情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 201717INT010
2017/3/2

2 次元のタッチ操作を可能とする 3D オブジェクトのプロトタイピング手法
加藤 邦拓1,2,a)

山中 祥太1,2,b)

宮下 芳明1,c)

概要：スマートフォンやタブレット端末などの普及に伴い，導電性素材を配置した物理インタフェースを静電容量式タッチパネル上で使用するインタラクションが数多く提案されてきた．しかし，既存研究ではタッチパネル上で導電性素材が接触している箇所において「点」としてタッチ入力を発生させるか，スク
ロールのように「線」としてタッチ入力を発生させることしかできなかった．本研究では 3D オブジェク
ト表面に配置した「導電性の点群」を介することでタッチ入力を発生させる．これにより，3D オブジェク
ト上で行われた操作をタッチパネル上に伝え，手書き文字入力やポインティングなど自由自在な 2 次元のタッチ操作が行える．提案するオブジェクトは 3D プリンタによって容易にプロトタイピングできる．また，本研究では提案した 3D オブジェクトによるタッチ認識精度及び入力デバイスとしての性能評価を行い，その有用性を示した．

Prototyping Technique for 3D-Printed Objects with 2D Touch Input
Kunihiro Kato1,2,a)

Shota Yamanaka1,2,b)Homei Miyashita1,c)

Abstract: In recent years, several studies have adopted a variety of approaches for the realization of interfaces based on capacitive touch panels. We propose the use of a 3D-printed object that a user can use as
a 2-dimensional touch input area. Our technique can generate a continuous touch input by using “multiple
conductive points” on the face of the 3D-printed object. This technique also enables a variety of touch
operations on a 2D planar area (e.g., hand writing input, and pointing tasks). By bending the wiring orchanging the interval at which the conductive materials are printed, a wide range of touch interfaces can berealized. We describe the conditions required to create our 3D-printed object and evaluate the recognition
accuracy of the touch operations. In addition, we also describe an experiment that we conducted, involving
a pointing task, to evaluate the performance of the 3D-printed object when used as a track pad.

1. はじめにこうした手法はタッチパネル上に置いて使用する物理イン
タフェース [12] や，タッチパネルを拡張するためのインタ

今日，スマートフォンやタブレット端末などの静電容量

フェース [24] など様々なインタラクションに応用されて式タッチパネルを備えたデバイスが数多く普及している．

きた．また，金属箔や導電性インクを用いることで容易に

静電容量式タッチパネルは人体などの接地した導電体の接実装ができるため，インタフェースのプロトタイピング手

近を検知することで認識を行っており，金属などの導電性法としても有用であることが示されている [21], [27], [28]．

素材を介することでもタッチ入力を認識することができる．

しかし従来手法では，タッチパネル上の導電性素材が接触した特定の箇所で「点」としてタッチ入力を発生させる，

1

2

a)
b)
c)

明治大学
Meiji University, Nakano, Tokyo, Japan
日本学術振興会
JSPS, Chiyoda, Tokyo, Japankkunihir@meiji.ac.jp
stymnk@meiji.ac.jp
homei@homei.com© 2017 Information Processing Society of Japanもしくはスクロール操作のように「線」としてタッチ入力を発生させるなど単純な入力しか実現されていなかった．
本研究では，こうした静電容量式タッチパネル上で使用する物理インタフェースの新たな提案として，2 次元の77

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クトをタンジブルユーザインタフェース (TUI) として活用する研究が行われてきた．特に電気的に接続された複数の導電性素材によりマルチタッチ入力を発生させ，物理オブジェクトの位置や向きを識別する手法が多数報告されている [5], [12], [23]．ユーザが導電性素材に触れていたとしても，タッチパネル上に接触する導電性素材が細い線や小さ
図 1

導電性の点群によるタッチ入力の発生．3D オブジェクト上でな点であった場合はタッチ入力が発生しないことも報告さ行われた操作をタッチパネル上に伝え，自由自在な 2 次元のれている [27]．紙窓 [27] はそのことを利用し，導電性素材

タッチ操作を実現する．平面だけでなく半球，凹凸平面などのタッチ入力を発生させる部分と，それらを接続するため様々な形状のタッチインタフェースを実現可能．

の配線を全て同一平面上に実装する手法を実現している．

Fig. 1 Generating touch input with conductive points. This
technique also enables a variety of touch operations on
a 2D planar area.

Our interface allows the user to

3D-print free-shaped interfaces (e.g., a hemispherical
trackball-like interface).

また，GaussBricks [14] は物理オブジェクト内部に埋め込まれた磁石を用いたインタラクションに関する研究であるが，その応用例のひとつとしてオブジェクト上でのタッチ操作を，導電性素材によってタッチパネル上に伝えるアプ
リケーションを示している．CapCodes [8] では，マルチタッチ操作が可能なインタフェースを実現する．提案手法

タッチ入力を発生させるインタフェースを 3D プリンタにでは，1 点だけでは十分な静電容量の変化を起こせないよ

よって出力する手法を提案している．また，PUCs [29] でうな面積の小さい導電性の「点」を複数同時に触れること

は複数の足を持ったブリッジ状の物理オブジェクトをタッ

でタッチ入力を発生させる (図 1 左)．これにより 3D オ

チパネル内部の電極に対して斜めに配置することで，人体ブジェクトの任意表面上を，トラックパッドのような 2 次の接触を必要としないタッチ認識を実現している．TUIC

元入力が可能な入力領域として使用できる．従来手法に比[23] にて提案された手法のひとつとして，静電容量の変化

べ，手書き文字入力やポインティングなど自由自在なタッを自動的に発生させるための回路を用いる手法も提案され

チ操作が行える．また，提案する 3D オブジェクトは熱溶ている．これらに対し，本研究ではタッチパネルとの接触解積層方式 (FDM) 3D プリンタによる導電性・非導電性樹

面積が小さく，タッチ入力の発生ができないような導電性

脂の 2 色造形により作成する．これにより，平面だけでなの「点」を複数同時に触れることで静電容量の変化を与え，く，曲面や凹凸面などの形状を持つ様々なタッチ入力イン

タッチ認識を行う手法を検討する．

タフェースを実現した．例えば，図 1 右は半球体のタッチ

TUI としての活用法の他に，タッチパネル外部からの入インタフェースである．この半球体のタッチインタフェー

力を行うデバイスとして使用しているものもある．Clip-on

スを用いてディスプレイ上に表示された球体を操作する

Gadgets [24] はボタンやダイヤルなどのインタフェースをなど，コンテンツに合った操作体験を提供することができ持つクリップ状のデバイスを提案している．クリップ上のる．また，オブジェクト内部の導電性素材を曲げたり，間ボタンやダイヤルをユーザが操作した際に導電性ゴムを介隔を変えることで，3D オブジェクト上での操作をそのましてタッチ入力を発生させることで，触覚フィードバック

まタッチパネル上に伝えるだけでなく，より多彩な入力デを持つインタフェースを実現している．この他にも，スラバイスとして使用することができる．本研究では 3D プリ

イダやダイヤル，ボタンなどの物理オブジェクトを配置しントの際に必要な諸条件を示し，それにより作成する 3D

たタブレット端末を，大型ディスプレイを操作するためのオブジェクトの造形精度及び，タッチ認識精度について評

コントローラとして使用する手法 [10] も提案されている．

価を行った．また，提案デバイスのユーザビリティを評価

ここまでに述べた研究は全てタッチパネル上で導電性素するためのポインティングタスクを実施し，フィッツの法材が接触している箇所における，タッチ入力の ON-OFF 制

則における操作性の検証を行った．

御しか行うことができなかった．これに対し ZebraWidgets

2. 関連研究2.1 静電容量式タッチパネル[5] と ExtensionSticker [28] は，等間隔に並べられた細い導電性素材を介したタッチ入力により，スクロール操作のような連続的タッチ入力の発生を実現している．ユーザがこ静電容量式タッチパネル上で実物体を活用する手法はれらのインタフェース上で指をスライドさせる操作を行う

SmartSkin [16] にて提案されており，多くの研究で使用さと，指と接触している導電性の箇所が順にずれていく．これている．静電容量式タッチパネルは人体などの接地されれにより，発生させたタッチ入力が途切れることなく，連続た導電体の接近を検知することでタッチ認識を行っており，的な入力を実現した．ZebraWidgets では「ゼブラゴム」と金属などの導電性素材を介することでもタッチ入力ができ呼ばれる導電性素材を用いて実装をしている．直線またはる．これを利用し，タッチパネル上に載せた物理オブジェ

円形に曲げたゼブラゴムをアクリルのブロックにはめ込み，© 2017 Information Processing Society of Japan78

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スライダやダイヤルなどのインタフェースとして使用して用の特殊な 3D プリンタが必要となる．そのため本研究でいる．ExtensionSticker では，導電性インクによって縞模は，比較的に安価な FDM 方式 3D プリンタを対象とし，様状のパターンを印刷することでインタフェースを作成し比較的に安価で入手しやすい導電性・非導電性の樹脂の一ている．ユーザは印刷された縞模様パターン上でタッチ操

括造形によるプロトタイピングを行う．

作を行うことで，ExtensionSticker がタッチパネル上に貼り付けられた箇所において連続的タッチ入力を発生させる

3. 導電性の点群を介したタッチ入力ことができる．印刷する縞模様パターンの形状を変えるこ本研究では，格子状に配置した「導電性の点群」を複数とで，ユーザの回転操作をタッチパネル上でのスクロール

同時に触れることでタッチ入力を発生させる 3D オブジェ

操作に変換したり，指 1 本でピンチ操作を行うなど様々なクトを実現する．3D オブジェクト上でのユーザのタッチ

インタフェースを実現している．また，ExtensionSticker

操作をタッチパネル上に伝え，2 次元のタッチ入力を可能の応用例として，縞模様状の導電部を持つ 3D オブジェクとする．また，ユーザは FDM 方式 3D プリンタを用いる

ト上でのタッチ操作を可能とする TUI [19] も提案されてことで容易にインタフェースをプロトタイピングすることいる．しかし，ZebraWidgets 及び ExtensionSticker の手ができる．提案する 3D オブジェクトは，ユーザがタッチ

法 (文献 [19] を含む) では直線または曲線状の動きとして入力を行う箇所 (入力部) と，タッチパネル上に接しタッ

しかタッチ入力を発生できなかった．これに対し，本研究

チ入力を発生させる箇所 (出力部) からなる．入出力部にで提案する 3D オブジェクトは 2 次元のタッチ領域としはそれぞれ複数の導電性の点が格子状に配置されている．

て利用可能なインタフェースとして使用できる．従来手法

入出力部の点はそれぞれ 1 対 1 対応しており，オブジェ[5], [28] と提案手法は，マウスホイール (1 次元の操作) とクト内部を通して接続されている．ユーザがオブジェク

トラックパッド (2 次元の操作) のように，明確に異なるイ

ト表面上の複数の点を触れることで 1 点のタッチ入力とンタフェースである．後者のインタフェースでは，ポイン

して認識することができる．また，ユーザが入力部上で指ティングや手書き文字入力など遥かに多くの応用ができる．

をスライドさせることで，指と点群の接触箇所が順にずれていく．これにより，タッチ入力を途切らせることなく

2.2 3D プリンタによるプロトタイピング

3D オブジェクト上でのタッチ操作をタッチパネル上に伝FDM 方式 3D プリンタを用いたインタフェースのプロトえることができる．基本的なアプローチは ZebraWidgets，

タイピング手法はこれまでにも提案されている．PrintPut

ExtensionSticker の手法を基にしているが，本手法では導[3] は 3D プリントしたオブジェクトに対し，導電性樹脂

電性の点群を用いることで，2 次元の任意箇所でのタッチを用いて回路を埋め込む手法を提案しており，タッチセン入力を実現している点で異なる．

サやスライダなどを作成している．PrintPut で示されているインタフェースは全て，外部に取り付けたマイコンと

4. 3D オブジェクトのプロトタイピング手法

センサを通じて取得した数値からユーザの操作を認識して本研究では，2 つのノズルを持つ RepRap[11] プロジェ

いる．これに対し，本研究では静電容量式タッチパネル上

クトをベースとした FDM 方式 3D プリンタ (BS01 Dual

で使用するインタフェースのプロトタイピングを対象としABS/PLA Model, Bonsai Lab.Inc.) を用いて導電性の点ており，タッチパネルデバイス以外のセンサ等を必要とし群を持つオブジェクトを造形する．樹脂を押し出すノズル

ない．Capricate [18] ではこうした，内部に回路を持つ 3D

は 0.4 mm 口径を使用し，使用する樹脂は 1.75 mm 径でオブジェクトをデザインするためのシステムを提案していある．3D オブジェクト表面に並んでいる入出力部の導電る．また，Capricate のインタフェース例として，前節で性の点群は「柱」のような形で内部に埋め込まれる (図 1

述べたようなタッチパネル上で使用するインタフェースの左参照)．以降，本章では 3D オブジェクトの表面に露出作成例も示している．

する入出力部とそれらを接続する内部配線を含めた導電FDM 方式以外の 3D プリンタを活用した研究も数多く

性素材を「導電性の柱」と表現する．導電性の樹脂には，報告されている．PAPILLON [2] では，Polyjet 方式の 3Dグラフェンベースの PLA 樹脂 (Graphene 3D Lab. 製, 体

プリンタを用いることで，光ファイバのようなパイプを造

積抵抗: 0.6 Ω・cm) を使用する．3D プリンタの制御には形しており，赤外線センサを用いることでユーザのタッチ

Repetier-Host を，スライサには Slic3r を使用する．これ

入力を認識するインタフェースを実現している．Polyjet

らはいずれもフリーソフトであり，RepRap ベースの 3D

方式 3D プリンタは，一般に FDM 方式 3D プリンタより

プリンタ全般で使用することができる．

高精細な造形が可能である．一方で，FDM 方式に比べ高提案手法によりタッチ入力を発生させるために，内部に価な専用の樹脂が必要となり，高いコストがかかる．造形

配線された隣り合う導電性の柱同士が接触せず，完全に独物に対し，導電性素材を埋め込む手法 [6] を用いることで立した状態である必要がある．また，入出力部を繋ぐ経路提案手法と同様のインタフェースを作成可能であるが，専が断線していない必要がある．一方で FDM 方式 3D プリ© 2017 Information Processing Society of Japan79

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2017/3/2の場合 96 %以上となり，間隔が広くなるほど線同士が接触する確率が下がることがわかる (図 3(a))．また，柱の幅の違いには大きな影響は見られなかった．ここで評価に使用したプレートに着目すると，導電部の端が横に広がっていることが確認できる (図 2)．これは出力時に押し出された樹脂の滲みにより発生しており，隣り合う導電性の柱同士の接触の原因のひとつであると考えられる．
そこで，実験に使用したプレートの両端を 1 mm ずつ切
図 2

造形精度評価用プレート．10 本の導電性の線は造形時に内部に埋め込まれる点群の 1 列分に相当する．

断し，再度接触状態の測定を行ったところ，非接触率は間隔 0.8 mm の場合でも 98 %，1.6 mm の場合 100 %の精Fig. 2 Striped pattern plates. This plate is equivalent to con-度で柱同士が接触していない結果となった (図 3(b))．こ

ductive points standing in a row of grid-layout conduc-のことから，提案手法では 3D オブジェクト造形後に点群

tive points.

の表面 (入出力部) をヤスリなどにより，余分に溢れ出た導電性の樹脂を取り除くことで接触確率を下げることができンタによる 2 色造形の際，造形品質が低下してしまう問る．また，提案オブジェクトをタッチパネル上で使用する題も報告されている [9]．待機中のプリントヘッドから溢

際，出力部がタッチパネル上に接触している必要がある．

れる樹脂による汚れなどによって，隣り合った導電性の配そのため出力部を平面にするという意味でも，ヤスリがけ

線同士が接触してしまう恐れがある．また，面積の小さなを行うことが有効だといえる．今回示した条件を基にし，「点」を積層する場合，もう一方のノズルから出力される樹かつ一定以上の長さの「線」の積層により造形することで，脂によって塗りつぶされてしまい，内部で断線する可能性

内部に複雑な形状の配線を持つ場合でも高精度に 3D プリがある．提案手法ではこうした問題を解決し 3D オブジェントできることを確認している．

クトを造形する手法を検討する必要がある．

なお，今回の調査では特定の 3D プリンタ環境でのみ

Clean color [9] で述べられているようなソフトウェア上行っているが，本研究では RepRap ベースの 3D プリンタ

での造形パスの工夫に加え，本研究では 3D オブジェクトの使用を想定している．そのため特定のメーカの 3D プリ

を 90 度傾け，内部の導電性の柱が横たわるような向きに

ンタ環境に限らず，様々な 3D プリンタに同様の条件を適して造形を行う (図 2 左)．これにより導電性の柱を 1 本用することができる．また，3D プリンタ自体の改造や，制ずつ「線」として積層できるため，オブジェクト内部配線

御ソフトウェア上で特殊な設定を施すことなく実現していの断線を避けることができる．また，1 列分の柱を造形しる．一般に，3D プリンタの造形品質を左右する要因のひ終えた際に，非導電性樹脂の層が造形される (図 2 左・中とつとして，ノズル口径の大きさがある．これは，ノズル段)．これにより導電性の層をカバーできるため，高さ方向

口径の大きさによって一度に出力される造形パスの最低幅で隣り合う柱同士の接触を避けることができる．これらをが決定されるからである．今回，特殊な環境下での造形は踏まえ，オブジェクト内部の導電性の柱同士の接触につい行わず，市販されている比較的安価な 3D プリンタを用いて評価を行った．図 2 右に示すような，1 列分の導電性のた造形を行っているため，標準サイズである 0.4 mm 口径

柱を積層したプレートを複数造形する．この際，造形したのノズルを採用した．これをより細いものを採用すること隣り合う導電性素材同士が接触していないかについて調査

で，導電性の点群をより小さくし，かつ造形精度の更なるを行う．前述したとおり，今回採用した造形方法では積層向上も見込むことができると考えられる．

時の高さ方向で接触する確率は非常に低い．そのためここでは横方向に並んだ柱同士の接触のみを評価対象とする．
評価には，最大 20 M Ω まで測定可能なテスタを使用し，隣り合う導電性の柱の接触状態を調査する．各導電部について，上部，中部，下部の 3 箇所についてテスタを当て，一度以上反応があった場合をエラー (接触している) とし，
各パラメータの組み合わせについて非接触率を算出する．
評価用のプレートには，柱の幅，間隔を 0.8, 1.6 mm の 2種類ずつ用意し，それらの組み合わせ (合計 4 パターン)について評価を行う．導電性の柱は 1 枚のプレートにつき

図 3 造形精度: (a) ヤスリがけ前，(b) ヤスリがけ後．

10 本とし，各プレートを 10 枚ずつ用意し評価を行う．

Fig. 3 Reliability rate: (a) Non-treated plate, (b) after cutting

結果，非接触率は間隔が 0.8 mm 場合 75 %以上，1.6 mm© 2017 Information Processing Society of Japanthe edge of the plate.

80

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図 4

17INT010
2017/3/2(a) 側面でのタッチ入力, (b) タッチ移動量の変換, (c) タッチ操作の変換.

Fig. 4 (a) Side touch interface, (b) Changing the Control-Display gain, (c) Transforming the touch movement.

5. インタフェース例

し，それと同じ動きを実現する 3D オブジェクトを出力す
れば，マクロのようなタッチ入力の記録・再生を実現でき提案手法によって発生させたタッチ入力を可視化するたる．また Android OS のパターンロック解除に応用するこめ，簡単なドローソフトを実装した．図 4(b) 左上のようとで，スクロール操作をするだけでロックを解除するなど，に，入力領域 (下部) で行われたタッチ入力を表示領域 (上簡易的な認証にも使用できる．提案手法は 3D プリンタに部) に描画する．以下に示す例は全てこのドローソフトを

よって様々な形状の 3D オブジェクトに適用することがで使用して提案手法によるタッチ入力の軌跡を描画している．

きる．そのため，例えばキャラクタの形状をしたキーホル

図 4(a) は，直角に曲げた導電部をオブジェクト内部に積ダとして簡易認証インタフェースを持ち歩くことも可能で層することで側面でのタッチ入力を可能としている．これある．ExtensionSticker の手法では，印刷するパターンのにより側面入力を可能とするスマートフォンケースの実現

形状を変えることで，ユーザの回転操作などをスクロールが考えられる．提案手法によって 2 次元方向に入力が可能に変換していた．これに対し，提案手法ではユーザが行っなため，スマートフォン側面での上下方向のスクロール操たスクロール操作を逆に 2 次元の任意形状ストローク操作

作の他に，奥行き方向へのスワイプ入力など多彩な入力をに変換しタッチ入力を発生させることができる．

実現できる．図 4(b) に示す 3D オブジェクトは，出力部の点の間隔に対し，入力部の点の間隔を広げて造形をしてい6. 実験 1: タッチ認識精度る．これにより，ユーザのタッチ操作に対しタッチパネル

本研究で提案する手法を用いたタッチ入力を発生させる上で行われるタッチ操作の移動量を変更できる．例えば，ために必要な点のサイズ，及び点同士の間隔を調査するた

ユーザの行うタッチ操作に対し，より細かな動きでの入力

め，評価実験を行った．

をタッチパネル上で発生させることができる (図 4(b) 右実験参加者は，11 名の大学生・大学院生 (女性 4 名，男上)．また，(a) と (b) の手法を組み合わせたインタフェー

性 7 名) であり，平均年齢は 21.8 歳，標準偏差は 1.52 歳

スをカードボード HMD に適応することで，インタラクである．また，参加者は全員がスマートフォンなどのタッティブな VR コンテンツを操作するためのトラックパッド

チパネルデバイスを使用した経験がある．

を安価に実装できる (詳細は 8，9 章にて述べる)．
ここまでに紹介した応用例では，ユーザが行ったタッチ

6.1 タスク操作と同じ動きのタッチ入力を行うインタフェースを示し

実験条件として，点の縦横幅 (Width) を 0.8, 1.6, 2.4

た．これに対し，点群の配置を任意の形状に変えることで，mm，点同士の間隔 (Interval ) を 0.8, 1.6, 2.4, 3.2 mm とユーザのタッチ操作と異なる動きのタッチ入力を発生させし，それらを組み合わせた基本形 3D オブジェクトを用意ることもできる．図 4(c) に示した例では 3D オブジェクト

した (図 5)．これらのオブジェクトをタッチパネル上に両の出力部を U 字型に配置している．また入力部の形状を

面テープを用いて固定する．実験参加者はこのオブジェク

ExtensionSticker のような縞模様状に並べることで，ユー

ト上で 20 回ずつタップタスクを行う．この際，入力を認

ザの簡単なスクロール操作によって任意の形状のタッチ

識した回数からタッチ入力精度を算出する．また，3D オブ入力を行うインタフェースを実現できる．出力部の点群のジェクトはタッチパネル中央部付近に配置して実験を行っ

配置形状を変えることで，様々な形のタッチストロークをた．使用する 3D オブジェクトは高さ 15.0 mm に設定し入力できる．タッチパネル上でユーザのタッチ操作を記録（高さ誤差 ± 0.1 mm 以下)，隣り合う全ての点同士が内部© 2017 Information Processing Society of Japan81

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で接触していないことを確認した上で実験を行う．

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6.3 点の縦横幅・間隔による精度の違い

実験には Apple iPad mini (入力領域 159.5 × 119.7 mm,

評価実験の結果から点同士の間隔が広がるにつれて，認

解像度 1024 × 768 px) 及び Samsung Galaxy S6 edge (入識精度が下がることが分かる．間隔が広くなっても点の縦力領域 112.6 × 633.6 mm, 解像度 2560 × 1440 px) の横幅が広ければ，高精度でのタッチ認識が可能である．特2 種類のデバイスを用いた．記録された実験データは 3に Galaxy S6 edge を用いた場合では，縦横幅が 1.6, 2.4(Width) × 4 (Interval ) × タップ数 20 回 × デバイス 2mm の時で全て 90 %以上の認識精度でタッチ認識に成功

種類 = 480 回 (各デバイスについて 240 回ずつ) となる．

している．一方で点の間隔 2.4, 3.2 mm について着目すると，点の縦横幅が狭い 1.6 mm の方が，2.4 mm よりも精度が高い結果になった．これは，ユーザが 1 本の指で同時に触れる導電部の数に依存していることが考えられる．図7 は実験に使用した 3D オブジェクトである．人間の指の大きさを 10 mm 四方の正方形と仮定した場合，縦横幅 2.4mm では同時に 4 つの点に触れることができる．これに対し，縦横幅 1.6 mm では 9 つの点に触れることができる．
このことから，導電性の点ひとつひとつの縦横幅が狭くても，一度により多くの点に触れていればタッチ入力精度が
図 5 (左) タップ実験の様子と (右) パラメータ設定．

Fig. 5 (Left) Experimental setting, and (Right) parameter setting in the tap operation task.

上がることが分かる．実験に使用したデバイスごとに比較をすると，iPad mini は特にこの影響を受け，精度が下がることが確認された．実験により高精度での認識に成功した 3D オブジェクトを用いることで，2 次元のタッチ入力

6.2 実験結果ができることを確認した．

実験結果を図 6 に示す．iPad mini を用いた場合，点同Widt h : 1.6 mm
I nterval : 3.2 mm

士の間隔が 0.8 mm の時，縦横幅 0.8 mm で 100 %，1.6

Widt h : 2.4 mm
I nterval : 3.2 mm

mm で 99 %，2.4 mm で 99.5 % と高精度でタッチ認識に成功した．Galaxy S6 edge を用いた場合，間隔が 0.8 mmの時，縦横幅 0.8 mm で 95 %，1.6 mm で 97.5 %，2.4

mm で 93 % の精度となった．間隔が 1.6 mm の時，縦横幅 0.8 mm で 97.5 %，1.6 mm で 98.5 %，2.4 mm で 99
20.0 mm% となった．また，間隔が 2.4, 3.2 mm の時，縦横幅 2.4,
3.2 mm で 90 % 以上の精度となった．

図7

実験に使用した 3D オブジェクト: (左) 縦横幅 1.6 mm，間隔

3.2 mm, (右) 縦横幅 2.4 mm，間隔 3.2 mm．図中の四角はオブジェクト上で指が接触する範囲を示す．

Fig. 7 Interfaces used in the evaluation:(Left) 1.6 mm width
at 3.2 mm interval and (Right) 2.4 mm width at 3.2
mm interval. The red square indicates the range thatcan be simultaneously touched by a finger.

7. 実験 2: ポインティングタスク
提案デバイスのユーザビリティを評価するため，ポイン
ティングタスクを実施した．ここではフィッツの法則 [7]における操作性能（パフォーマンス）を検証する．
本実験には 10 人のボランティアが参加した．その内，女性が 1 名，男性が 9 名であり，平均年齢は 22.2 歳，標
図 6

iPad mini, Galaxy S6 edge を用いたタップ実験結果．

Fig. 6 Tap operation experimental results on the iPad mini
and Galaxy S6 edge.

準偏差は 1.72 歳であった．参加者は全員が裸眼で通常の視力, あるいは矯正して PC 操作に支障がない視力を持っており，全員が右利きであった．また，実験参加者は右手の指 1 本のみを使用してタスクの操作を行う．

© 2017 Information Processing Society of Japan82

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7.1 タスク
図 8 に示すように，ターゲットである 11 個の円がタッ
チパネルディスプレイに表示される．また十字型のカーソ
ルも表示される．実験参加者は，ディスプレイ下部に表示
した矩形領域内で操作を行う．この矩形領域は，仮想のト
ラックパッドとなっており，市販のラップトップ PC に標準搭載されたトラックパッドと同様にカーソルを操作することができる．タッチスクリーン上のトラックパッドを模倣するため，(a) 指の移動量に対してカーソルは相対座標
入力モードで移動し (文献 [4] 参照)，(b) 遠くのターゲットを選択する場合はクラッチ操作 (トラックパッドを繰り返しタッチする操作) を必要とする．実験参加者は赤いター

図 9

実験のセッティング: (左) 3D オブジェクトと (右) タッチス
クリーンを使用したポインティングタスク実験の様子．

Fig. 9 Experimental setting: (Left) Pointing task with 3Dprinted interface, and (Right) touchscreen.

ゲット上にカーソルを合わせクリックすると，次のター
ゲットが赤く表示される．ターゲットが選ばれる順番は図8 に示すとおりである．

7.2 実験デザインと操作手順
ターゲット間の距離 A を 256，512，756 pixels (45.8,

91.6, 135.3 mm) に設定する．また，ターゲットの直径 W
を 36, 48, 60 pixels, (6.4, 8.6, 10.7 mm) に設定する．パ
ラメータの組み合わせは，3(A) × 3(W ) = 9 種類である．
参加者は 11 個の円を連続でクリックしていき，それが終わると次のパラメータの組み合わせで 11 個の円をクリッ
クする．合計 9 種類のパラメータがランダムな順序で選出され，合計で 11 個 × 9 種類のパラメータ = 99 個の円をクリックするのを 1 セットとする．実験参加者は 1/3 セット（33 回のクリック）の練習を行った後に，続けて本番を2 セット行う．この練習・本番のタスクを，提案手法あり・なしの条件それぞれで行う．
図 8

ポインティングタスクのパラメータ定義．

記録された実験データは，ターゲット数 11 個 × パラ

Fig. 8 Parameter setting in the pointing task.

メータの組み合わせ 9 種類 × 2 セット × 2 条件 (3D オブ
ジェクトの有無) × 実験参加者 10 名 = 3960 回分 (3D オ

提案手法による 3D オブジェクトの性能評価を行うため，ブジェクト，タッチスクリーン操作について各 1980 回ず

3D オブジェクトを介してトラックパッドを操作した場合，つ）となる．実験は事前のインストラクションから全試行

タッチスクリーンを直接操作した場合の比較を行う．この終了まで 1 人あたり 20 分程度であった．

際，実験参加者にはできる限り速く，かつ正確に操作を行うよう指示をした．通常のトラックパッドにおけるクリッ7.3 結果と考察

ク操作は，タップ操作またはトラックパッドを押し込む操合計 3960 回の試行があり，その内エラー (ターゲット

作によって行われるが，本実験ではタップ操作のみをク

外でのクリック) は 93 回であった (エラー率 2.25 %)．エ

リック操作として認識する．

ラーを排除した試行について繰り返しのある分散分析 (反実験には SONY 製 VAIO Pro 11 (Intel Core i7-4650U,

2.29 GHz, 8 GB RAM, Windows 10 Home) を使用する．

復測定) により分析を行う．多重比較には Bonferroni の手法を用いた．

タッチスクリーンには GeChic On-Lap 1502I/J (入力領域

ターゲットサイズ W を実験データによって補正してか

344.2 × 193.5 mm, 解像度 1920 × 1080 px, 反応時間 17.5

ら操作性能を分析する手法 [15] は本分析では使用していms) を使用し，USB 2.0 及び HDMI ケーブルによって PCない (利点・欠点の議論については文献 [25] を参照)．ク

に接続し，平らな机の上で実験を行う (図 9)．実験システ

ラッチ操作がポインティング性能に有意に影響するため

ムは Hot Soup Processor 3.4 によって実装した．ポイン[4]，指がタッチパネルから離れている時間を含めた場合とティングタスクでは，タップ操作実験において特に認識精除いた場合の操作時間の両方について分析を行った．ここ度の高かったパラメータ（点の縦横幅・間隔 0.8 mm，高では，指がタッチパネルから離れている時間を含めた時間

さ 15 mm）の 3D オブジェクトを使用しており，58 × 33

を Total MT ，ユーザの指がタッチパネル，3D オブジェク= 1914 本の導電性素材 (入力領域 92 × 52 mm) を持つ．

ト上に接触している時間を Contacted MT と定義する．

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7.3.1 トータル操作時間 Total MT
主効果が見られたのは A (F2,18 = 344.653, p <0.001)，

W (F2,18 = 31.556, p <0.001) であった．また，入力デバ
イス（3D オブジェクトかタッチスクリーンか）の効果は見られなかった (F1,9 = 1.304, p = 0.283)．多重比較の結果，A が大きくなるほど (全ての A の組み合わせに対して

p <0.001)，また W が小さくなるほど (最低でも p <0.01)
MT が増大した．平均時間は 3D オブジェクトでの操作が1595 ms，タッチスクリーンでの操作が 1553 ms であった．
どのパラメータ間にも有意な交互作用は見られなかった．

7.3.2 接触操作時間 Contacted MT
主効果が見られたのは A (F2,18 = 275.178, p <0.001)，

W (F2,18 = 74.740, p <0.001) であった．また，入力デバ
イスの効果は見られなかった (F1,9 = 0.033, p = 0.860)．
多重比較の結果，A が大きくなるほど (全ての A の組み合わせに対して p <0.001)，また W が小さくなるほど (最低でも p <0.01) MT が増大した．平均時間は 3D オブジェ
クトでの操作が 947.9 ms，タッチスクリーンでの操作が951.6 ms であった．どのパラメータ間にも有意な交互作
用は見られなかった．

7.3.3 エラー率
A (F2,18 = 2.296, p = 0.129), と W (F2,18 = 0.231, p =図 10(a) Total MT と (b) Contacted MT のフィッツの法則の適合度．

Fig. 10 Fitts’ law fitness for (a) total MT and (b) contacted
MT.

おいて採用されることがある．Wobbrock ら [22] によって提案されているように，これら両方について IP を示す．
一般的な指標として，デバイスまたは入力手法の IP が大きいほど良いとみなされる．得られた IP を表 1 に示す．

0.796) において有意なデバイスの効果は見られなかった．
エラー率の平均値は，3D オブジェクト操作の場合 53/1980

表 1= 2.68 %，タッチスクリーン操作の場合 40/1980 = 2.02%であった．これらのデータは，一般的なフィッツの法則
におけるタスクよりわずかに低い ([22] では 3-4 %)．

7.3.4 フィッツの法則の適合度の検証
フィッツの法則 [7] によると，MT とターゲットのパラ
メータ (A 及び W ) は次の関係をもつ．
()
A
M T = a + b log2
+1
W

a と b は実験的に決定される定数である．log2 (A/W +1)
を Index of Diﬃculty (ID) と呼び，この値が大きくなるほ
どポインティングの難度が増すことを示す．
図 10 に示すように 3D オブジェクト操作，タッチスク

操作デバイス間の IP の比較．

Table 1 IP value comparison for the two devices.
Total MT

Contacted MT

IP[bits /s]

1/b

IDmean /MTmean

1/b

IDmean /MTmean

3D-printed
interface

2.06

2.17

3.36

3.65

Touchscreen

2.16

2.23

4.03

3.63

ComparedtoTouchscreen

4.72 %
down

2.46 %
down

9.22 %
down

0.544 %
up

7.3.6 フィッツの法則による分析についての考察
表 1 によれば，3D オブジェクトを使用するとタッチス
クリーンよりも IP の値が低くなる傾向がある．しかし，

3D オブジェクトの有無は Total MT ，Contacted MT 及リーン操作時の両方においてフィッツの法則に適合していびエラー率に有意な影響を与えていなかった．このようなることがわかる (R2 > 0.93-0.98)．したがって本実験で用（有意ではない）若干のパフォーマンス低下の理由のひといた 2 種類の入力デバイスは，一般的なポインティングデ

つとして，表面の摩擦が考えられる．タッチスクリーンのバイスであるトラックパッドを適切に模倣しているとい

表面は滑りやすく，指をスムーズに動かすことができた．

える．

一方，3D オブジェクトの表面は目の細かいヤスリによっ

7.3.5 性能指標 IPて研磨した後であっても，わずかにざらつきがあった．こ

一般的にポインティングデバイスの操作性能として，性能のように 2 種類のデバイス間に摩擦の違いがあるものの，指標 Index of Performance (IP ) の値がフィッツの法則の3D オブジェクトの性能は IP が 2-5 %程度しか性能が下回帰式から計算される [22], [25]．IP は IDmean /M Tmean

がっていないことが分かる．従って，3D オブジェクトを[bits/s] であり，実験で採用した ID の平均値である IDmean

使用した場合でも，表面を十分に研磨するか，表面上に薄と，MT の結果の平均値である M Tmean によって求める．

いシートを貼り付けることで，よりタッチスクリーンに近また，IP の異なる定義として 1/b [bits/s] も HCI 分野にい操作性が実現できると考えられる．これらのことから，© 2017 Information Processing Society of Japan84

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提案手法である 3D オブジェクトを介したタッチパネルの操作は，一般的なポインティングデバイスに近い性能で使用可能だといえる．

8. アプリケーション例
図 11 は提案手法によって，半球体のトラックボールのような 3D オブジェクトを作成した例である．この半球体
オブジェクトによって操作可能な地球儀ビューワを実装した．ユーザはこの半球体オブジェクト上をスクロール操作

図 12

側面にトラックパッドを持つカードボード HMD.

Fig. 12 Cardboard HMD with Trackpad.

することで画面に描画された地球儀を回転させ，ピンチ操
作によってズームを行うことができる．これにより，画面ジェクトは FDM 方式 3D プリンタを用いることで容易にに描画された地球儀を直接触れて動かしているかのようなプロトタイピングできる．FDM 方式 3D プリンタは，高操作体験が可能となる．この他にも 3D プリンタを使用す

温で溶かした樹脂を何層にも渡って積み重ねていくことることでコンテンツに合った操作を可能とする，様々な形で造形するため，完全に透明な物体を出力することは難し

状のインタフェースを作成できる．

い．また，本研究ではタッチ入力を発生させるための導電性素材としてグラフェンベースの導電性樹脂を使用してい

ᅇ㌿

䝈䞊䝮

る．そのため，提案手法によって作成した 3D オブジェク
トをタッチパネル上で使用する際に，タッチパネルディス
プレイの一部が遮蔽される問題がある．これは 5 章で示したタッチ移動量の変更手法によってある程度軽減できる．
つまり，点同士の間隔を物理的に狭めることで，ユーザが操作する入力部の面積を確保しつつ，画面に接触する出力部の面積を小さくすることができる．特に前章で示した側面にトラックパッドを持つカードボード HMD では，VR図 11

半球体 3D オブジェクト．トラックパッド上をスクロール操
作により地球儀を回転，ピンチ操作によりズームが可能.

Fig. 11 A hemispherical object. The user can rotate the earth
by scroll operation, and zoom by pinch operation.

空間を表示するためのディスプレイ領域を確保する必要があるため，この手法が有効である．
また本論文では提案手法によって安定したタッチ入力を発生させるために必要な条件及び，その条件下における 3D

図 12 は，提案手法をカードボード HMD に適用した例
である．これにより，Samsung Gear VR*1 が持つようなトラックパッドをカードボード HMD 表面上に低コストで実装することができる．先行研究の MilboxTouch*2 [26]は，ExtensionSticker [28] を応用しスクロール操作やスワ
イプ，回転操作など様々なタッチ入力を可能としていた．
しかし，MilboxTouch では HMD 内部に格納したスマー

オブジェクトの性能評価を目的とした評価実験を行った．
実験の結果，提案オブジェクトが安定した入力を可能とし，一般的なポインティングデバイスに近い性能で使用可
能であることを示した．今後はこれに加え，操作のために最低現必要な導電性素材全体が有する面積 (タップ・スク
ロールのために必要な点群の行数・列数) についての調査を行う．また，Lumino [1] で提案されているような，シー

トフォン画面上で，スクロール操作やタップする入力しかスルー型のインタフェースの実現を行う．PAPILLON [2]発生させることができなかった．これに対し提案手法を用のように，Polyjet 方式 3D プリンタを用いて，光ファイバ

いれば，より高いインタラクティブ性を実現するインタ
フェースをひとつの 3D オブジェクトによって実装可能である．例えば，HMD 側面上でのタッチ操作によるポイン
ティングや手書き入力，3 点以上のマルチタッチ操作など，
より多彩な入力が可能となる．

のような形状のオブジェクトを出力すれば，タッチパネル
ディスプレイ上に表示された情報を 3D オブジェクト上に表示できる．光ファイバのような高精細なオブジェクトの作成には Stratasys Objet のような Polyjet 方式 3D プリンタが必要となるが，文献 [6], [17], [20] などの手段によって導電性素材を埋め込むことで実現が可能であると考えら

9. まとめと今後の展望
本研究では「自由自在な 2 次元タッチ操作が可能な 3D
オブジェクト」を実装しその応用例を示した．提案オブ*1*2

https://www3.oculus.com/en-us/gear-vr/
http://milbox.tokyo/milboxtouch/© 2017 Information Processing Society of Japanれる．現在，本論文で示した全ての 3D オブジェクトは，
著者がモデリングを行っている (Autodesk 123D Design 使用)．今後は，Capricate [18] で提案されているような，導電性素材の内部配線を考慮した 3D オブジェクトの作成支援システムの構築を目指す．

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3D プリンタの低価格化に伴い，多くの企業や大学でFDM 方式 3D プリンタが導入されている．本研究で提案した 3D オブジェクトは，こうした環境における様々なイ[15]

ンタラクティブデバイスのプロトタイピングとしての活用が期待される．なお，本研究は ACM UIST’16 にてデモ発表を行った [13]．
謝辞

[16]

本研究は JST，COI の支援を受けたものである．

また，本研究の一部は JSPS 科研費 16J10193 の助成を受[17]けたものである．
参考文献
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