitations and potential of ultrasonic lubrication for conveying shape information during free tactile exploration? This question is explored through three complementary research axes. The first research axis explores how humans rate the intensity of brief modulations in friction induced by ultrasonic lubrication, revealing that the perceived intensity of an ultrasonic signal is driven by its temporal dynamics rather than the total energy transmitted to the fingerpad. Additionally, the friction reduction contrast has a greater impact on intensity perception than does its rate of change. This latter parameter seems to be more affected by external physiological states, such as finger moisture, which could explain why humans rely less on this fluctuating cue. Thus, the results of this experiment highlight that for robust haptic design, special attention must be paid to the amount of friction reduction to improve intensity perception. The second investigation examines the perception of 2D shapes on an ultrasonic tactile device. Psychophysical experiments demonstrate that shape recognition is fundamentally limited by geometric complexity and shape thickness. Users could recognize simple shapes like lines and sine waves, but performance dropped to chance-level for more complex curves or shapes with large thickness. This suggests that users do not perceive shapes as a whole, but instead engage in a process of detecting the boundaries of frictional transitions to mentally reconstruct the geometry. This mental reconstruction fails when frictional cues become too ambiguous or complex. The final chapter proposes a path to overcome these limitations through a multi-dimensional haptic feedback approach that synergistically combines ultrasonic lubrication with vibrotactile feedback. A preliminary study confirmed the technical feasibility of such a hybrid system. This approach is based on the principle of complementary features: ultrasonic friction can render thin and complex textures, while vibrotactile cues can render larger shapes and boundaries, addressing the critical challenge of edge detection. In conclusion, this thesis establishes that while ultrasonic lubrication alone is insufficient for rendering complex graphics, it is a powerful tool as part of more complex, multimodal haptic surfaces. The foundational knowledge generated here provides guidance for designing the next generation of robust, reliable, and accessible tactile interfaces.

L'interaction homme-machine est aujourd'hui dominée par des écrans tactiles offrant peu ou pas de retour haptique. En plus d'accroître la charge cognitive, cette absence crée d'importantes barrières pour des utilisateurs en situation de handicap, notamment concernant l'accès à l'information numérique. Il est donc crucial de développer une nouvelle génération de surfaces interactives capables de fournir un retour tangible pour améliorer l'ergonomie et l'immersion dans des domaines comme le médical, l'automobile ou la réalité virtuelle. Cette thèse aborde ce défi en étudiant les capacités et les limites de la lubrification ultrasonique pour le rendu de formes 2D sur une surface plane. La question centrale est : quelles sont les limites et quel est le potentiel de la lubrification ultrasonique pour transmettre des informations de forme lors d'une exploration tactile libre ? Cette question est explorée selon trois axes de recherche complémentaires. Le premier axe analyse la perception de l'intensité de brèves modulations de friction générée par des signaux ultrasonores. Il révèle que l'intensité perçue est principalement liée à la dynamique temporelle du signal (son amplitude, la vitesse de transition) plutôt qu'à l'énergie totale transmise au doigt. Le contraste de friction s'avère être un indicateur plus fiable que la vitesse de changement de la friction, ce dernier étant plus sensible à des facteurs physiologiques externes comme l'humidité du doigt. Pour concevoir un retour haptique robuste, il est donc essentiel de privilégier un contraste de friction élevé. Le deuxième axe examine la reconnaissance de formes 2D sur un dispositif tactile à ultrasons. Des expériences psychophysiques montrent que la reconnaissance est limitée par la complexité géométrique et l'épaisseur des formes. Les utilisateurs reconnaissent des formes simples (lignes, sinusoïdes), mais leurs performances chutent pour des courbes plus complexes ou épaisses. Cela suggère une reconstruction cognitive de la géométrie à partir de la détection des transitions de friction, un processus complexe qui échoue lorsque les formes deviennent trop ambiguës. Le dernier chapitre propose une approche multi-dimensionel haptique combinant la lubrification ultrasonique et un retour vibrotactile pour surmonter ces limites. Une étude préliminaire a confirmé la faisabilité technique de ce système hybride. L'approche repose sur la complémentarité des deux technologies : la friction ultrasonore pour le rendu de textures fines et complexes, et les vibrations pour le rendu de formes plus larges et de contours, répondant ainsi au défi de la détection des bords. En conclusion, cette thèse établit que si la lubrification ultrasonique seule est insuffisante pour le rendu de graphiques complexes, elle est cependant un outil puissant pour la mise en place de surfaces haptiques plus sophistiquées avec des retours vibro-frictionnels. Les connaissances fondamentales générées ici offrent des pistes essentielles pour la conception de la prochaine génération d'interfaces tactiles robustes, fiables et accessibles.

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tel-05605049 , version 1 (28-04-2026)

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  • HAL Id : tel-05605049 , version 1

Citer

Baptiste Rohou--Claquin. Tactile Perception on Haptic Surfaces : Rendering and Recognition of 2D Shapes. Human-Computer Interaction [cs.HC]. Sorbonne Université, 2025. English. ⟨NNT : 2025SORUS610⟩. ⟨tel-05605049⟩
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