Augmented Reality for Sailing Navigation. Design and Evaluation of Novel User Interfaces

This thesis deals with the issue of the application of Augmented Reality (AR) technology to nautical navigation, specifically the design and validation of an AR interface for displaying specific navigation information for sailing. Currently, users, while sailing, use small displays for viewing navigation information, fixed on the boat. This way of viewing information causes the user to distract from the navigation scene, who is forced to constantly change the attention between reading the information on the display and the navigation scene. This work to which the user has subjected increases the cognitive load by decreasing safety on board. For this reason, our research goal is to develop a specific AR interface system for sailing that supports sailors by providing them with the information displayed directly in the real environment. The solution will make users avoid taking they take their eyes off the navigation scene, to make safer and more comfortable sailing by increasing accessibility on board. In addition to the ability to view tracked information in the real environment, AR allows to show the invisible in reality; natural phenomena and objects can also be invisible, either by distance or by occlusion, or by lack of light and poor visibility. Therefore, AR allows you to monitor unidentified objects as potential obstacles and dangers, making it easier to make critical decisions, especially by the less experienced; continuous monitoring of navigation data and environmental data is extremely essential to avoid dangerous situations and makes inexperienced sailors more autonomous in ordinary situations. Potential dangers and loss of control of the boat, in the same weather conditions, are directly proportional to the lack of experience of the sailor. AR can be the tool that allows everyone to navigate safely regardless of their level of experience and knowledge of sailing. The research work started from a Systematic Review of the AR graphic interfaces present in scientific literature, combined with in-depth research on the devices on the market, cataloguing and analyzing the type and methods of information represented. A complete list of 154 navigational information useful to users was then created. Through a campaign of questionnaires on 56 experienced sailor users and a panel of experts, the information to be displayed within the AR interface proposed by us was selected. Then we proceeded to the design of the first AR interface proposals, up to the definition of the version to be tested. The proposed AR interface was tested both with monitor display tests by 75 users and with tests using immersive Virtual Reality systems, on a sample of 45 users, to validate the hypothesis that Augmented Reality makes more immediate navigation information in reading, decreasing the user's cognitive load. The results of the tests, the System Usability Scale (SUS) and the User Experience Questionnaire (UEQ), confirm our hypothesis and provide a scientific precedent in the development and validation of AR interface systems for sailing that had never been conducted before. The result of this research is the conception, design, development and validation of an innovative specific interface for sailing, following a complete path that is unprecedented in scientific literature.

Questa tesi affronta il tema dell'applicazione della Realtà Aumentata (AR) alla navigazione nautica, in particolare la progettazione e la validazione di un'interfaccia AR per la visualizzazione di informazioni di navigazione specifiche per la navigazione a vela. Attualmente gli utenti, durante la navigazione, utilizzano piccoli display per la visualizzazione delle informazioni di navigazione, fissi sull'imbarcazione. Questo modo di visualizzare le informazioni fa distrarre l'utente dalla scena di navigazione, che è costretto a cambiare costantemente l'attenzione tra la lettura delle informazioni sul display e la scena di navigazione. Questo lavoro a cui è sottoposto l'utente aumenta il carico cognitivo diminuendo la sicurezza a bordo. Per questo motivo, il nostro obiettivo di ricerca è quello di sviluppare un sistema di interfaccia AR specifico per la vela che supporti i velisti fornendo loro le informazioni visualizzate direttamente nell'ambiente reale. La soluzione farà in modo che gli utenti evitino di distogliere lo sguardo dalla scena della navigazione, per rendere la navigazione più sicura e confortevole aumentando l'accessibilità a bordo. Oltre alla possibilità di visualizzare le informazioni tracciate nell'ambiente reale, AR consente di mostrare l'invisibile nella realtà; anche i fenomeni e gli oggetti naturali possono essere invisibili, sia per distanza che per occlusione, oppure per mancanza di luce e scarsa visibilità. L'AR consente quindi di monitorare gli oggetti non identificati come potenziali ostacoli e pericoli, facilitando le decisioni critiche, soprattutto da parte dei meno esperti; il monitoraggio continuo dei dati di navigazione e dei dati ambientali è estremamente essenziale per evitare situazioni pericolose e rende più autonomi i naviganti inesperti in situazioni ordinarie. I potenziali pericoli e la perdita di controllo dell'imbarcazione, nelle stesse condizioni meteorologiche, sono direttamente proporzionali alla mancanza di esperienza del velista. L'AR può essere lo strumento che permette a tutti di navigare in sicurezza indipendentemente dal proprio livello di esperienza e conoscenza della vela. Il lavoro di ricerca è partito da una Systematic Review delle interfacce grafiche AR presenti nella letteratura scientifica, unita ad un'approfondita ricerca sui dispositivi in ​​commercio, catalogando e analizzando la tipologia e le modalità delle informazioni rappresentate. È stato quindi creato un elenco completo di 154 informazioni di navigazione utili agli utenti. Attraverso una campagna di questionari su 56 velisti esperti e un panel di esperti, sono state selezionate le informazioni da visualizzare all'interno dell'interfaccia AR da noi proposta. Successivamente si è proceduto alla progettazione delle prime proposte di interfaccia AR, fino alla definizione della versione da testare. L'interfaccia AR proposta è stata testata sia con test di visualizzazione a monitor da parte di 75 utenti, sia con test che utilizzano sistemi di Realtà Virtuale immersiva, su un campione di 45 utenti, per validare l'ipotesi che la Realtà Aumentata renda più immediate le informazioni di navigazione in lettura, diminuendo il carico cognitivo dell'utente . I risultati dei test, la System Usability Scale (SUS) e l'User Experience Questionnaire (UEQ), confermano la nostra ipotesi e forniscono un precedente scientifico nello sviluppo e nella validazione di sistemi di interfaccia AR per la vela che non erano mai stati condotti prima. Il risultato di questa ricerca è l'ideazione, la progettazione, lo sviluppo e la validazione di un'interfaccia specifica innovativa per la vela, seguendo un percorso completo che non ha precedenti in letteratura scientifica.