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IPSJ Interaction 2024

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2024/2/28

SkinRing: 装着方向に依らない指側面でのジェスチャ入力可能なリング型デバイス
花山 勝吾1

北村 莉久1山本 匠1

雨坂 宇宙1Chan Liwei2

杉浦 裕太1

概要：本研究では，装着方向にかかわらず指側面でのジェスチャ入力を可能にするリング型デバイス
SkinRing を提案する．SkinRing は，8 個の反射型光センサがリングに取り付けられたもので，人差し指に装着し，親指が人差し指に触れた際の皮膚変形情報を取得することでジェスチャ識別を行う．さらに，初めに手の開閉動作によるキャリブレーションを行うことにより，装着時のリングの回転方向に依存しない入力が可能である．9 種類のジェスチャの識別精度を検証した結果，87.8 ％の平均識別精度を示した．

1. はじめにリング型デバイスは，インタラクティブな機能を実現するために広く研究されてきた．しかし，リング型デバイ
スは，その形から入力スペースが一次元に制限されることも多い [1], [2]．この入力機能を拡張するために，先行研究では周囲の皮膚領域を利用している [3], [4]．例えば，EFRing[3] は，電界センシングを利用して指の皮膚上での 2次元のジェスチャ入力を可能にしている．FingerSound[4]は，接触式マイクとジャイロセンサを用いて手の平での 2次元のジェスチャ入力を可能にしている．ところが，これ

図 1

SkinRing は親指で人差し指をなぞるジェスチャ入力を検出

らはリング型デバイスを装着したユーザが正確な入力座標を維持するために指にデバイスを正しい向きで装着する必を用いてジェスチャを識別した．9 種類のジェスチャの識要がある．

別精度を測定するためにユーザスタディ (N=10) を実施し本研究では，装着方向に依らずに指側面でのジェスチャたところ，8 つの異なる回転方向でキャリブレーションを用入力を可能にするリング型デバイス，SkinRing を提案すいてジェスチャを行った際の平均識別精度は 87.8%であっる（図 1）．SkinRing は，8 個の反射型光センサが，赤外た．これは，リングの回転方向に依存しないジェスチャ入線を指に照射する向きにリングに取り付けられたものであ力が十分に可能であることを示しており，快適で便利な入る．人差し指に装着し，親指が人差し指に触れたときの皮力に貢献するものである．

膚変形情報を取得することでジェスチャ識別を行う．反射型光センサはリングの周りに等間隔に取り付けられている
ため，キャリブレーションを行うことによってリングの回

2. 関連研究2.1 リング型入力デバイス

転方向に依存しない入力が可能である．さらに，人差し指これまでにも多くのリング型入力デバイスが研究されての皮膚を親指でなぞるようにジェスチャするため，アイズいる．AuraRing[5] は，リングとリストバンドで構成され，フリー入力には特に重要な触覚フィードバックを与えるこ

磁界を利用して指の動きを追跡する．LightRing[6] は，赤とができる．

外線近接センサとジャイロスコープを組み合わせ，平面上本研究では，親指が人差し指に触れたときの皮膚変形情の指先の 2 次元位置を検知する．ThumbTrak[7] は，近接報の時系列データから特徴量抽出後，ランダムフォレストセンサを用いて手のポーズを認識する．國分ら [8] は，リ12

慶應義塾大学
National Chiao Tung University© 2024 Information Processing Society of Japan

ングの上の空中でジェスチャ入力を行うために反射型光センサを利用した．Tsai ら [9] は，静電容量センシング技

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図 3
図 2

反射型光センサが皮膚変形を検出(a) デバイスと赤外線照射方向．(b) 手の開閉によるキャリブレーション動作．に，リング型のデバイスを介して外圧や指の回転を検出す術を用いて，電極が印刷された紙のリング上で入力を行っる方法も提案した [23]．

た．また，皮膚そのものを入力面として使用する研究も多しかし，このリング型デバイス [23] によるジェスチャ識い．これらの研究には，触覚フィードバックを提供する

別の可能性については言及されていない．本研究では，皮インタフェースとして皮膚表面を使用できるという利点

膚の変形を検出するリング型デバイスを用いたジェスチャがある．例えば，ElectroRing[10] は，正確なタッチを検出識別の精度を測定することで，幅広い実用性を検討する．

するためにアクティブな電気センシングを使用した．Tsaiら [11] は，皮膚上の親指の一次元的な動きを追跡するため

3. 提案手法に手の甲とサムリングに慣性計測ユニットを取り付けた．

最初に皮膚変形検出の原理を説明し，次に使用したハーWaghmare ら [2] は，アクティブ電界センシングと手の電ドウェアを紹介する．最後に，キャリブレーションとジェ気インピーダンスの変化を利用して，一次元ジェスチャスチャ識別の方法について詳述する．

入力やユーザー識別などの様々な機能を実現した．Zhang
ら [12] は，慣性計測ユニットと接触型マイクを用いて，親3.1 皮膚変形検出の原理指の一次元ジェスチャ入力を可能にした．また，2 次元反射型光センサは発光素子から赤外線を照射し，その反ジェスチャ入力を可能にするデバイスもある．例えば，電射光を受光素子で検出する．物体からセンサまでの距離に界センシングを用いて 2 次元ジェスチャ入力を可能にする

よって反射光の量が変化するため，距離を測定することがEFRing[3] などがある．また，Zhang ら [4] は，接触型マできる．手を開閉するときや，親指で人差し指の側面をなイクとジャイロセンサを用いて，手の平による 2 次元ジェぞるとき，リング付近の皮膚が変形する．その際，図 2 にスチャ入力を可能にしている．

示すように反射型光センサと指の皮膚との距離を測定する

しかし，これらの 2 次元ジェスチャ入力を可能にするデバイスは，リングの回転方向に対する制約があり，ユーザことで皮膚変形を検出し，センサ値から回転方向のキャリブレーションやジェスチャ識別を行う．

は装着時に注意を払う必要がある．本研究では，キャリブレーション技術を実装することでこの制限を克服し，リングの回転方向に依存しない入力を可能にする．

3.2 ハードウェア設計
3D プリンタで作成したリングに 8 個の反射型光センサ（SG-105：コーデンシ社）が，指に赤外線を照射する向き2.2 皮膚変形の検知に取り付けられている（図 3（a））．デバイスはラージサイ反射型光センサを使用して，指以外の身体部位の皮膚変ズとスモールサイズの 2 種類を用意した．ラージサイズの形を検出する研究はいくつかある．耳 [13] や頬 [14], [15] を

直径は 21mm，スモールサイズの直径は 19mm である．反

使ったインタフェースや，イヤリング [16]，眼鏡 [17], [18]，射型光センサから取得したセンサ値は Arduino Pro Mini

マスク [19] を使い，皮膚の変形によって表情を認識する研3.3V を用いてノートパソコン（ASUS：Zenbook 14）に送究もある．また，人間に馴染みのある，手を用いた入力手信される．サンプリングレートは約 80[fps] であった．

法に皮膚変形を取り入れた研究もある．北村ら [20] は，指先の皮膚変形を利用して，親指で人差し指に描いたマイク

3.3 キャリブレーションロジェスチャを識別する付け爪型デバイスを提案した．尾キャリブレーションを行う目的は，リングの装着されて形らは，手首の皮膚変形を利用した腕時計型ジェスチャ入いる回転方向を特定することである．本研究では，キャリ力デバイスを開発した [21]．また，バンド型のデバイスをブレーションとして，手を閉じた状態から手の開閉を 2 回装着し，指で皮膚を動かす入力方法を提案した [22]．さら行う（図 3（b））．ジェスチャを行う前にキャリブレーショ© 2024 Information Processing Society of Japan648

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図 4

キャリブレーションとジェスチャ識別ンを行い，160 フレームの 8 つのセンサ値を取得する．時系列データを標準化した後，各センサデータを 10 分割し，それぞれの分割したデータごとに 5 つの特徴量（平均値，分散，最大値，最小値，中央値）を抽出する．その後，ランダムフォレストを用いて回転方向を予測する．キャリブレーション後，ジェスチャデータとして 160 フレームの8 つのセンサ値を取得し，標準化した後に，キャリブレーションでの予測結果に基づき，センサデータの入れ替えを行うことで回転の影響を減らす．そして，キャリブレーションと同様のプロセスでジェスチャデータから特徴量を抽出する．最後にランダムフォレストを用いてジェスチャ

図 5(a) リングの回転方向．(b) 回転方向の識別精度．の最終予測をする（図 4）．このようにキャリブレーションを行うことで，回転方向に依存しないジェスチャ識別が可が右利きだった．使用したリングは，ユーザの指の大きさ能となる．に合わせてラージサイズとスモールサイズを使い分けた．
ラージサイズを使用した参加者は 3 名，スモールサイズ3.4 識別を使用した参加者は 7 名だった．実験では，参加者は右手4.3 節に示す実験 3 では，8 つの回転方向（図 5（a））での人差し指に SkinRing を装着した．実験はすべて室内でのジェスチャを識別する際，各センサのデータの順番を，行った．すべての実験は，著者の所属する研究機関であるキャリブレーションで予測された回転方向に合わせるよう慶應義塾大学の研究倫理委員会から承認を得ている．に入れ替えた．
キャリブレーションでは 8 つの離散的な回転方向しか識別できないため，厳密な回転方向の予測はできない．した4.1 実験１：1 回転方向でのリング装着時のジェスチャ
4.1.1 概要

がって，訓練データには，実際の回転方向に入れ替えたデー

本実験は，ベースライン調査として，1 つの回転方向でのタだけでなく，その両隣の回転方向に入れ替えたデータもジェスチャの識別精度を評価する．リングの回転方向を，利用している．識別では，キャリブレーションモデルで予手の甲側にワイヤーを向けた方向 0（図 5（a））に固定し，測した回転方向に入れ替えたデータとその両隣の回転方向

図 6 に示す全 9 種類のジェスチャを用いて識別精度を検証に入れ替えたデータでの予測確率を算出し，その中で最もした．使用したジェスチャセットはリングベースのジェス高い確率のジェスチャに決定するという方式を取った．ラチャに関する先行研究 [3] のものである．実験の前に参加

ンダムフォレスト分類器は，python scikit-learn ライブラ

者にはジェスチャの練習をしてもらった．実験では 9 つのリを用いて作成された．

ジェスチャを 1 回ずつすべて行うことを 1 セットとし，参4. 評価
SkinRing の識別精度を測定するため，10 人のユーザを加者は 10 セットジェスチャを行った．1 セット行う度にリングを付け直した．

4.1.2 結果対象としたユーザスタディを実施した．参加者は男性 8 名，10 セット取得したセンサデータについて，個人内交差女性 2 名（平均年齢 23.3 歳，標準偏差 2.34 歳）で，全員検証と個人間交差検証を行った．個人内検証では，個人のデータを訓練データとして 9 セット分のジェスチャデー© 2024 Information Processing Society of Japan649

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転方向を正確に決定することはできないが，隣の回転方向ラベルを含めたおおよその予測は 100%に近い確率で行えることが明らかになった．

4.3 実験３：8 回転方向でのリング装着時のジェスチャ
4.3.1 概要
本実験は，図 5（a）に示す 8 つの回転方向でリングを装着したときのジェスチャの識別精度を評価する．方向 0 の
図 6

ジェスチャセット

ジェスチャは 4.1 節で記録したため，参加者は残りの 7 つの回転方向でそれぞれ 3 セットずつジェスチャを行った．

1 セットあたり図 6 に示す 9 つのジェスチャを行い，9 つのジェスチャを 1 回ずつすべて行う度にリングを付け直した．

4.3.2 結果
各ユーザの 8 つの回転方向のセンサデータに対して，キャリブレーションありとキャリブレーションなしで個人内交差検証を行った．訓練データとしてテストデータ以外のジェスチャデータを，テストデータとして 1 方向かつ 1
図 7

1 回転方向でのジェスチャの識別精度セット分のジェスチャデータを使用した．使用したキャリブレーションモデルは，4.2 節で得られたデータから作成タを，テストデータとして 1 セット分のジェスチャデーした個人内モデルである．その結果，9 つのジェスチャのタを使用し，個人間検証では，訓練データとして 9 人分の平均識別精度は，キャリブレーションありで 87.8%，キャジェスチャデータを，テストデータとして 1 人分のジェスリブレーションなしで 76.0%であった．各ユーザにおけるチャデータを使用した．その結果，9 つのジェスチャの平キャリブレーションを用いた際と用いなかった際の識別精

均識別精度は個人内で 90.7%，個人間で 67.2%であった．

度を図 8 に，キャリブレーションを行った場合のジェス各ユーザにおける個人内識別精度と個人間識別精度を図 7

チャの識別精度の混同行列を図 9 に示す．ジェスチャにつに示す．個人ごとに見ても分かるように，個人内識別はあいては，特にスワイプとチェックのジェスチャで間違いがる程度可能であるが，個人間識別は困難であるといえる．

生じやすいことが確認された．これは，単純な直線の方向を識別することが，他のジェスチャに比べて難しいからだ

4.2 実験２：装着方向のキャリブレーション
4.2.1 概要と考えられる．
本実験結果から，個人ごとに見ても，キャリブレーショ

本実験は，図 3（b）に示す手の開閉を 2 回行うキャリンを用いることによってリングの回転方向に依らないジェブレーション動作の識別精度を評価する．参加者は，図 5

スチャ識別が容易になっていることが分かる．実際にユー（a）に示すリングの 8 つの回転方向について，それぞれ 3ザがデバイスを利用することを考えると，1 回転方向で 10回ずつキャリブレーション動作を行った．各方向の角度間セットジェスチャを行った際の識別精度である 90.7%を 8隔は 45 度である．方向 0 では，ワイヤーは手の甲側を向回転方向でも達成するために，8 回転方向ですべてのジェいている．リングは毎記録ごとに付け直した．

スチャを 10 セット行うことは，大きな手間である．その4.2.2 結果ため，3 セットという大幅に少ない試行回数で 87.8%の精取得したセンサデータについて，個人内交差検証を行った．訓練データとしてテストデータ以外のキャリブレーションデータを，テストデータとして 1 方向かつ 1 回分の度を達成できたことは本研究の大きな貢献である．

5. 制約と今後の展望キャリブレーションデータを使用した．その結果，8 つの本研究では，リングデバイスの装着方向に依存しない入力

回転方向の平均識別精度は 58.8%であった．混同行列を図を可能にする手法を提案した．しかし，提案した SkinRing5（b）に示す．各回転方向のラベルに対して隣のラベルとにはいくつかの制約がある．初めに，個人差の影響がある．の距離を 1 とした場合の平均距離誤差は 0.413 であった．

反射型光センサは赤外線を照射し，その反射光の強さを測

実際の正しいラベルだけでなく，両隣のラベルも正しいラ定するため，肌色や肌表面の個人差によってセンサの感度ベルとみなした場合の平均識別精度は 99.2%であった．こが異なる．さらに，リングの大きさは固定されているため，れらの結果と混同行列から，キャリブレーションにより回個人の指の太さによってもセンサの値が異なる．また，個© 2024 Information Processing Society of Japan650

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れば，特定の指を負傷した場合など，使用シーンが広がる．
そして，ジェスチャ識別だけでなくポインティング操作がSkinRing で行えるようになれば，実用の幅はさらに広がる．最終的な目標は，リングを無線化することでより快適な入力を可能にすることだと考えている．

6. おわりに
本論文では，装着時の回転方向に依存せずに指の側面でのジェスチャ入力を可能にするリング型デバイス SkinRing
図 8

8 回転方向でのジェスチャの識別精度を提案した．9 種類のジェスチャの平均識別精度は 87.8%であった．我々は，本研究が，リング型デバイスの装着時の回転方向を無視できるという，この分野の他の研究者がこれまでに触れてこなかった利点を見出し，リング型入力デバイスの進歩に貢献する特異で重要なものとなったと考えている．今後は，デバイスの汎用性向上のため，リングサイズ幅の増加，中指への装着可能性の追求，ポインティング操作の実装に取り組むと同時に，実用化のため，リング装着時の誤作動防止用のロック機能の追加やデバイスの無線化による快適な入力の促進を試みる．
謝辞
本研究の一部は，JSPS 科研費（課題番号：JP21H03485）の支援を受けたものである．

図 9

9 つのジェスチャの識別精度

参考文献
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人の間でも，その日の指のむくみ具合によってセンサ値が異なる．そのため，今後は指輪の装着方向のキャリブレーションだけでなく，リングを装着した状態でのセンサの初期値のキャリブレーションや，感度調整も必要である．また，実際に製品として使用する際に，リングが個人の指の[2]太さに合うように作成することも重要である．
また，皮膚を動かすジェスチャを習得するのに時間がかかるという問題もある．実験参加者の中には，皮膚を変形させるジェスチャが難しいと感じている人もいた．また，ジェスチャをする際に指がリングに当たってしまうという[3]意見もあったため，ジェスチャをする位置を検討する必要もある．さらに，実験は屋内で行ったが，SkinRing は環境光に含まれる赤外線の影響を受けるため，日差しの強い場所での使用には限界がある．この問題を解決するためには，反射型光センサに向かってくる他の光を遮断する必要[4]があり，そのためにはデバイス自体のデザインを変更する必要がある．
実用化に向けては，ユーザがリングを装着した状態で勝手に入力が行われないようにするためのロック機能を追加[5]するべきである．さらに，本研究では人差し指への装着の可能性に言及しているが，皮膚上のジェスチャ面積の広さやジェスチャ時のユーザの快適さから，中指への装着も可能であると考えられる．複数の指に装着できる可能性があ© 2024 Information Processing Society of Japan[6]

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