芸術科学会論文誌 Vol. 1, No. 3, pp. 130 – 137 (2017)

影ユーザーインタフェース :影をインタフェースとした実体とのインタラクション手法の提案
菊池康太 1) (非会員)

尼岡利崇 1) (正会員)

1) 明星大学大学院情報学研究科

Kage User Interface :A Study for Shadow Based Physical Object Interaction Using Real
Shadow as an Interface
Kouta Kikuchi1)

Toshitaka Amaoka1)

1) Graduate School of Information Science, Meisei University
17mj002@stu.meisei-u.ac.jp, amaoka@is.meisei-u.ac.jp
概要
本研究では，実影をインタフェースとして，実世界の物体に影響を与える，影ユーザーインタフェース (KUI) を提案する．
既存の影を使った研究では，影を生成する実体を操作することで，影とのインタラクションを行うものがほとんどである．

KUI では，古くからある影絵等の概念に着目し，実体と影の関係性を反転させ実影を操作することで，実体に影響を与えるインタラクションを実現する．これにより，実体が変化することで，実影にもその変化が反映される．KUI を介しこのような実影と実体間で循環を発生させることにより，インタラクション体験を提供する点で新規性を有する．本稿では，KUI の実装例として，ピンチインピンチアウトによる実体の上下移動システムと，タッチによる移動停止システムを制作し，評価実験を行った．その結果，本提案手法により，ユーザーに対し直感的かつ新しいインタラクション体験を提案することが出来た．

Abstract
We propose the Kage (shadow in Japanese) User Interface (KUI), which allows a user to manipulate a shadow withintuitive gestures. KUI allows a user’s interaction with a shadow to move the object that is creating the shadow.
This in turn changes the shadow itself. This interaction allows a user to manipulate a shadow by interacting withthat same shadow. In this paper, we demonstrate an implementation of KUI that allows a user to make a shadow
bigger or smaller through a pinch-in/pinch-out gesture, which moves an object vertically to adjust the shadow’sshape. Another implementation stops the circular motion system of objects by touching a shadow. At the end ofthe paper, we present an evaluation experiment of our findings, proposing a new, intuitive interaction experience
for users with our Kage User Interface.

– 130 –

芸術科学会論文誌 Vol. 1, No. 3, pp. 130 – 137 (2017)(以降，CG とする) の環境を設計するシステム [8] を提1 はじめに案している．オブジェクトは，光源となるオブジェクト

実世界において影は，遮蔽物となる物体 (以降，実体と1 つと，家の役割を持つオブジェクトが複数個あり，光する) が光の進行を遮った結果であり，その特徴として源オブジェクトを中心に，家のオブジェクトに CG の影

実体の形状や影が生成される環境によって姿形を変化さがテーブル下から投影されるシステムとなっている．

せる．また影は実体に依存し，実体の変化により影に影その他の影を使った作品では，壁に投影された CG の響を及ぼすが，影からの影響を実体が受けることはない．

影の大きさを変化させるダイナミックな演出 [9] や，実影を文化的視点から見ると古くから影についての様々体の影に CG の影を重ね非現実的な動きをさせる [10] なな思想や概念 [1] が存在し，文学作品 [2]，遊び，そして心どがある．

理学的考え [3] など，様々な分野で使用されている．こ

仮想空間ではあるが実体，影，そしてライト間に相互れらの概念には，影をもう一人の自分とする考え [4] や，関係を持たせる研究 [11] では，仮想環境での影の配置

影から実世界に影響を与えるといった考え [5] がある．

や移動をマウス操作で直感的に行うことのできるインタ

そこで，本研究では影の概念等の，影が実世界に影響フェースを提案している．物体やライトを操作するとそを与えるという考えに着目し，実影をインタフェースとれに付随して影も変化し，影に対して操作すると，それして操作し，その影をもつ実体の位置，大きさ，そして形に付随してライトや物体が変化する．また，Zeleznik ら状を変化させる，影ユーザーインタフェース (以降，KUI[12] は，仮想空間内の 3D オブジェクトの位置をその空とする) を提案する．KUI はすでにエンタテイメントコ間内に影を描くことで，決定する手法を提案している．

ンピューティングシンポジウム 2016[6] で発表している

さらに，Cohen ら [13] は，3D 曲線形状を 1 視点からのが，本稿では，KUI の概念をより明確に定義し，従来の2D 入力と影によって描画するシステム，Mitra ら [14]ユーザーインタフェース (以降，UI とする) との比較をは，3 枚の影絵の画像を入力として，その影絵を三方向行い，UI としての特徴や影を使ったインタラクションのに一度に作る 3D オブジェクトをモデリングするシステ

新規性について，KUI の概念に沿って説明する．また，ムを提案している．

新規性及び実現性を示すために，制作した 2 つのインタ

影を使って実世界の照明を操作する研究としては，実ラクション手法について述べる．一つは，影に対しての体に対してライトが当たる箇所と影ができる箇所を PC

ピンチイン，ピンチアウト操作による実体の上下移動シから指示し，実世界のライトがその指示に合わせて向きステムに，改良を加えより完成度を高めたシステムと，や光量を変化させる [15] が挙げられる．また，Noh ら

もう一つは，移動している実体の影に対してのタッチ操[16] は，タブレットから，光の当たる位置を指示し，ラ作による実体の移動停止システムである．また，KUI のイトの向きや光量を変化させる手法を提案している．

概念についての評価実験を行い，その結果及び考察について述べる．

これら作品や研究のように，CG の影を UI として利用する，仮想空間内で 3D オブジェクトを影で変化させる，仮想空間内の影を操作して実世界の物体 (照明) を変

2 関連研究化させる研究が存在する．本研究では，実世界の影と実岩崎らは，実物の影内部に投影された映像とユーザー体に相互関係を持たせ，影を直接操作しその結果を実体の影を用いたインタラクションを実現するシステム [7]が提示する点，そのシステムを実世界で実現している点を提案している．このシステムは，マルチプロジェクで関連研究とは異なり，それらの点で新規性を有する．

ションを使ってディスプレイとなる物体正面に小物体の影映像を投影し，物体の影内部には小物体映像を投影す

3 KUI についてるという逆転した環境を作り出し，ユーザーの影とのインタラクションを行う作品である．

本章では，提案する KUI の概念と，KUI に基づくイ
ンタラクションの新規性と，ユーザーインタフェースとまた Joon は，テーブルトップ型のディスプレイ上にしての特徴についてそれぞれ述べる．

実オブジェクトを配置し，コンピュータグラフィックス– 131 –

芸術科学会論文誌 Vol. 1, No. 3, pp. 130 – 137 (2017)

3.1

KUI の概念

ザーの自由度を制限することにより，疲労度は軽減でき

KUI では，実世界において実体が光を遮ることで影が発生するという従属関係に着目し，それを逆説的に捉える．それにより，実世界での実体を動かすことで影が変ると考えられる．

4 KUI に基づくシステムの提案化するという現象を，KUI によって影を操作することに本章では，提案する KUI の実装例として制作した 2より実体が変化するという新たな関係性を作り出し，UIつのシステムの概要について述べる．

として利用する．言い換えると，実世界において実体か

4.1

上下移動システムの概要

ら影への一方向であった関係性に，KUI により相互的関

このシステムでは，影に対してピンチイン，ピンチア係を与え，互いが影響し合う関係性を作り出す．KUI でウト操作を行う．ピンチイン，ピンチアウトはスマート

は，影に対しユーザーがジェスチャー操作を行うことで，フォンの操作では，画像などの拡大縮小に使われる．影

影に与えられた操作によって実体に変化を与えることがを拡大縮小させる場合，実体の大きさが変化するか，光できる．KUI では影への操作で実体の位置，形状，動き源に対して実体の距離が変化するかの 2 つが考えられに対する操作が考えられる．本稿ではそのうち，位置とる．直感的な実体の変化では，実体の大きさが変化する

動きに対する操作を実装する．

方がわかりやすいが，本稿の場合，光源と実体の距離にインタラクションの新規性よって影が伸びるという特性を生かすことで，KUI の特

3.2

2 章で述べたように，従来の影を使った作品や研究に徴である，実体の変化による影への影響の循環が，より対し，KUI では実影をインタフェースとして操作し，そ強調されると考え，光源に対しての実体の移動を選択しの影を持つ実体の変化で表現を行う点に新規性を有す

KUI の実装例としてシステムの制作を行う．操作としてる．また，影に対しての操作で，実体そのものが変化す

は，影をピンチアウトし拡大することで，実体を上昇さることによって，インタフェースである影にも，その結せ，影をピンチインすることで縮小させ，実体を下降さ果が反映される影響の循環を生み出し，それをインタラせる．

クションに取り入れた点も新規性といえる．KUI では，具体的な配置関係は，図 1 のように実体をナイロン糸

このような影から実体へ，そして実体から影への物理的で宙に吊るし，光源を実体に対し垂直上方向に配置する．

変化の循環を利用することで，コンピュータグラフィッ

実体の移動方向は垂直方向への上下移動に限定し，それクスなどを一切使用せず，実世界における物理的変化のにより影の拡大方向を中心から全方向に均等に拡大させみでユーザーに情報を提示する点にインタラクティブシることができる．また実体を地面から数センチ浮遊させステムとしての特徴がある．

ることで，操作スペースを確保し，影への操作を行いや

3.3

ユーザーインタフェースとしての特徴

すくする．

従来の人工物に対する操作では，コントローラーなどの UI や，ジェスチャラル UI を使用する方法が挙げられる．KUI では，コントローラーなどの物理的な UI は使用せず，スマートフォンなどに使用される直感的なジェスチャラル UI に基づく操作方法を提供する．また，タッチパネルやプロジェクタなど使用せず，実世界の物理変化のみで情報提示を行う点で，ジェスチャラル UIとしての特徴を有する．
マイノリティリポート [17] 型 UI のような空間での

図 1: 上下移動システムの実体と光源の配置及び操作イメージ

ジェスチャラル UI(以降，空間 UI とする) は，空間においての身振り (ジェスチャー) で操作することから，ユー4.2

このシステムでは，移動している実体の影に対してザーが身体的に疲労しやすいと言われている．これに対し，KUI では，影の投影面に触れて操作することでユー移動停止システムの概要

タッチ操作を行い，実体の移動を停止させるインタラク– 132 –芸術科学会論文誌 Vol. 1, No. 3, pp. 130 – 137 (2017)

ションを行う．移動している影を指で押さえることにより，相互的関係を持つ実体にも影響を与え，実体の移動を停止させる．影から指を離すことで，再び実体は移動を開始する．本稿では，回転移動している実体の影に対して指でタッチすることで，その動きを停止させるシステムを実装例として制作を行う．
具体的な位置関係と移動方向は図 2 のように，光源を上部に配置し，その中心から一定の距離に実体を配置し，光源の周りを円運動させる．それにより，光源を中心にした実体との距離と角度を保ちつつ円運動させ，生成される影の大きさを一定に保つ事ができる．影の大きさが一定になることで，影に対してのタッチ操作が行いやすくなる．

図 3: FTIR 方式タッチパネルの内部構造

し，サーボモータに巻き取り機を取り付け，これを回転させナイロン糸を巻き取ることによって，実体を上昇させ，逆回転させることで実体を下降させる．実体にはスチロール素材で出来た直径 8cm の球体を使用する．素材をスチロールにすることで，サーボモータへの負担を減らし，且つ上下移動した際の揺れを軽減できると考えた．影を生成する光源には赤外線が含まれない LED ラ
イトを使用し，FTIR による指先の検出の妨げにならないようにする．
影の大きさは，実体の位置と移動範囲で決定し，影の大きさが最小の時の実体の位置は図 4 のように，操作パネルから近い位置 (以降，Hmin とする) にあり，影の大図 2: 移動停止システムの実体と光源の配置及び操作イメージ

きさが最大のときの実体の位置は操作パネルから遠い位置 (以降，Hmax とする) にあることになる．上下移動システムで使用する FTIR パネルの寸法は縦 30cm，横5 KUI システムの実装方法

30cm，高さ 30cm とし，影の大きさが最大のときは，操

本章では，KUI に基づく 2 つの提案システムの実装方

作パネルより大きくならないよう，制限を設ける．Hmin法について述べる．

をパネルから 10cm の高さにし，Hmin から Hmax まで5.1 FTIR を用いた影へのタッチ判定の距離は，ユーザーが操作した際に実体と影の両方が視4.1 及び 4.2 のシステムでは，影への操作を行う上で，界に入りやすくするために 30cm とする．それに合わせ影へのタッチ検出及び判定が必要である．本稿で制作し光源となるライトの位置も操作パネルから 64cm の高さ

た 2 つのシステムの影へのタッチ検出は，図 3 の FTIRに設計し，移動距離に合わせ，巻き取り機の直径を 19cm

方式 [18] のタッチパネルを用いて行う．FTIR パネルはとした．実際に制作したシステムを図 5 で示し，下部にアクリル板のパネル内部に赤外線を照射し，タッチした

位置するボックスは FTIR パネルであり，上部に位置す箇所の赤外線が全反射することで，赤外線カメラにて検るボックスは巻き取り機の機構と光源となるライトを収出することができる．この FTIR パネル上にシステムを納する．

配置し，パネルに影を投影することにより，影へのタッチ検出を行う．

5.2

FTIR パネルにて得られた画像を画像処理により指先の輪郭を抽出し，重心の座標を検出する．座標を検出し上下移動システムの実装方法

た後，上下移動システムにおいて必要な，ピンチイン，上下移動システムでは，影に対してピンチイン，ピンピンチアウトのジェスチャー判定を行う．実体の移動距

チアウトを行うことで，宙に吊るされている実体を上離により，影の中心座標，影の直径を測定することがで下移動させる．実体の上下移動にはサーボモータを使用

き，影の直径内に 2 点の指座標があるか判定し，直径内– 133 –芸術科学会論文誌 Vol. 1, No. 3, pp. 130 – 137 (2017)にある場合のみ処理を行う．指座標の 2 点間の移動距離モータと実体を連結させる．ステッピングモータの垂直の変化量によってサーボモータの回転角度を決め，実体方向上部に光源用の LED ライトを配置することで，移の移動を行う．回転角度と実体の直径から影の領域を推動している実体の影の大きさは一定に保たれる．

測し，影の領域以外では反応しないよう処理を行っている．操作の様子を図 6 に示す．

図 4: 上下移動システムの配置関係(a) 実体の外観(b) ジョイント(c) 実体の内部構造(d) 実体接続時の様子

図 7: 移動停止システムに使用する実体
図 5: 上下移動システム全体

移動停止システムの実体とライトの位置関係及び全体イメージを図 8 に示す．実体の円周移動は，ジョイントで連結させたステッピングモータを Arduino で制御して行う．ステッピングモータには，MERCURY MOTOR社のバイポーラステッピングモータ SM-42BYG011 を使用し，モータドライバーとして，Strawberry Linux 社の L6470 ステッピングモータドライバーキットを使用する．影へのタッチが判定されたときに，モータの回転(a) ピンチイン(b) ピンチアウトを停止させ，指が離れたときに，モータの回転を再開さ

図 6: 上下移動システムの操作の様子

5.3

せる．実際に制作したシステムが図 9 である. FTIR のボックス寸法は縦 60cm 横 70cm 高さ 90cm で，上下移移動停止システムの実装方法

移動停止システムでは，影に対してタッチ操作を行い，円周上を移動している実体の移動を停止させる．実動システムのようなライトを収納する設計はせず，赤外線を含まない環境光の利用が可能となっている．
画像処理にてタッチ判定を行う際，FTIR パネルで得体の円周移動にはステッピングモータを使用し，実体には図 7(a) の縦 5cm 横 5cm 高さ 3cm の直方体を使用する．実体とモータを図 7(b) のジョイントで接続することによって，実体の移動と停止を実現させる．この実体は図 7(c) のように中に赤外線 LED と電池が収納されており，スイッチで点灯できる．実体の底面は赤外線をカられる画像にはパネルにタッチしてない状態で，実体内部に搭載された赤外線 LED と，ステッピングモータの台座に搭載された赤外線 LED が検出出来る．ステッピ
ングモータがパネル中央に位置するため，画像内中央に検出される赤外線をステッピングモータのものと識別す
る．実体から出来る影は，中央のライトを中心に実体のメラで検出できるように開口してある．
ステッピングモータに固定用の台座を取り付け，パネル中央に配置する．台座の底面中央には赤外線 LED を取り付ける穴を設け，赤外線カメラでモータの位置 (円周移動中心点) を検出することが出来る．実体に円周移動をさせるため，図 7(d) のようにジョイントを取り付け外側に生成されるため，指のタッチで検出される赤外線は，実体の赤外線より外側で検出される．これにより，ステッピングモータの赤外線を中心に，最も近い赤外線を実体とし，実体より外側に検出される赤外線を指のタッチ操作であると判断する．輪郭抽出と重心検出を用いて，検出された赤外線をプログラム内で，ステッピン– 134 –芸術科学会論文誌 Vol. 1, No. 3, pp. 130 – 137 (2017)

実験の手順として，最初に本研究についての概要と，実体の上下移動システムの操作方法を説明した．その際，実体がどのような変化をするかは説明していない．その後，上下移動システムを実際に体験してもらった．次に移動停止システムの操作方法の説明をした後，実際に体験してもらい，最後にアンケート調査を行った．実験環
境は影を使用することから，安定した動作環境を確保するために，部屋の電気を消し暗い環境で行った．

図 8: 移動停止システムの全体イメージ

グモータ，実体，指のタッチ位置と識別させる．それら

6.1

表 1 の全 6 項目で調査を行い，Q1 は “はい” か “いいの赤外線の位置関係を図 8 で示す．重心検出を行うことより，その重心点の座標を取得し，ID の振り分けを行う．光源と実体が常に一定の間隔を保って移動するので，影の大きさも常に一定となる．そこで，最初にプログラム内で影の座標と大きさを保持し，その大きさの領域評価項目

え” の 2 段階評価，Q2 から Q6 は 4 段階で評価を行った．Q1 から Q4 の項目は，新規性があったかを評価する項目で，Q5，Q6 は概念を理解出来たかを評価する項目である．
表 1: 調査項目

を影のタッチ判定に用いる．実体の移動に合わせ，影が生成される位置にその領域を配置することで，影にタッNo.

調査項目

チした際に，指の ID を持った赤外線が領域内で検出さQ1

この作品以外で, 今まで影を操作した事はあるかれ，影へのタッチ判定を行うことが出来る．領域内でのQ2

影を操作することで起こる, 物体の行動に予想がついたか

Q3

影を操作する感覚を得る事が出来たか

Q4

影を操作する感覚は新鮮だったか

Q5

この作品には, 物と影に相互的関係があると思ったか

Q6

影から物体に影響を与えるという概念を理解出来たか

タッチが判定された場合，Arduino にシリアル通信で停止信号を送る．信号を受け取った Arduino はステッピ
ングモータの回転を停止させ，実体の移動は止まる．指が影内部から離れることで，Arduino に開始信号が送られ，ステッピングモータの回転を開始させる．これによ6.2

調査結果と考察りユーザーは，図 10 のように移動している実体の影を

図 11 の調査結果のグラフから，普段影を操作する意

指でタッチし抑えることで，移動している実体の動きを識を持つ人は少ない事がわかる．“はい” と回答した人停止するような感覚が得られる．

は，チームラボの展示や，影絵で経験したという意見があった．図 12 は Q2，Q3，Q4 の調査結果のグラフである．Q2 では，「操作による実体の変化に予想がついたか」を評価している．評価 2 の「あまり予想がつかなかった」という意見の割合が 65 ％と多いことがわかる．

Q3 は「影を操作する感覚を得ることが出来たか」を評価
し，Q4 は「影を操作する感覚は新鮮であったか」を評価する．Q3 では評価 3 の「感覚を得ることが出来た」と，評価 4 の「とても得ることが出来た」の割合が，合わせ
図 9: 移動停止システム 図 10: タ ッ チ 操 作 の 様
全体て 85 ％と多いことから影を操作する感覚を得ることが子出来た被験者が多いことがわかる．また，Q4 では評価 3

6 評価実験の「新鮮であった」と，評価 4 の「とても新鮮であった」

KUI の新規性及び，概念についての評価を行うため，の割合が 95 ％と多く，ほぼ全ての被験者が新鮮であっ2017 年 1 月 27 日から 31 日の期間に，明星大学の 20 代たと感じたことがわかる．Q1，Q2 の結果から，今まで男子学生を対象として 20 人に評価実験を行った．評価

影を操作するという意識を持っていなかった被験者は影を操作した後に起こる結果に予想がつかなかったと考え– 135 –

芸術科学会論文誌 Vol. 1, No. 3, pp. 130 – 137 (2017)

図 13: 概念の理解に関するアンケート結果
図 11: Q1 のアンケート結果のグラフ

7 考察と今後の展望られる．しかし，Q3 の結果から影を操作する意識を持たない人でも，影を操作する感覚を得ることが出来たと言える．そして，今まで影を操作することを意識していなかっため Q4 では，新鮮であったという回答が多かったと考えられる．

評価実験の結果から，本研究で提案する KUI は実世
界では起こりえない影から実体に影響を与える事象ながらも，その概念は直感的な操作や，それにあった実体の変化で理解出来るものとなった．また，KUI に基づく 2
つのインタラクティブシステムでの体験は，影を操作す

図 13 は，Q5 と Q6 の調査結果のグラフである．Q5るという新しい感覚を与えることが出来たと言える．

では「実体と影に相互関係があると思ったか」を評価し，今後の展望として，3 章でも述べた通り KUI は，位評価 3 と，評価 4 の相互関係があると思ったの割合が置，運動のみならず，形状の操作でも有効である．従っ70 ％を占めていることから，実体と影に相互関係性がて今後は，まず本稿で実装していないインタラクティブあると感じた被験者が多いことがわかる．また，Q6 でシステムを提案し制作していく予定である．例えば，影は「KUI の概念を理解出来たか」を評価し，全ての被験をドラッグすることによって実体の位置を操作するイン者が評価 3 か評価 4 の理解出来たを回答していることから，KUI の概念を理解出来たことがわかる．調査の結果から，今まで影を操作するという意識を持つ機会がなかったため，操作に対して実体がどのような変化 (結果)をするのか予想はつかなかったが，実際に体験し操作したことにより，KUI の概念を理解し，影を操作する感覚を得ることが出来たと予想される．また普及率が高いス
マートフォンに実装されているジェスチャーを参考にしたことで，影を操作したことがない人でも KUI の概念を理解できたと考えられる．また，その感覚は今まで意識していなかったため，被験者に新鮮な操作感を与えるタラクションが考えられる．ジェスチャラル UI でのドラッグは，物を移動させる操作として扱われることから，KUI での実体の水平移動に使用することが出来ると考える．また，ピンチイン，ピンチアウトによる実体の上下移動システムでは，実体自体の大きさを変化させる表現方法も考えられる．また，影を指で伸ばし，影の形状を自由に変形させることによって，実体の形状を変化させるインタラクションも考えられる．この他にも KUI に基づく新たなインタラクティブシステムを制作することで，より一層 KUI の概念を発展させて行きたいと考えている．

ことが出来たと考えられる．

次に，本稿で提案した KUI のインタラクティブシステムの活用を検討していく．KUI は，光と影を使用するので，幻想的な空間演出やエンタテイメント分野での活用が期待される．さらに，影踏みという遊びに KUI のシステムを取り入れ，実際に鬼が影を踏む事で，踏まれた人の動きを停止させることができれば，よりエンタテイメント性に優れた遊びとなることが予想される．

図 12: 新規性に関するアンケート結果

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尼岡 利崇

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Arts, Interactive Telecommunication Program 修士課[14] Niloy J. Mitra and Mark Pauly.

Shadow art.

程修了．2010 年東京工業大学博士 (学術) を取得．2003

In ACM SIGGRAPH Asia 2009 Papers, SIG-年別府大学専任講師，2005 年より明星大学情報学部情GRAPH Asia ’09, pp. 156:1–156:7, 2009.

報科学科専任講師．2017 年より同大学教授となり，現在[15] Frederik Anrys, Philip Dutré, and Yves D.に至る．ACM，芸術科学会会員．

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