情報処理学会 インタラクション 2021
IPSJ Interaction 2021

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2021/3/10

身体的制約を利用した困難なマルチタッチレイアウトの提案
井上美奈†1栗原一貴†1

概要：本研究ではスマートフォンやタブレットなどの端末において，マルチタッチを利用することで身体的制約によりあえて操作困難になるインタラクションというものを議論する．具体的には，「1 人だと同時タッチの完遂が困難なボタンの配置」の提案を行う．10 個のボタンの配置として，2 人以上なら自明に簡単であるが，1 人でタッチする際の難易度の異なる「順湾曲配置」，「直線配置」，「逆湾曲配置」の比較検証を行い，これらを情報システムの同時使用
ユーザ数の簡易認証に応用したり，身体を利用した 1 人用パズルコンテンツとして応用したりするシナリオを示す．

1. はじめにTouchIn[3] は 1 本または複数の指でタッチスクリーンに描画された曲線の幾何学的特性と生理学的特性に基づいマルチタッチ技術の発展により，スマートフォンやタブてユーザの認証を行う．これによりユーザは認証の際にタレット端末，トラックパッドなどでのマルチタッチジェス

ッチスクリーンを見ることなくスクリーン上の任意の領域

チャが主流となっている．昨今のマルチタッチジェスチャに描画することができ，使用性とショルダーサーフィンやは 2，3 本指にとどまらず，例えば Apple の Multi-Touch

スマッジ攻撃[4]からの堅牢性を同時に高めている．またトラックパッドでは 4 本指でのスワイプジェスチャがサポ

Yunpeng らの研究[5]ではマルチタッチジェスチャでの認ートされている．また iPhone，iPad，iPod touch では

証に手の形状と動作特性を組み合わせることで認証精度とAssistiveTouch[1] 機能において 5 本指のジェスチャ入力

ユーザエクスペリエンスの低下という行動ベースの認証でをカスタマイズすることができる．

生じやすい問題を克服し，信頼性の高い認証方法を実現ししかし一般的なスマートフォンやタブレットなどに搭載ている．

されるタッチスクリーン性能が向上する一方で，マルチタ

Weizhi らの研究[6][7]によるとグラフィカルパスワー

ッチ技術はディスプレイ上の座標のポインティングやタッドベースの認証システムにおけるマルチタッチの利用によチジェスチャ認識以外の用途ではほとんど使われていない．

り，セキュリティと使用性の両方面でシングルタッチのグ

福地の解説論文[2]によると，マルチタッチ技術はすでに広ラフィカルパスワードを一般的に強化できることが示されく使われておりこれを有効活用するアプリケーションの開ている．

発競争のフェーズにあること，またマルチタッチ入力をど喜多らの研究[8]では連続した入力の時間差を用いるリう有効活用していくかの指針がほとんど確立されていない

ズム認証にマルチタッチを取り入れることで認証に用いる状態であることが示唆されている．

特徴量が増え，これを有効活用することによる認証精度の本研究では，マルチタッチ操作に着目し，あえて操作困向上が示されている．

難となるインタラクションについて検討する．具体的にはこれらの利用法は既存の認証方法やタッチジェスチャに狭いディスプレイ領域上で多くの点への同時タッチを要求

マルチタッチを取り入れることで入力空間の拡張や操作性することでユーザに身体的な制限を生じさせ，操作性が極の向上を実現している．本研究の新規性はジェスチャの多めて悪くなることを積極的に利用した「1 人だと同時タッ様化や利便性の向上ではなく，タッチ領域のレイアウトにチの完遂が困難なボタンの配置」を 3 通り提案する．また，よりユーザの指を固定させることにある．

提案したレイアウト 3 種類についてそれぞれのボタン配置

2.2 入力方式への利用とボタンの形状による難易度への影響について検証し，得スマートフォンの日本語入力方式へのマルチタッチ操作られた結果と考察をもとにこのレイアウトを用いた新しいの利用も検討されているが，視認性や操作性においてデメマルチタッチの応用先を例示する．

リットが目立ち，有効活用がなされているとは言い難い．

2. 関連研究・関連事例
2.1 認証への利用
マルチタッチを用いることでモバイル認証の安全性を高める方法が検討されている．

君岡らの研究[9]では画面の左右に楕円状に配置されたボタンを左手親指で子音，右手親指で母音と 2 点のマルチタッチで行う入力ボタンレイアウトを提案しているが，10種提示する必要のある子音のボタンが小さかったり，入力†1 津田塾大学情報科学科© 2021 Information Processing Society of Japan115

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2021/3/10の視覚フィードバックが指で隠れて見えなかったりといった要因から入力速度，入力ミスの割合どちらにおいても提案手法の有効性は示されなかった．
平山らの研究[10]ではフローメニューにタブレット PCには 5 本指，スマートフォンには 3 本指のマルチタッチフ
リックを導入し入力時間と誤入力数についての検証を行なっている．スマートフォンは利用可能な指の本数を減らしているにも関わらずメニューの項目数を増やした際の誤入力数の増加がタブレット PC と比較して著しく，運用にはタッチパネル面積の狭さが課題になっている．

図 2 逆湾曲配置を 2 人でタッチする様子

2.3 ゲームへの利用
本研究のコンセプトにもっとも近い利用例として，指のこれら 3 種類のレイアウトは，いずれも 2 名あるいは拘束を使ったゲームがある．Android 用アプリ「指でツイより多人数のユーザが同時に取り組めば，デバイスを挟んスターゲーム」[11]や iOS 用アプリ「YubiSTAR」[12]なで対面し押下を分担することで容易に 10 点すべてのタッ

どはツイスターという，複数人で指示板に示された手またチ完遂が可能であると想定した(図 2)．

は足をシート上に配置された円印に置いていき倒れないよ3.1.1 順湾曲配置

うにバランスをとる全身を使ったゲームを，スマートフォ

順湾曲配置は，端末を横向きに置いたとき，左右両側かン上でできるよう再現した指を用いて遊ぶアプリである．

ら手を丸めながらタッチすることで 10 点同時タッチが比マルチタッチでお互いの指同士の動きが制限されることを較的容易に可能であると想定した配置である．ただし実装利用している点で本研究と共通しているが，これらのアプする際のサイズやユーザの手の大きさなどによって難易度リで配置されているボタンはどちらもマトリクス状に並んに影響を受けると思われる．

でいる．本研究では難易度の異なる 3 種類の新たなレイア

3.1.2 直線配置

ウトパターンにより，実用的な用途に応用できることを示す．

順湾曲配置が手のそれぞれの指の長さに合わせて緩やかにボタン配置のカーブをかけているのに対し，直線配置は3. レイアウトパターンの提案と実装
3.1 配置の設計1 人だと同時タッチの完遂が困難なボタンのレイアウト

指の長さを無視して一直線状に並んでいる．そのため，順湾曲配置と同じアプローチでタッチしようとした場合，比較的指の固定が難しいと想定される．また，直線ごとに左手，右手を割り振らず，両手の指を組み合わせてタッチすとして，段階的に異なる難易度になることを意図した 3 種る方法も考えうる．

類を図 1 のように提案する．配置の形状から，それぞれ(a)3.1.3 逆湾曲配置

順湾曲配置，(b)直線配置，(c)逆湾曲配置と呼ぶ．

逆湾曲配置は順湾曲配置と逆方向にカーブをかけている

ユーザはこれらの配置に対して，提示された 10 個のボため，同様のアプローチでは指の固定がかなり困難である

タン全てを一度にまとめてタッチするよう試みる．例えば，と想定される．片手内で指の並べ順を入れ替えたり，両手ボタン全てを瞬間的に押す必要はなく，ひとつずつタッチ指を混合させたりなどの工夫が必要になると考える．

を確かめながら押下していき，同時にボタンにタッチして3.2 ボタン形状の設計いる指が合計で 10 本に到達すれば同時タッチ完遂となる．

入力を難しくするためにはボタンを小さくすることが考一度タッチしても指がずれてボタンタッチ領域から外れるえられるが，ユーザの手の大きさによっては難易度に差をと，その分は合計から引かれ，その指は一度画面から離し出すことができず，全てのレイアウトで同時タッチの完遂てタッチし直す必要がある．

ができないということになりかねない．そこで，ボタンの大きさはユーザによって個別に設定ができることとした．
しかし，ボタンを円形のまま拡大すると，ボタン領域内でタッチできる座標に選択の余地が生じる．すると片手 5 本
指によるタッチを想定している上下それぞれ 5 つのボタン群について，5 つの円の中心をつないだ曲線の曲率よりも低い曲率の曲線上でタッチすることが可能になるため，指と指との間の窮屈さが緩和され，タッチ完遂難易度が下がってしまう可能性がある．そこで，ボタンの拡大機能を実図 1 提案するタッチレイアウト© 2021 Information Processing Society of Japan

装する場合，ボタンの形状を円形でなく楕円形にすること

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で各レイアウトのタッチ完遂難易度を保ったままユーザの指のサイズに合わせたボタンサイズ変更ができるのではないかと考えた．各配置においてタッチ完遂できる 5 指の押下座標をつないだ曲線のうち，最も低曲率のものを最低曲率許容曲線と定義する．3 種類の配置における最低曲率許容曲線を図 3 に示す．(2)の円形ボタンの最低曲率許容曲線（青色）が (1)の元の逆湾曲配置の最低曲率許容曲線（橙色）と比べて図 4 で示すように緩やかになっているのに比べ，(1)の元の逆湾曲配置と(3)の楕円形ボタンの最低曲率許容曲線はほぼ一致している．

図 5 実験に用いたテスト画面×幅 68.8mm）である．
実験は図 5 に示した 6 種類のテストで構成されている．
図 3 円形ボタンと楕円形ボタンの拡大図比較

テスト 1，テスト 2，テスト 3 ではレイアウトによる難易度の比較，テスト 4，テスト 5 ではボタンサイズを大きくした場合のボタン形状による難易度の変化の検証，テスト
6 では逆湾曲配置を 2 名でデバイスを挟んで対面し押下を分担した際の一人分の押下の可否を検証する．それぞれのテストでは被験者に提示されたボタン全てを 1 人で一度にまとめてタッチするよう試みてもらい，同時タッチ完遂ま図 4 図 3 における最低曲率許容曲線の差でにかかった時間を測定する．各テストにおいて被験者は時間測定前に同時タッチする方法を考え練習する時間が十3.3 実装の詳細分に与えられるものとする．測定開始後の挑戦時間は 300以上の設計に基づき，スマートフォン，タブレット，秒を上限とし，完遂できなかった場合はかかった時間をおよびマルチタッチ可能なディスプレイを持つ PC にお300 秒として記録する．またテスト終了後，被験者に各テいてクロスプラットフォームで動作する，Unity を用いストについての主観的な難易度を 10 件法で，体験したイたプロトタイプを開発した．

ンタラクションについての感想を自由に記述させた．被験実装の方針として，本研究では入力を難しくするインターフェースを目指すため，タッチ判定の基準を厳しく者は 20 代女性 8 名である．
4.2 実験結果と考察設定した．例えば，ボタンクリックイベントとしてテスト 1 からテスト 6 の同時タッチ完遂時間の平均値とPointerEnter イベントを使うと一度ボタンを押下し，押標準偏差を表 1 に，主観的難易度の平均値と標準偏差を表下したままタッチ領域外に指がずれたとしても，そのま2 に示す．

ま指を領域内にスライドさせれば再びタッチ判定は成功する．この判定をより厳しくするため，PointerDown

表 1 タッチ完遂時間の平均値（秒）と標準偏差（秒）イベントを使用することで一度指がタッチ領域外にずれてしまった場合，一旦その指は画面から離してから，領域内にタッチし直さなければならないようにした．

4. 実験
4.1 実験方法
提案した 3 種類のレイアウトとボタン形状の違いによるタッチ完遂難易度を検証するため，実験を行なった．実験に用いたスマートフォンは Google Pixel 4（縦 144.78mm© 2021 Information Processing Society of Japan117

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表 2 主観的難易度の平均値と標準偏差

図 6 レイアウトの違いによる計測時間の差
4.2.1 レイアウトによる難易度の比較
テスト 1，テスト 2，テスト 3 の計測時間の差と，主観的難易度の差をそれぞれ図 6，図 7 に示す．
テスト 1，テスト 2，テスト 3 のタッチ完遂時間をFriedman 検 定 で 分 析 し た と こ ろ ， 有 意 差 が 見 ら れ た（ p<0.01）．さらに Conover の方法により多重検定したところ，テスト 1 とテスト 3 の間に有意差が見られた（ p<0.05）．これにより，逆湾曲配置は順湾曲配置よりも難しいことが示された．主観的難易度も同様に Friedman 検定を行ったところ有意差が見られた（ p<0.01 ）．続けて

図 7 レイアウトの違いによる主観的難易度の差

Conover の方法による多重検定により分析するとテスト 1とテスト 3 の間に有意差が見られた（p<0.01）．自由記述の感想では直線配置，逆湾曲配置で難儀し途中で諦めたくなったという回答がいくつか見られた．
本実験より，提案する 3 種類のレイアウトによって，タッチ完遂に要する時間を変化させることができる可能性が示唆された．とくに逆湾曲配置は 1 人では同時タッチが難しく，今回の制限時間である 300 秒の間にタッチを完遂できた被験者の割合は 25%であった．なお直線配置は順湾曲配置，逆湾曲配置に比べて個人差が大きい．今回は 300 秒を上限としたが，より長い時間で実験すると異なる結果が

図 8 ボタン形状の違いによる計測時間の差得られるかもしれない．
4.2.2 ボタン形状による難易度の変化の検証
テスト 4，テスト 5，の計測時間の差と，主観的難易度の差をそれぞれ図 8，図 9 に示す．
テスト 4，テスト 5 のタッチ完遂時間を Wilcoxon の符号付き順位検定したところ，有意差は見られなかった（p=0.465）．主観的難易度も同様に Wilcoxon の符号付き順位検定した検定したところ有意差は見られなかった（p=0.138）．
本実験より，楕円のボタンを導入することで曲率を変更し，難易度を高める方向に調整することの有効性は現時点

図 9 ボタン形状の違いによる主観的難易度の差では示すことができなかった．詳しくここのデータを見ると，すぐにテスト 3 を完遂できる人はテスト 4，テスト 5にパラメータを調整した検証が今後の課題である．

を同程度の時間で突破しており，完遂できない人はテスト4.2.3 2 人でタッチすることを想定した場合の検証

4，テスト 5 ともに制限時間を過ぎて諦めていた．より多様© 2021 Information Processing Society of Japan

テスト 6 は，テスト 3（逆湾曲配置）と同座標のレイア

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ウトで，楕円ボタンを導入することによる難易度を高める

確率を制御することでレベルデザインを行うことが可能で調整を試みたものである．これについて 2 人で分担してタあろう．これは関連事例で述べた「指でツイスターゲーム」

ッチすることを想定し，その 1 人分であるボタン 5 つを被[11]や「YubiSTAR」[12]と類似のものであるが，これらが験者 1 名で全てタッチするまでにかかった時間を調べた2 人用であることに対し，本提案は 1 人用である点が異な（図 5 f）．テスト 6 の完遂するまでにかかった時間の平均る．

値は 5.250 秒，標準偏差は 1.488 秒，主観的難易度の平均は 1.500，標準偏差は 0.926 である．テスト 3 の完遂時間
平均値 264.125 秒，標準偏差 87.136 秒，主観的難易度平均値 9.375，標準偏差 0.916 に比べてテスト 6 は明らかに難易度が低く，短時間で全員がタッチ完遂に成功していることがわかる．
本実験より，逆湾曲配置は 1 人ではタッチ完遂が困難で，2 人ではタッチ完遂が容易な状況を実現できることが示された．

5. 応用例

図 10 経過時間とタッチ完遂累計者数の割合

実験結果に基づき，提案手法の応用シナリオを例示する．
5.1 情報システムの同時使用ユーザ数を認証する実験により逆湾曲配置は 1 人によるタッチの完遂が困難であることが示された．これにより，タッチ完遂を指

6. 議論
6.1 ハードウェアの性能による制約定の時間以内に行うよう制限することにより，2 人以上

本稿で提案したレイアウトは 10 点マルチタッチが問題であれば十分間に合い，かつ 1 人ではタッチが難しい状なく実行できることが前提になっている．しかし，マルチ況を作ることが可能である．図 10 は，実験におけるテスタッチデバイスの性能は機種によって差があり，我々のイト 3（逆湾曲配置）とテスト 6（逆湾曲配置の一人担当部

ンフォーマルな実験では，検出が可能であっても 10 点の分）において，各経過時間におけるタッチ完遂累計者の継続的タッチ検出が不安定なハードウェアが散見された．

割合をプロットしたものである．これに基づけば，たと今後のマルチタッチ検出技術の向上を期待するとともに，えば 40 秒以内のタッチ完遂を課すことによりそれが実

このような精度の必ずしも高くないハードウェアでも活用現できるだろう．

可能なタッチ検出アルゴリズムの検討を今後の課題とした

この仕組みは，情報システムの簡易な同時使用ユーザ数認証手法として応用可能である．すなわち，複数ユーい．
6.2 タッチ継続困難性の探求

ザでの使用を想定した情報システムやサービスにおいマルチタッチ操作における困難なインタラクションとして，初期画面および一定時間ごとに提案レイアウトを表て，本研究ではタッチの完遂の困難さに注目した．一方で，示しタッチを要求することで，単独のユーザでの使用をタッチの継続の困難さの探求という方向性も興味深い．こ制限することが可能となるだろう．

れが実現すれば，長時間のスマートフォン使用習慣を改善

そのような利用シーンとして，たとえば子ども単独でするため，困難なタッチの継続可能期間のみスマートフォの情報機器使用を制限したい場合や，2 名以上での参加ンを使用可能にする，といったシステムへの応用もできるを原則とするゲームの開始時に参加人数確認を行う場だろう．これは今後の課題である．

合が挙げられる．

6.3 厳密性

本手法は指紋認証デバイスや顔認証のためのカメラ

本提案は 1 人でのタッチ完遂が困難なボタン配置を検討

デバイスを用いずに，マルチタッチデバイスのみで実現した．しかしこれは，たとえば脚の指などの手以外の身体可能な人数認証手法であり，普及が容易である点が特徴

部位の使用や，スマートフォン用ペンデバイスの使用などである．

により 1 人でのタッチ完遂難易度が軽減できてしまう可能

5.2 身体を用いたパズルコンテンツ性が想定される．したがって応用先としてはタッチ完遂の提案した 3 種類のレイアウトにおいて，タッチ完遂の困厳密な困難性を前提にするのではない，エンタテインメン難さにある程度段階を設けられることが示されたので，1ト用途などの非シリアスなものがふさわしいと考えられる．

人でのタッチ完遂を目指すパズルコンテンツとして応用可能であろう．順湾曲配置を低レベル，逆湾曲配置を高レベルとすることや，制限時間を設けることによりタッチ完遂© 2021 Information Processing Society of Japan

7. おわりに本研究ではマルチタッチ操作を使うことで発生する身体119情報処理学会 インタラクション 2021
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的制約によりあえて同時押下困難なボタンレイアウトを提案し，その有効性を議論した．またこれを利用した実用的な用途の応用例を示した．今後も，マルチタッチを利用することの困難さを逆手に取った活用法についての可能性を探っていきたい．

参考文献
Apple, https://support.apple.com/ja-jp/HT202658.
福地健太郎：マルチタッチ技術の研究動向，コンピュータソフトウェア, Vol.28 No.2 (May 2011), pp.55-62.
[3] J. Sun, R. Zhang, J. Zhang and Y. Zhang：TouchIn: Sightless
two-factor authentication on multi-touch mobile
devices, 2014 IEEE Conference on Communications andNetwork Security (2014), pp. 436-444.
[4] Aviv, A.J., Gibson, K., Mossop, E., Blaze, M., Smith, J.M.：
Smudge attacks on smartphone touch screens., In:
Proceedings of the 4th USENIX conference on Offensivetechnologies, WOOTʼ10 (2010), pp.1‒7.
[5] Y. Song, Z. Cai, Z. Zhang：Multi-touch Authentication
Using Hand Geometry and Behavioral Information, 2017
IEEE Symposium on Security and Privacy (SP) (2017),
pp.357-372.
[6] Yuxin Meng, Wenjuan Li, Lam-For Kwok：Enhancing ClickDraw Based Graphical Passwords Using Multi-Touch onMobile Phones, IFIP Advances in Information andCommunication Technology 405 (July 2013).
[7] Weizhi Meng, Wenjuan Li, Lam-For Kwok, Kim-Kwang
Raymond Choo：Towards enhancing click-draw basedgraphical passwords using multi-touch behaviours on
smartphones, Computers & Security Vol.65 (March 2017),
pp.213-229.
[8] 喜多義弘, 神里麗葉, 朴 美娘, 岡崎直宣：マルチタッチ操作を利用したリズム認証方式の検討, 情報処理学会研究報告
Vol.2014-UBI-41 No.19 (2014).
[9] 君岡銀兵, 志築文太郎, 田中二郎：マルチタッチを利用した携帯端末用日本語入力方式とその評価, 情報処理学会研究報
告 Vol.2010-HCI-138 (2020).
[10] 平山健一, 小枝正直：スマートデバイスにおける不特定入力
領域フローメニューとマルチタッチフリックを用いた入力方式の提案, 第 74 回全国大会講演論文集 2012 巻 1 号(2012), pp.73-74.
[11] kinoya, (2013),
https://apkpure.com/jp/%E6%8C%87%E3%81%A7%E3%8
3%84%E3%82%A4%E3%82%B9%E3%82%BF%E3%83%B
C%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83%A0/com.ketaikakak
u.twister[12] CINCOCCHO Inc., (2014),
https://apps.apple.com/jp/app/yubistar/id523591824[1][2]© 2021 Information Processing Society of Japan120