情報処理学会 インタラクション 2019
IPSJ Interaction 2019

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2019/3/6

仮想空間上でのウィンドウ操作ユーザインタフェースの提案と実装
林

広幸1

濱川 礼2

概要：本論文では, 仮想空間上でマウスを用いてウィンドウを操作するユーザインタフェースの提案と実装について述べる. 我々はパソコン上でウィンドウを作業領域として平面的なディスプレイの上で使用し続けていたが，近年では VR の普及により,HMD(ヘッドマウントディスプレイ) という新しい環境も登場している. HMD を通して見る三次元的な仮想空間にウィンドウを配置すれば, ユーザは平面的なディスプレイよりも, 立体的に拡張された作業領域を得ることが可能である. しかし, ウィンドウを仮想空間に利用する場合, その操作の複雑化が予想される. 本論では過去のウィンドウ操作に関する研究に基づき仮想空間でウィンドウを操作しながら作業するために適したユーザインタフェースの提案と実装を行った. そして評価を行った結果，ユーザに対し違和感のない自然なウィンドウ操作感を提供することができた．また，今後の仮想空間上でのウィンドウマネジメントへの応用を目的としたデータの収集も行った．

1. はじめに我々はパソコン上で何らかの作業を行う場合, ウィンドウと呼ばれるアプリケーション毎に割り当てられた領域を用いる. これにより複数のアプリケーションを同時に表示させ, 任意に切り替えて作業を行うことが可能である. ウィ
ンドウはディスプレイサーバによって画面の領域を割り当てられ, 我々は普段一枚, あるいは複数のディスプレイにそれを表示させ作業を行っている. ユーザはディスプレイの図 1 立体空間でのウィンドウ枚数を増やしたマルチディスプレイ, あるいは大型のディスプレイを用いることでウィンドウを配置することが可能な作業領域を増やすことが可能である. しかし, これにはコストや, ディスプレイを配置するための物理的な領域の限界などが存在する. そこで, 近年普及率の高まってきた HMD に着目する. 2016 年の VR(ヴァーチャルリアリティ) 元年を経て,HMD は低価格化や用途の多様化が進んだ [1]. HMD を用いることでユーザは三次元の仮想空間に入り込む事ができ, 従来の平面的な二次元の作業領域ではなく, 仮想空間という立体的に拡張された三次元の作業領域を獲得することが可能である. しかし, 作業領域が広がれば広がるほどポインティングに要する時間等が増すこと
は木本らの研究で指摘されている [2]. 加えて, 二次元環境
12

中京大学 情報科学研究科
Graduate School of Information Science and Technology,Chukyo University
中京大学 工学部
School of Engineering Chukyo University© 2019 Information Processing Society of Japan

で扱っていたウィンドウを三次元の環境で操作する場合その複雑化が予想される. 図 1 のように三次元環境では縦と横の空間に奥行きが加わり, 二次元環境では一定であったユーザとウィンドウの距離や, ウィンドウ自体にも傾きといった要素が加わるからである. 大画面領域を対象とした久保らの研究においても, ウィンドウが操作不能になったり見えなくなることが問題として挙げられている [3].
仮想空間でウィンドウを用いて作業をすることにはこうした課題も多いが, それでも新しいワークスペースとしての価値を模索することは重要であると考える. GUI(グラフィカルユーザインタフェース) が登場した頃からウィンドウをどうマネジメントするかについては様々な研究や試みがなされてきた. 本論文ではそうした過去の研究から仮想空間でウィンドウを操作するためのインタフェースを模索し, 図 2 に示すような仮想空間上でのウィンドウ操作インタフェースの提案と実装を行った. 図 2 は仮想空間上で610

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図 2

システムイメージのユーザの視界を表しており, ウィンドウが三次元空間に合わせて適宜表示させている [3]. 桜庭らの研究ではユーザ配置されている. ユーザはこのウィンドウ十枚をマウスとの指し示す身体動作を用いた直感的なポインティング手法HMD による入力で操作することが可能である. 実装したイとして Remote Touch Pointing を提案している [7].

ンタフェースでユーザが素早く自分の意図した通りにウィ

また, 作業領域であるデスクトップを拡張する研究も数ンドウを配置することが可能になるか評価を行なった. ま多く行われている. 拡張に関する研究は主に二つの方法にた評価時に課した作業中のユーザのデータを集めることで,分けられる. 一つ目は平面的なディスプレイを三次元とし今後の研究活動に役立つ知見を得ることを目指す.て捉える方法. 二つ目は拡張現実などの技術を用いてディ

2. 関連研究
ウィンドウの操作支援や, ウィンドウの効率的な活用のスプレイにウィンドウを配置する研究である.
立体的に活用する研究

研究は, 主に二つの分野で盛んに行われてきた. 一つはユー

従来, 主として用いられているウィンドウシステムはウィザの作業状態に合わせてウィンドウを自動的に操作するンドウ同士が重なり合って描画されるオーバーラップウィウィンドウマネージメントに関する研究, もう一つはユーンドウ方式である. 表面上では縦横の平面的な領域であるザの意図したウィンドウに短時間でアクセスするためのポが, 内部的には重なり合ったウィンドウは階層的に管理されインティングに関する研究である.ており立体的な構造を持っている. この方式ではユーザが何らかの作業を行う場合, 対象となるウィンドウをフォーウィンドウマネージメントに関する研究

カスし一番上の階層にしなくてはならないが, これには対ユーザが何らかの作業を行う場合, それに適したウィン

象ウィンドウの探索や移動の手間などがかかる. これを解ドウの配置等を自動的に行う研究として兒島らの支援エー決するため, 山中らのスイッチバックカーソルではマウス

ジェント AIDE がある [4]. これは画面内だけでなく, 実世を用いて重なり合ったウィンドウの奥の層へアクセスする界の周辺環境にもロボットアームを用いた支援を行ってい手法を提案している [8]. また吉田らの研究では視線を用いる. またタスクごとにウィンドウをまとめ, 重なりをなくして背後ウィンドウの透過表示を行っている [9].

切り替えを高速に行う柴田らの研究や, ユーザの作業履歴からワークスペースを構築しウィンドウ切り替えを行う吉田らの研究がある [5][6].

ディスプレイ外に拡張する研究

HUD(ヘッドアップディスプレイ) を使用した坂根らの研究ではディスプレイ外の実空間にウィンドウを配置し,ポインティングに関する研究
ポインティングに関する研究はディスプレイ環境も作用することから多岐にわたる. マルチディスプレイ環境におスティック型のホイールマウスと複数の入力モードを用いて操作を行っている [10].
本研究の位置づけ

けるマウスカーソルの操作時間の増加や見失いに対処する

本論では上記の既研究から得られた知見を参考にし, 仮木本らの研究ではユーザの顔の向きを用いている [2].Web

想空間上でのウィンドウ操作に適したユーザインタフェー

カメラからユーザの注視先のディスプレイを検出し, カースの提案を行う. 本研究で対象となる環境は関連研究で述べソルやウィンドウを移動させることにより問題解決を図っられた環境とは異なり, ユーザは単独であり, ウィンドウをている. 大画面を対象とした研究では, 久保らや櫻庭らの研配置する仮想空間内に入り込んだ上でウィンドウ操作を行究が挙げられる [3][7]. 久保らの研究ではウィンドウを閲覧うことを前提としている. 本論では仮想空間においてウィ困難とそうでないものでタイプ分けをし, 人の位置情報にンドウ操作を行う基礎的なユーザインタフェースの検討と© 2019 Information Processing Society of Japan611

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提案, 実装を行う. これにより, 今までは考慮されなかった

残った. しかし,HMD は常にユーザの向いている方向を正立体的な空間でユーザがウィンドウをどう見るか, どう配しく検出できるので, 入力にこの考え方は応用できるもの置し活用するかを調査することが可能となる. 調査し集めと考える. 別の研究で程によって提案された顔の向きによたデータは今後, 仮想空間上でのウィンドウマネジメントるカーソル移動補助がある [13]. これは顔の向いている方に役立つものであると考える.

向にカーソルを向け, 最後に別のインタフェースを用いて

3. 仮想空間におけるウィンドウマネジメント
ウィンドウは GUI 環境において複数のアプリケーションを直感的に扱うために長く用いられてきた. その形状微細な調整をするというものである. 本論ではこの二つの考えを組み合わせ, さらにマウスの動きを仮想空間のオブジェクトの回転と対応させることで, ポインティングを行うレーザーポイント入力インタフェースを提案する.

は当初から変わることなく四角であり, タイトルバーをドラッグした移動やサイズ変更に我々は慣れ親しんでいる.

4.2 ウィンドウ移動時の軌道補正

そのウィンドウを, 従来のディスプレイではなく別の環境2 節と 3 節で述べたように, ウィンドウの移動手順の増で扱う研究は数多く行われてきた. また近年登場した MR

加, そもそも閲覧ができないようなウィンドウの状態が存デバイス Hololens*1 では実世界にウィンドウを配置するこ在する可能性が仮想空間ではありうる. これらの問題を防とが可能であり,VR デバイスの Oculus Rift*2 では Oculus

ぐため, 仮想空間上でユーザの視点となるユーザ視点カメ

Dash と呼ばれる仮想空間上でのウィンドウ操作を行う UIラとの関係を考慮した次の補正を行う.

をリリースしている. こうした環境が今後普及し仮想空間• ウィンドウとユーザ視点カメラとの距離を保存でウィンドウを用いた作業を行う機会が増えれば, そのマネ

• ウィンドウの角度補正ジメントも課題になると考えられる. 先に述べた関連研究• ユーザ視点カメラを中心軸としたウィンドウの移動から, ウィンドウを効率的に操作するためには素早く正確

ウィンドウは移動時に, 移動前のユーザ視点カメラとの距なポインティングが必要である [2][7][11]. また, 作業対象の離を保つ. そして, ユーザ視点カメラを中心とした円の弧をウィンドウ, あるいは同一タスクで参照が必要な別のウィン描くように移動を行う. また, ウィンドウはユーザの視点ドウを見やすい位置に配置することも重要である [4][5][6].となるカメラに対し, 常に 90 度の角度を保つ. これは通常,しかし, 配置に関しては従来の研究では平面のディスプレ

ユーザはディスプレイに対し垂直に近い視線を良く用いてイを対象としたものに対する研究しかない. 加えて, 仮想空いることが調査で明らかになっているからである [14]. こ

間では今まで一定の振る舞いをしていたウィンドウはよりれらの補正を行うことにより, ユーザはウィンドウの移動自由な振る舞いをするようになり, ユーザが利用できない前と移動後でウィンドウの可読性と操作性を損なうことはという状況が発生することも十分考えられる [3][5]. 仮想空ないと考える.

間での適したウィンドウの配置に関しては, 新たに調査する必要があるだろう.

4. 提案ユーザインタフェース

4.3 ウィンドウの自動配置
移動の対象となるウィンドウや, ユーザのウィンドウの使用状況を知ることでシステムが自動でウィンドウの配置

ここでは先の 2 節と 3 節で述べたことをもとに仮想空間を行うことができる [5][6]. 例として, 相互参照したいウィ上でのウィンドウ操作ユーザインタフェースについて三つンドウの隣接配置や, 一時的に参照しなくなったウィンド提案をする.

ウの視野外への移動が挙げられる. この時, 仮想空間である点を考慮した移動と配置を行うことで, 新たなウィンドウ

4.1 マウスと HMD の向きを用いたレーザーポインタとのインタラクションを提案できると考えられる. しかし,マウスは最も古くから使われているポインティングデバ

それにはユーザの仮想空間上でのウィンドウ使用時のデーイスである. これとユーザの視点となる HMD の向きを用タが必要である. よって, 本論では提案にとどめ, 今回実装いたレーザーポインタを提案する. 素早いポインティングされたユーザインタフェースの評価において実データをのために顔の向きなどを用いる有用性は先に述べた事例

収集し, 今後の研究にて具体的な提案と実装を行いたいとのとおりである [2]. このほかにも VR 空間で HMD の向き思う.と視線を合わせた入力を用いた宮下らの研究もある [12].
これは入力インタフェースに視線を用いることで, 没入感

5. ユーザインタフェースとテスト環境の実装のある VR 体験を目指すものだったが, 精度の面で課題が

ゲ ー ム エ ン ジ ン の Unity*3 と VR デ バ イ ス の HTC

Vive*4 を使用して実装を行った. 図 3 は実際にシステム*1*2

https://www.microsoft.com/jajp/hololens?SilentAuth=1wa=wsignin1.0
https://www.oculus.com© 2019 Information Processing Society of Japan*3*4

https://unity3d.com/jp
https://www.vive.com/jp/612

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2019/3/6を使用している様子である. ユーザの装着した HMD が頭の動きをトラッキングし, 視界には仮想空間とその中に配置されたウィンドウが見えている.

図 3 システム使用図

図 4

二つのモードと色違いのレーザー

図 5

マウスの動きとオブジェクトの対応

5.1 ユーザインタフェースの実装
仮想空間上に配置された操作対象であるウィンドウのオブジェクト (以下ウィンオブジェクト) を操作するためのユーザインタフェースについて述べる.

5.1.1 マウスと HMD を用いたレーザーポインタ
図 4 のようなレーザーを発する 3D オブジェクト (レーザーオブジェクト)*5 が入力インタフェースである. レー
ザーオブジェクトから照射されるレーザーがフォーカスし距離が保たれる. そして移動終了時に, ウィンオブジェクトたウィンオブジェクトを操作対象と認識する. レーザーははカメラに対し垂直になるよう角度が変更され, 保存して二つのモードを持っており, フォーカスされていないときあった距離と等しくなるよう移動する.に右クリックを行うことでモードの切り替えを行う. 一つのデバイスに複数の入力モードを付与して用いる方式は

5.2 テスト環境の構築

坂根らが空中のウィンドウを操作するのにも用いられて実装したユーザインタフェースをテストするため, 実際いる [10]. 図 4 に示すように赤い時はウィンオブジェクトにウィンドウを仮想空間に配置し操作可能とする環境構築の移動モードであり, 青い時はウィンドウの操作モードとについて述べる.

なっている.

5.2.1 仮想空間上へのウィンドウの生成• 移動モード (赤いレーザー)

ウィンドウのキャプチャ画像をウィンオブジェクトにテ– クリック&ドラッグで移動クスチャとして貼り付けし, リアルタイムに更新を行う. こ– マウススクロールでズームインズームアウトの方法はディスプレイ外へのウィンドウ表示を行った坂根– マウススクロールボタン押し込みで角度調整

らの研究でも用いられている [10]. ウィンドウの持つウィ• 操作モード (青いレーザー)

ンドウハンドルからデスクトップ上の座標と描画領域を取– フォーカスしたウィンドウの操作得し, その範囲内でデスクトップのキャプチャ画像を切りレーザオブジェクトは図 5 に示すようにマウスの上下左右抜く. 仮想空間上でキャプチャのサイズに合わせたスケーの移動量に対応し, レーザーオブジェクトが回転するようルのウィンオブジェクトを作成し, テクスチャの更新を行になっている. また, レーザーオブジェクトの位置はユーう. こうすることで, 図 6 に示すように, 疑似的に仮想空間ザの装着している HMD に追随しているので見失うことは上にウィンドウを配置することが可能である. その使用上,ない.

一度に更新し操作できるウィンドウは一枚のみとなる.

5.1.2 ウィンドウの移動補正

6. 評価

ウィンオブジェクトの移動が行われる際, まずユーザの視点であるカメラとウィンオブジェクトの距離が算出され実装したユーザインタフェースが妥当かどうか, 学生被保存される. 移動はレーザーオブジェクトに対し相対的な験者 9 人を対象に評価実験を行った. 評価は VR 環境で本

*5https://assetstore.unity.com/packages/3d/props/guns/scifi-gun-heavy-87878© 2019 Information Processing Society of Japan

システムを用いて行うタスク A と, 通常のマルチディスプレイ環境で行うタスク B の二つの環境において, それぞれ613

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ウを同時に参照する場合に便利である, ウィンドウを操作する自由度が高いためオリジナリティーを追求できるなどの意見を得ることができた.
表 2

図 6

キャプチャ例 (VisualStudio)

タスク比較アンケート結果
タスク A
タスク B

どちらの方が使いやすかったか

45

どちらの方が疲れたか81

6.3 収集データに関する調査結果

Web ブラウジングと英語文章の翻訳作業を行ってもらっ

被験者 9 人に対し, 作業中の HMD の角度の変化を取得た. まず本システムの使い方を説明し操作に慣れるまで十することで作業者が仮想空間内のどこを向いているかの調分ほど練習を行った後に二つのタスクを行ってもらった．

査を行った. 図 7 は被験者全員の HMD の角度の頻度を表

A と B のタスクに決まった順番はなく，被験者毎にランダすグラフである. グラフの中心はユーザの真正面であり, 最ムで行った．被験者 9 人の内 4 人には Web ブラウジング，も濃くなっている. 色はおおよそ左右に 45 度ずつ広がって5 人には英語文章の翻訳作業を行ってもらった．結果を以いるが, それ以上はあまり広がっていない. このことから,下に示す.

仮想空間の領域はあまり活用できていないということが読み取れる. アンケートでは領域活用について良い結果を得ているが, 実際にはあまり活用されていないことが分かっ

6.1 ユーザインタフェース評価
本論で実装したユーザインタフェース及び環境についてた. また,9 人の内 5 人を対象に, 仮想空間上で作業に用いた被験者に対しアンケート調査を行った. 結果は表 1 の通りである. アンケートは 5 段階評価で行っており,1 が最もネガティブ,5 が最もポジティブな要素を表す. 結果として実装したインタフェースはおおむね高評価であった. 一部操作が複雑だったと思われる結果が出ているが, アンケートと合わせたヒアリングから原因はモードの切り替えに不慣れであったことであるとわかった. モードの切り替えに関しては, 今は一度フォーカスを外してから行うようにしているが, 今後は別の方法に改善する必要がある.
表 1 アンケート結果

54321ウィンドウの移動は直感的に行えたか

51210ウィンドウの移動に違和感を感じたか

35100ウィンドウの移動,

44010

移動や角度の補正は便利だったか

44100

意図した通りにウィンドウを操作できたか

42030ウィンドウの座標を収集し, その変化を調査した. 図 8 は被マウスを用いた操作は使いやすかったか

45000

験者の内 2 名のデータをプロットしたグラフである. ウィ

操作は複雑だったか

図 7 被験者全員の HMD 角度マップ

ンドウごとに色分けされており, 点と点を結ぶ線は座標間の移動を表す. グラフから被験者 A と B はともに自身の全6.2 比較評価

面に扇型にウィンドウを展開し作業しているのが読み取れ

タスク A とタスク B の比較評価を示す. 表 2 から, 本シる. 先ほどの角度マップを合わせても妥当な結果であるとステムの環境とマルチディスプレイ環境では使いやすさに思われる. 被験者 B のウィンドウ操作は少なく, ほぼ固定はあまり差がないという結果になった．しかし疲労の面でされた位置で使われているのに対して, 被験者 A のウィンは本システムの方が疲れやすいという結果が出た．この理

ドウはユーザに対し近づいたり遠ざかったりする動きが多由として, マルチディスプレイの方が使い慣れている,HMDい. この被験者はズームインズームアウトを多用し, ウィンを使うため頭が重く疲労がたまるなどの意見があった. まドウの見やすさを試行錯誤しながら作業を行っていたことた，ヒアリング結果から本システムの方が複数のウィンドが後のヒアリングでわかった.

© 2019 Information Processing Society of Japan614

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タフェースを述べ, 実装を行い評価した. 主観的な評価ではおおむね今回実装したインタフェースの妥当性が証明されたが, 一方で実データ的, あるいは定量的な面で課題の残る結果となった. 今後はさらなる比較評価と, インタフェースのブラッシュアップ, そして集めたデータをもとに仮想空間上でのウィンドウマネジメントを提案していく.
参考文献
図 8 仮想空間上でのウィンドウの座標変位

6.4 ヒアリング[1][2]

最後に, 被験者たちにどういったウィンドウの配置や動かし方があればよいかヒアリング調査を行った. 最も多かった意見はメインの作業対象となるウィンドウを正面に配置[3]し, その作業に必要な資料を表示するウィンドウを見やすく配置してほしいという意見だった.

[4]

7. 考察
評価結果から, 今回実装したウィンドウ操作のインタフェースに関しては, 被験者達の主観ではあるがよい結果を[5]得ることができた. ユーザはマウスと HMD を用いたインタフェースを活用し, ウィンドウを意図したとおりに動かし作業を行うことができた. しかし一方で, レーザーのモー[6]

ドの切り替えなどが複雑だという意見も出た. ウィンドウ操作の煩雑さを解消するためのインタフェースが仕様上で[7]

こういった問題を抱えるのは本末転倒であるので, 対処方を考えなければならない. また, 今回はマルチディスプレ[8]

イの環境との比較を行った．使いやすさに差は出なかったが, 本システムの方が疲労度が高いという結果が出た．これは HMD 自体の重さにも原因はあるが，システムの方か[9]らはウィンドウの移動を最適化することで首の運動を減らす等の対策できると考える．比較については, 入力デバイ[10]スの違いを考慮した比較なども今後行わなくてはならない.
ウィンドウの移動補正についてはユーザにとって違和感のない自然な移動ができたとの意見を得た. よって, 今後はこ[11]れを軸としてさらなる移動や配置方法を模索する. データ収集に関しては, 少ないデータ数であるにもかかわらず, ある程度の傾向や実態を読み取ることができたと考える. 今[12]後は被験者を増やす, または特定の被験者に継続的に使用してもらうなどし, データ収集を行っていく.

8. まとめ
本研究は仮想空間上でウィンドウを操作し作業するため

[13]
[14]

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ス提案としてマウスと HMD を用いたレーザーポインタと,ウィンドウ移動の補正を組み合わせたウィンドウ操作イン© 2019 Information Processing Society of Japan615