情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 2017

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2017/3/2

携帯端末における画面押し込み圧力を用いた多値離散値入力の可能性検証
荻野 貴大1,a)

高田 哲司1,b)

概要：本稿では，携帯端末での入力操作における圧力の応用可能性について検証した．圧力の強弱による入力手段やインタフェースは既存の研究や製品ベースでも提案されているが，何種の離散値を圧力を通じて入力可能かについては検証がなされていない．そこで本研究では，Apple 社製 iPhone 7 を対象にプロトタイプシステムを実装し，被験者による評価実験を行ったのでその結果を報告する．また圧力を通じた離散値入力の応用についても議論する．

Exploring Possibilities to input Discrete Values
through a Pressure in a Mobile Phone
Takahiro Ogino1,a)Tetsuji Takada1,b)

Abstract: In this paper, we report on an exploration the possibility of input operation by a pressure at a
mobile terminal. Although there are some systems and interfaces that make use of a pressure as an input
scheme on mobile terminals, they have used the scheme in order to input just two or three discrete values.
It means that it has not been explored how many discrete values can be input through a pressure. To getan answer the question, we developed a prototype mobile application for Apple iPhone 7, and conducted anevlauation study with subjects using the prototype app. We got a result that the input scheme has reasonable
operation time, but successful input rate would not be enough for a use in a practical application. We also
discuss about an application that uses more discrete values through a pressure.

1. はじめに(b) 連続値としての利用
項目 (a) の利用方法は，２値の場合が（圧力がある/な2015 年，Apple 社の iPhone 6s/6s Plus にて 3D Touch[1]い*1 ）の２値入力手段であり，３値の場合は（圧力がなという機能が搭載された．これは携帯端末のディスプレイ

い*1 /圧力が弱い/圧力が強い）の値入力としての利用方をユーザが押し込むことにより，その押し込み圧力を値と法である．Apple 社が開発者向けに提示している “Quickして取得し，アプリケーション (以降，アプリと略記する)Actions” と呼ばれるユーザインタフェースは，２値による側で利用することを可能にした技術である．つまり，携帯利用方法の１事例であり，同じく “Peek and Pop” という端末のユーザがアプリ側に値を入力する手段が１つ増えた

ユーザインタフェースは，３値による利用方法の一例であことになる．

ると考える [1]．また項目 (b) の連続値としての利用方法

しかし，その利用状況を調査すると，著者の知る範囲において，その応用方法は以下の２つに限定されている．

は，主に絵の描画手法の応用として用いられており，圧力値が色の濃さや線の太さに反映されている．

(a) ２値または３値の値入力としての利用

ここでわかることは，３値以上の値入力を圧力を通じて行っている事例がないという点である．上記項目 (a) の３1a)b)

電気通信大学
The Unversity of Electro-Communications
takahiro.ogino@uec.ac.jp
zetaka@computer.org© 2017 Information Processing Society of Japan

値入力の例は，３値のうちの１つが「圧力なし」であるた*1「圧力がない」と言及しているが，画面に指がタッチしているので厳密には微弱な圧力がかかっている．

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め，圧力の値を用いた値の入力としては「強弱」の２値である．よって，「強, 中, 弱, 圧力なし*1 」というように，圧力による４値入力には使用されていない．そこで本研究では「４値以上の離散値を圧力を用いて入力することも可能である」と想定し，プロトタイプシステムを実装してその検証を行った．上述の通り，２値や３値の入力が可能なことは明白である．これに対して本研究では，以下の２つの命題に対する評価を行い，上述の仮説を検証する．

• 何種類の離散値が圧力を通じて入力可能か？
• 各条件における入力精度と入力時間

2. 関連研究
圧力を入力値として使用するシステムはいくつか提案されている．しかし，その活用方法は我々の知る限り「二値の圧力」と「状況把握」のどちらかに限定されている．これらの具体的な関連研究について以下に紹介する．

図 1 評価用プロトタイプシステムの画面スナップショットFig. 1 Screen Snapshot of Prototype System• ２値の圧力（強/弱）
論文 [5] では，3 本指による入力方法において「指圧」として画面を「軽くタッチ」と「強く押し込む」の 2 値

3. 評価用システム入力に圧力を利用している．論文 [4] では，個人認証に

本研究では前章で述べた仮説を検証するため，プロトタおける秘密情報の入力に２値の圧力値を利用している．

イプシステムを実装し，被験者による評価実験を実施した．

各キーにはそれぞれ２つのシンボルが割り当てられて本章では，評価実験のために実装したプロトタイプシステおり，どちらのシンボルをシステムに入力するのかを指ムについて述べる．

示する方法として圧力が用いられている．Krombholz

プロトタイプシステムは Apple 社の iPhone 7 を動作端らが提案する個人認証システム “forcePIN”[2] も同様末として想定し，iOS アプリとして実装した．図 1 は実装

で暗証番号入力に２値の圧力値を追加したものであしたプロトタイプシステムのユーザインタフェース画面でる．つまり秘密情報は暗証番号の各数字に圧力値が追ある．ユーザインタフェース画面の詳細について，以下に加されて「0971」→「(0 弱)(9 強)(7 弱)(1 強)」といっ説明する．

た値になる．

画面中央に入力値となる数字が縦方向に表示されておKim らはテーブルトップシステムにおける個人認証

り，その左側にインジケータを右向き矢印として表示してに圧力を応用する方法を提案している [3]．“Pressure-いる．ユーザが携帯端末の画面を押し込むと，その圧力値

Grid” というシステムでは，画面を加圧することによに応じてインジケータが上下に動き，各値を指し示すことる指形状の変化を画像認識し，圧力値として取得，そのできる仕組みとなっている．インジケータの位置は，圧の値を両手から取得し，X-Y 座標とすることで格子力がない場合，最上位の数値の位置になり，圧力値が最大状に配置された複数のオブジェクト群から特定のオの時に最下位の数値の位置となる．なお画面中央にある入ブジェクトを指し示す方法を提案している．これによ

力候補の数字の並び順は，入力試行毎にランダム化される．

り，第三者による覗き見攻撃から入力値の特定を困難にしている．

• 端末の持ち方 (把持状況) 取得

画面上部の４つの四角形は入力状況を示している．本ア
プリは４桁数字を入力する操作を想定しており，各四角形がその 4 桁数字の各桁を表している．また各四角形の色で論文 [7] では，携帯端末の持ち方を推定するため端末各桁の入力状況が把握できるようにしている．青が現在入側面に複数の圧力センサーを装着し，その推定を行う力中の桁であり，黒が入力済みの桁，グレーが未入力を示システムを提案している．論文 [6] では，把持ジェスしている．図 1 の場合は，1 桁目の数値を入力中であるこチャを用いた個人認証システムを提案している．このとを示している．

研究でも端末の持ち方を秘密情報として個人認証を行

数値の入力は「１つの数値」を以下の２段階の操作で行うため，携帯端末の側面に圧力センサアレイを装着し，う．つまり 4 桁数値の場合は，以下の操作を 4 回繰り返す

携帯端末の把持ジェスチャを取得している．

ことになる．

Step 1：画面を押し込み，インジケータが入力したい値を指し示すようにする© 2017 Information Processing Society of Japan235情報処理学会 インタラクション 2017
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int func(float pressVal){int dval = 0;dval = (int)floorf(pressVal * 10.0);
if (dval > 9) { dval = 9; }return dval;}
図 2

圧力値の離散値化処理

Fig. 2 Process to get a Discrete Value from a Pressure Value

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表 1 入力精度の結果

Table 1 Successful Input Rate (Ave., Min., Max.)
合計成功率

最大成功率

最小成功率

4 values

78.0

86.7

70.06 values

60.7

70.0

50.0

8 values

57.3

70.0

46.7

10 values
54.0(数値はすべて percentage (%))

73.3

30.0

表 2

入力時間にかかわる統計値

Table 2 Statistical Values about Input Operation Time

図 3

中央値

平均値

標準偏差

最小値

最大値

4 values

4.09

1.29

1.94

9.62

3.98

6 values

5.59

2.12

2.09

13.51

5.09

8 values

6.90

3.11

2.09

19.17

6.40

10 values
6.84
1.98(数値の単位はすべて秒 (second))

3.83

11.68

6.64

入力離散値に応じた入力画面

Fig. 3 User Interface according to discrete values

入力操作では，入力成否と入力された数値，ならびに入力時間を測定した．なお入力する 4 桁数値は，システムがラStep 2：入力値を確定するンダムに生成した値を用いた．したがって，入力試行のた画面右側の “Press” と書かれたグレーの領域は，圧力入力びに異なる 4 桁数値を入力させたのではなく，1 つの 4 桁のためのインタフェースである．この領域で画面を押し数値を 30 回繰り返し入力させた．ただし，入力画面におけ込み，圧力値をアプリ側に入力する．一方，画面左側のる数値の並びは入力試行のたびにランダム化されており，“Input” と書かれたグレーの領域は，入力値を確定するた同一の数値を繰り返し入力する操作でも，入力操作は毎回めのボタンである．領域をタップすることで入力値が確定異なる操作になる．被験者は 20 代男性 4 名と 40 代男性 1する．入力値はタップ時にインジケータが指し示していた名の合計 5 名である．20 代男性の 4 名は，大学研究室所属数値となる．なお本システムでは，誤入力した値を削除し，の学生である．また，被験者全員がスマートフォンの利用再度入力する手段は提供していない．

者であった．

なお端末側から取得できる圧力値を離散値化する処理は
図 2 に書かれている通りである．pressVal は，端末から取得された圧力値で値域は (0.0〜1.0) の連続値である．これに対して出力値となる dval は，整数の離散値で (0...9)の 10 値となる．

4. 評価実験
前章にて説明した評価用システムを用いて被験者による評価実験を行った．本章ではその評価方法と，評価結果について述べる．

4.2 評価結果
評価実験の結果について述べる．表 1 は，入力精度に関する実験結果である．
「合計成功率」は，被験者 5 名による 150 回の入力試行のうち，入力に成功した回数を割合として示したものである．一方，最大成功率と最小成功率は，被験者ごとに入力成功率を算出し，その中で最良の成功率を「最大成功率」最悪の成功率「最小成功率」として示している．
この結果から，4 値以上の離散値を圧力を通じて入力することは不可能ではないと言える．また被験者にもよるが，4.1 評価方法
本実験では，何種類の離散値を圧力を通じて入力可能か10 値の離散値入力でも 7 割は入力に成功するということも明らかになった．一方，最小成功率を見ると，4,6 値の場を検証するため，4, 6, 8, 10 種の 4 条件の離散値数を設けて合は 5 割以上 (2 回に 1 回) は入力に成功する一方で，8,10被験者実験を行った．したがって実験システムの入力画面値の場合は 5 割を下回る入力成功率となった．したがっては，各条件に応じて図 3 のようになった．なお，この４条

4 値以外の入力は，誰もが容易に入力可能な方法とは言い件の評価実験実施順は被験者毎にランダム化して行った．

難いことが明らかになったと言える．

各被験者は，前述の条件毎に以下の手順で入力操作を実

表 2 は，入力時間に関する評価結果を示したものである．

施した．

各数値は，4 桁数値の入力に成功した全試行を対象として( 1 ) 入力する４桁数字を取得する算出したものであり，単位は秒である．

( 2 ) 入力操作を３０回繰り返す© 2017 Information Processing Society of Japan

この結果から，4 桁数字の入力にかかる操作時間は，平236

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均，中央値ともに 10 値の条件でも 7 秒以内に行えること

入力可能な値の種類数に限界があるため，汎用的とは言いが明らかになった．また操作時間の最小値 (=最短入力時がたいものの，その可能性は評価実験で示されたと言える．

間) はすべての条件において 4 秒未満であり，操作時間がまたキーボードの配置や細かな操作は不要であり操作が単圧力による離散値入力を疑問視する一因にはならないこと純化されるという利点はあると考えている．

が明らかになった．

5. 考察

２つめの応用例としては，入力値の３次元化である．

iPhone における圧力入力機能の名称が “3D Touch” であるように，携帯端末の画面を２次元に見立てた上で奥行きまずはじめに，実験結果について考察する．入力時間に方向の値として圧力を用いることにより (x,y,z) の値を入力

ついては，現実的な時間内で 4 桁数字を入力できることがすることが可能になる．仮に各次元において４値の入力が明らかである．したがって，操作時間を理由に「本入力手可能だとすると，計 64 個の値入力が可能となる．新たな入法は非現実的」ということにはならないと考える．ただし，

力方法の可能性として探求する余地があると考えている．

場合によっては入力操作が 20 秒前後におよぶこともある

３つめの応用例は，Non-look 入力や片手入力への応用でため，入力操作が短時間で完了する必要のある操作には向ある．今回の評価実験では，視覚情報によるフィードバッかないとも言える．

クを与えながら入力操作を行った．しかしながら前述の通次に入力精度についてだが，4 値の条件をのぞくと，被り，操作方法自体は「画面を押し込む」という単純な操作

験者によっては 50%以下しか入力に成功しないことが明らであるため，片手入力や画面を見ずに入力する Non-lookかになった．このことから，本手法は実用性に難があると入力も可能であると考える．片手入力のためには入力値確言わざるを得ない．ただし，これには改善の余地があると定のための方法を再検討する必要がある．また片手入力と考えている．その理由は 3 点ある．

Non-look 入力の双方においても，現在の圧力値がどの値

1 つは，圧力入力という新たな操作方法に被験者が慣れなのかを操作者にフィードバックする仕組みが必要であろていない点である．この操作に被験者が慣れてくれば，入う．この方法として携帯端末の振動機能を利用する方法が力成功率は改善する可能性があると考えている．2 つめの提案されているが (参考文献 [2], [4])，2 値ではなく多値の理由は，圧力値の離散化処理に改良の余地が残されている

場合はどのようなフィードバックが良いか検討していく必点である．携帯端末の画面を押し込む形での圧力入力は，要がある．

操作者が一定の圧力を加えているつもりでも，時間ととも最後の応用例は「Low-visibility Interaction」の一手法でに圧力値が揺れることがわかっている．この揺れ幅と離散ある．2 章で「覗き見攻撃」への対策として，圧力入力に化処理の境界値の設定によっては，出力となる離散値が 2よる個人認証の手法が Kim らによって提案されていた (論つの値を行ったりきたりすることになり，入力値が安定せ

文 [3])．Krombholz らによる forcePIN[2] も同様の効果をず，誤入力を誘発することになる．これを抑制するため，主張している．これは一例にすぎないが，入力操作が視認離散化処理を改良する必要がある．3 つめの理由は，評価困難な方法で行えることが望ましい場合の一入力手法とし用システムの操作に 2 つの問題が内在していた点である．1て可能性があると考えている．

つめの問題は，誤入力を修正する手段を提供していなかった点である．誤入力の修正が可能となれば，入力成功率が6. おわりに改善することは確実であろう．2 つめの問題は，入力値確本研究では，携帯端末において利用可能になった画面を定のために画面をタップする操作が，結果的に誤入力を発押し込む方法による圧力入力を多値離散値の入力に応用生させていた点である．画面をタップする操作が結果的にすることについて基礎検証を行った．圧力入力を利用する

圧力値に変動を生み，操作者の意図しない数値で入力を確

ユーザインタフェースが提案されているが，それは「2 値定してしまう事象が発生していた．そのため入力値を確定または 3 値の入力」か「連続値」のどちらかでの利用しかする別の方法を考案・実装する必要がある．

なく，3 値以上の離散値を入力とする手法としては用いら

今後は上記の問題点を改良し，入力精度の向上を可能にする入力方法の実現を試みる．

れていない．
そこで本研究では 4 値以上の多値離散値を圧力を通じて入力する可能性について評価用プロトタイプシステムを実

5.1 応用例
圧力を通じた多値離散値の入力における応用例について議論する．

装し，被験者による評価実験を実施した．その結果，10 値からなる 4 桁数字を圧力を通じて入力するのにかかる時間は平均で 6.84 秒となり，7 秒以内に入力ができることを明

１つめの応用例としては，キーボードの代替手法が考えらかにした．しかし，入力精度は被験者によって大きく異られる．携帯端末のキーボードには問題があることが明らなり，10 値の 4 桁数字で入力成功率が 73.3〜30.0% と大かになっており，様々な代替入力手法が考えられている．

きく揺らぐ結果となった．これゆれ，現実のシステムにお© 2017 Information Processing Society of Japan237

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ける入力手段としては，適用範囲が限定的にならざるをえない，という結果となった．しかしながら，一定の条件下では現実的にも利用可能性があると見込める結果も出ており，その応用例について議論を行った．
今後の課題は以下の３点である．1) より多くの被験者による対象システムの再評価 2) 入力精度を向上させる仕組
みの考案と実装・評価 3) 応用例の節で述べた，実用シス
テムへの適用と評価
謝辞 本研究における評価実験に被験者として協力頂いた学生諸氏に感謝する．
参考文献
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