DataTiles: 物理操作と視覚的インタフェースとを融合したプラット フォーム環境
暦本純一
大場晴夫
ソニーコンピュータサイエンス研究所
インタラクションラボラトリー
141-0022 東京都品川区東五反田 3-14-13
Phone: 03-5448-4380, Fax: 03-5448-4273
frekimoto,obag@csl.sony.co.jp

Abstract

Brygg Ullmer
MIT Media Laboratory
20 Ames Street
Cambridge, MA 02139 USA
ullmer@media.mit.eduてきている [18, 14, 3, 6]。従来の、画面情報と（マウスのような）汎用的な入力デバイスに基づいたインタ

実物体の直感的な操作性と、GUI が提供する汎用的フェースと比較して、これらのインタフェースは、人な機能を融合した対話型システム、DataTiles とその設間が元来有している現実の事物を取り扱うための洗練

計方針について報告する。無線タグ（ RFID ）を埋め込された能力を引き出す可能性がある。たとえば両手をんだ透明な「タイル」をインタフェースの単位とし 、使って複数の現実物を迅速に操作することができる。

水平に設置された平面ディスプレ イ（トレ イ）の上に

また、現実物からの強いアフォーダンス [4] によって、タイルを配置することでコンピュータや情報システム

より理解しやすく、親しみやすいインタフェースを構を制御する。単語を組み合わせて文を構成できるよう成することが可能である。

に、複数のタイルの物理的な配置によって、それぞれ

しかし 、ユーザインタフェースの手段として現実物のタイルが提供する基本能力を組み合わせて高度な機を導入することで、GUI が提供していたような汎用性能を表現することができる。

や可変性は損なわれてしまう。特定目的に適合してデThe DataTiles system integrates the benefits of two major interaction paradigms: graphical and physical user interfaces. Tagged transparent tiles are used as modular
construction units. These tiles are augmented by dynamic
graphical information when they are placed on a sensorenhanced flat panel display. They can be used independently or can be combined into more complex configurations, similar to the way language can express complex
concepts through a sequence of simple words. In thispaper, we discuss our design principles for mixing physical and graphical interface techniques, and describe thesystem architecture and example applications.

ザインされた物理オブジェクトを、他の目的に転用することは難しい。従来提案されてきたこの種のシステム
はある用途に特化したものが多く、GUI のような汎用プラットフォームとして設計されているものはほとん
どない。本研究の目的のひとつは、物理的インタフェー
スと GUI のような視覚的インタフェースとを融合させたシステムの構築にある。
本研究のもうひとつの目的は、家庭やオフィスにおける多数のコンピュータ（情報アプライアンス）の連携を支援する簡易なインタフェースを設計することにある。近年、コンピュータや情報ネットワークへの対話手段が、パーソナルコンピュータから情報アプライ
アンスへとシフトする傾向が顕著になっている。ユーKEYWORDS: 対話技法、実世界指向インタフェー
ス、視覚的インタフェース、エンド ユーザプログラミ
ング、RFID

ザーは単一のコンピュータですべての仕事を行うのではなく、コンピュータ家電や、携帯機器など 、多様な機器を利用するようになってきている。これらの機器の多くは、汎用型コンピュータよりも機能が絞り込まれており、その結果より簡単なインタフェースが利用

1 はじめに可能になっている。

近年、コンピュータや情報システムへの対話手段と一方、コンピューティングが多くの機器に分散する

して、実物体を介したインタフェースの研究が盛んなっと、その間での情報交換など 、複数の機器を連携させ

1

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DataTiles の、「透明な物体を通じてコンピュータと対話する」という着想は、GUI の対話手法である Tool-  
,','Glass と MagicLense [2] 、また、実世界指向インタフェー
スの NaviCam [10] の影響を受けている。透明な実物体を使ったシステムとしては transparent props [12] な
どの例があるが、透明物体の物理配置によってインタ
フェースを構成する例はなかった。また、実物体を使ったユーザインタフェースの研究（たとえば [18, 14, 3, 6] ）の多くは特定の応用に特化しており、GUI が提供しているような汎用的な表現能力と実物体の親しみやすさ
をバランスさせようという試みは少なかった。

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関連研究

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図 1: 視覚的情報によって強化された物理オブジェクトによってインタフェースを構成する。

DataTiles の「タイルの組み合せによる機能合成」という発想は、IntelligentPad [15] と関係が深い。Intelli「パッド 」とgentPad は視覚的プログラミング環境で、呼ぶ矩形上のオブジェクトを画面上で貼り合わせることで機能を合成する。
実物体（たとえばブロック）を単位としたシステム
としては [14, 5, 1, 19, 20] などがある。たとえば Algo-

インタフェースが必要である。これらの機器の組み合

Block [14] は 、マイクロプロセッサやスイッチなどを内蔵したキューブを接続することでプログラミングを行う教育用システムである。これらのシステムでは 、モジュールそのものからの出力は、発光ダ イオード の点滅など単純なもので、簡単なフィードバック以上の情報を伝達することはできない。出力装置として他のディスプレイを利用する場合は、入力（実物体の操作）と表示との対応が間接的になってしまう。また、電子部
品をモジュール内部に組み込んでいるため、モジュールの価格やサイズの自由度に限界があり、各モジュー
ルに電源や通信路などを供給するための工夫が必要でわせや情報の移動形態を事前にすべて予測することはあった。DataTiles では、透明な物体の裏面から情報を不可能なので、エンド ユーザが簡単に機能を組み上げ表示するという方式によってこれらの問題を解決してていけるようなシステムが必要になる。

いる。この結果、入力と出力に直接的な対応関係があ

図 2: DataTiles システム外観るための操作が重要になる。たとえば 、リビングルー
ムでテレビに映っている映像を友人に携帯電話を使ってメールするという操作や、オフィスでホワイトボー
ドに書いたメモを任意の画面と共有したり、プロジェ
クタに投影したり、といった操作を簡単に行えるよう

本論文では、物理インタフェースを視覚的インタフ

り、ペン等による豊富な対話手段の利用が可能である。

ェースの両者の特徴を融合したインタフェースプラット

また各モジュールは ID タグを取り付けている以外はフォームシステム、DataTiles について述べる。DataTiles

特殊なハード ウェアを必要としないので、安価に製造

では ID タグつきの透明なオブジェクト（タイル ）をすることができる。

平面ディスプレ イ上に配置することでインタフェース

机を電子的に強化したシステム [18, 13, 17, 11, 7] でを構成する。物理的ではあるが静的な実物体と、仮想

は 、プロジェクタからの映像を机に投影するものが多的ではあるが動的な表示情報を融合して利用するのがい。現実の物体を認識してそこに映像を投影すれば 、特徴である（ 図 1 ）。また、タイル表面でのペン操作「視覚情報が強化された実物体」を実現できる。一方、によって、物理オブジェクトの操作と GUI 風の画面操

これらのシステムでは机上にプロジェクタやカメラを作を併用することができる。さらに、複数のタイルを設置する必要があり、システム規模が大きくなる傾向

ディスプレ イ平面上に配置することで、個々のタイルにあった。DataTiles では 、液晶ディスプレ イに ID セの機能を組み合わせて複雑な状態や命令を表現するこ

ンサーを取り付ける構成によって、すべての構成要素とが可能である。図 2 に DataTiles システムの外観をを水平型のトレイ内に格納しており、システムの安定示す。

性・可搬性を高めている。

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図 4: 物理的なタイルと動的な視覚情報を合成する。
（ 上： 高精細な印刷表示と動的な画像を組み合わせる。下： 溝と画面表示によって、物理的な「ガイド 」のあるウィジェット（ GUI 部品）を構成することができる。

図 3: タイルの例。
（ a ）,（ b ）:部分的に機能が印刷されている。（ c ）,（ d ） 溝つきのタイル。

3 DataTiles システム

物体と画像情報を融合した各種の対話技法を構築する

図 2にシステムの外観を示す。DataTiles は以下の要ことができる。

素から構成されている：

印刷情報と動的な表示の融合:

・無線タグ（ RFID タグ ）が組み込まれた透明なアクリ

いくつかのタイル

は 、機能を示すような印刷を裏面に施している。たとル製タイル
・ペンタブレットと RFID センサーアンテナが液晶の裏

えば、ビルのフロアの情報を示すような「 Map タイル」に組み込まれた平面ディスプレ イ

では、あらかじめフロアの平面図を印刷してある。タ・複数のセンサーアンテナを順次切り替えながら RFID

イルをトレイに置くと、所望の情報（たとえばフロアを読み出す制御回路の温度分布）などがディスプレ イからの表示として合・タブレット用の電子ペン成される。同様にして、天気予報タイルでは白地図が印刷されており、トレ イに置くと天気図や衛星写真が合成表示される。

3.1 トレ イ

Grooved Widget : また、タイルの表面には、操作をガ イド するような溝の加工を施したものがある。たとえばスクロールバーに相当する位置には、あらかじめ直線の溝が刻み込まれており、ペンで操作する際のガイドとして機能する。操作時には、スクロールバーのノブなどの動的な情報がトレイからの表示として合成される。このように、物理的な感触（たとえばペンがバーに沿って動いているかど うか）をウィジェット（画面上の対話部品）に与えることができる。これを ”grooved
widget” （ 溝つきウィジェット ） と呼んでいる。

水平に置かれた液晶ディスプレイを DataTiles の「トレ イ」と呼んでいる。トレイは情報表示装置であると同時に、タイルを置くための台として機能する。ユー
ザは電子ペンを使ってトレイに表示された情報を操作することができる。トレ イ上には、タイルを所定の位置に置くためのガ イド（ RFID センサーコイルが内蔵されている）が装着されている。

3.2 タイルと、衛星写真を取り出して 、タイルの下に表示する。

Grooved widget では 、従来のウィジェットの操作感を向上させるさまざまな技法が適用可能である。たとえばスクロールバーの溝に微細な窪みを加工することで従来の GUI では困難であった「クリック感」を提供することができる。また、溝の物理的なテクスチャー（ざらざら、なめらか、あるいはゴムや布などの質感）によって、種々の異なった操作感を提供することが可能になる。

タイルの機能を表現するために、タイルの表面に刻印

また、図 3（ c ）に示すようなリング状の溝によって、を施したり、タイルの裏面に機能を示す図を印刷した

ジョグダ イアルのように回転操作によるウィジェット

りすることが可能である。これらの工夫によって、実を構成することができる。画面のみによる操作ではこ

透明なアクリル製の正方形「タイル」をインタフェー
スの基本要素として使う。それぞれのタイルには RFID
タグが埋め込まれている。トレイ上にタイルを置くと、タイルに定義された固有の機能が起動され、結果がタ
イルの裏から表示される。たとえば天気図タイルをト
レ イに置くと、ネットワークから現在の天気予報情報

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図 5: 種々のタイルと機能合成の例。
（ a ） アプ
リケーションタイル（右）からコンテナタイル（中）に画像をコピーする。さらに、ポータルタ
イル（左）を接続して、画像をプリント アウトする。
（ b ） パラメタタイルを隣接させて、左側のタイルの内部状態を表示／変更する。
（ c） 横に並べたビデオクリップの内容を結合してコン
テナタイルに格納する。
（ d ）リモート タイルによって遠隔のトレ イ間を結合する（共有描画を構成している例）。

図 6: タイルによる機能合成の例：（ a,b ）ポータ
ルタイルを置くと、対応する web 画像が表示される。
（ c ） マップタイルを隣接しておき、ポータルに対応する実世界での位置を調べる。
（ d）
マップの別のスポット をペンで選択して、ポータルタイルを別の位置に対応づける。
（ e,f ） コ
ンテナタイルを隣接して置く。タイルをまたがるペンジェスチャーによってポータル画面のス
ナップショット をコンテナタイルに格納する。

の種の円形ウィジェットは必ずしも実用的ではないが、して、さまざまなアプリケーションや情報サービスを

grooved widget として構成することで快適な操作感を提供することができる。

タイルの形にモジュール化することができる。後述するように、他のタイルと連携させることでさらに高次な操作を行うことができる。
ポータル タイル: 実世界の事物（もの、人、場所）に

3.3 タイル種別

対応したタイル。たとえば「プリンタタイル」はプリ

前節で説明したような基本機能を使って、種々のタ

ンターをタイルとして表現したもので、トレイに置け

イルをインタフェースのモジュールとして構築した。

ば対応するプリンタの状態を表示する。さらに、他の現在のシステムでは、以下の 5 種類のカテゴ リーに属（ 隣接した）タイルからの情報をプリンタに出力する機。
するタイルを利用している（図 5 ）能をもっている。
ポータルタイルは、対応する実世界事物の映像と接アプリケーションタイル: 特定の機能（アプリケーション ）があらかじめ固定的に割り振られたタイル。たと続している場合がある。たとえばプリンタタイルをト

えば メモパッド タイルをトレ イに置くと、手書メモア

レ イに置くと、プリンタを撮影しているカメラからのプリケーションが起動する。ユーザはタイルの上にペ映像がタイル上に表示され、実際のプリント出力の様ンでメモを書き加えることができる。この情報はタイ子が観察できる。つまり、実世界への窓口としての機ルを再度タイルをトレイに置けば復元する。また、天能を提供している。

気予報タイルをトレイに置くと、自動的に現在の気象パラメタ タイル: 他のタイルの機能を調整するための情報をインターネットから検索して表示する。同様にタイル。たとえば時間軸タイルは円形の溝を持ち、隣4接したタイルの時間情報を調節する「ジョグダイアル」
として機能する。クエリータイル（図 3-d ）は複数本の溝を持ち、隣接するタイルから情報を動的検索するために用いられる。検索パラメタの名前や値は、隣接するタイルによって変化し 、表示情報として合成される。
コンテナタイル: 「コンテナタイル」は、情報を格納するためのタイルで、他のタイルに隣接してトレ イ上に

図 7: 結合した他のタイルによって機能が変化する例（左：時間軸タイルがビデオ再生のジョ
グダイアルとして使われている。右： 同じタイルを使って時間を指定してデータを取り出している）。

置き、タイル間でのペンジェスチャーによって情報をコピーする。また、Pick&Drop [8] や mediaBlocks [16]のように、情報をコンピュータ間で移動する用途でも利用可能である。たとえば画像データを格納しておき、他のトレ イ上で情報を再現することが可能である。
コンテナタイルのバリエーションとして「マクロタイル」がある。これは、隣接したタイル上で行われた
ペン操作を記録し 、後で再生する機能を持っている。
リモート タイル: 「リモートタイル」は、複数のトレ

Floor Map

Container

イを接続するためのタイルで、「マスター」と「スレーRemotePortalブ 」の対から成る。マスタータイルをトレ イ上のある
タイルに隣接して置き、スレーブタイルを別のトレイ

Container

TimeMachine上に置くと、二つのタイル間にネットワーク通信が確立され、ペン操作や画像表示が通信によって反対側に伝達されるようになる。
Portal

図 8: タイル間のペンジェスチャー： （ a ） 離
散的な情報移動をトリガーする。
（ b ） 情報移動の停止。
（ c ） 離れて置かれた二つのタイルを接続する。

3.4 タイルの組み合わせによる機能合成
前節で示したように、タイルにはそれぞれの機能が備わっていて、ユーザーは「タイルをトレイに置く」という簡単な操作でその機能を実行することができる。

る。結合の種類にはペンによる明示的なジェスチャー

さらに、複数のタイルを組み合わせて置くことで、高（ 図 8 ）にトリガーされてデータが移動する離散的なも次の機能を表現することができる。

の（たとえばコンテナタイルと他のタイル）や、隣接たとえば 、マップタイルをポータルタイルに隣接し関係にあるだけで連続的に情報が移動するタイプ（たて置くことで、ポータルタイルと対応している実世界

とえばビデオタイルをリモートタイルに連結してストの事物の位置を調べたり、ポータルタイルと実物とのリーミングを行う）などがある。ユーザは、これらの。同様対応関係を変更したりすることができる（図 6 ）結合タイプをタイル境界の表示によって知ることがでにして、時間軸タイル（パラメタタイルの一種） をメ。
きる（図 9 ）モパッド タイルに隣接して置いて過去のメモ内容を時刻を指定して再現したり [9] 、その結果をプリンタに打ち出したりすることができる。
これらの合成能力によって、個々のタイルの機能は単純でも、それを組み合わせて柔軟にかつ強力な機能

Floor Map

Container

を組み上げていくことができる。同一のタイルが、状況によって異なった機能を発揮することもある。たとWall Screen A

Video Stream

えば時間軸タイルは、時間の概念をもつタイル上のナ
ビゲーション用途一般に用いることができるので、ビWall Screen A

Wall Screen A

デオタイルの横におけばジョグダイアルとして、メモ

図 9: タイルの結合タイプを示す視覚的フィー
ド バック（ a: 単方向の離散的なデータ移動、b:
単方向の連続的なデータ結合、c: 双方向の連続的なデータ結合）

パッドの横に置けばタイムマシンダ イアルとして機能。
する（図 7 ）
隣接したタイルは、合致する対応があれば「結合」す

5

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図 12: RFID コイルとタイル

図 10: DataTiles システム構成

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イルの着脱は平均 0.6 秒で認識可能である。この認識#

時間は、複数の RFID リーダーを並行して動作させる#  ようにすればさらに短縮可能である。
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ペンタブレット（ワコム社製）は電磁授受方式に基

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 

づくもので、ペンに格納された共振回路とタブレット

図 11: 「トレ イ」の断面図

コイル（直径 4mm ）は、タイルの位置を合わせるガイ

上のグリッドアンテナの間の共振を計測することでペン位置を求める。ディスプレイ表面に設置された RFID
ド としても機能している。ペンタブレットが発生する

4 システム実現

電磁波と干渉しないように、RFID コイルは軸方向がディスプレイ平面と並行になるように装着されている。

mm

2
タイルはアクリル製で 、現状のサイズは 7575、厚さ 5の正方形（ MiniDisc とほぼ同サイズ ）である。タイルの一角に RFID タグが組み込まれている。

4.1 ハード ウェア構成mm

図 10に DataTiles のシステム構成を示す。DataTiles
は、水平に置かれたタブレット機能つき液晶ディスプ

mm

レ イに、RFID センサーが装着された構成を取っている（図 11 ）。バックライトの裏側にペンタブレットが装着されており、液晶表面に RFID 認識用のアンテナコ
イルがマウントされている。コイルはタイルの置かれ4.2 ソフト ウェア構成

る位置 12 個所に配置されている。アンテナ群と RFID
リーダーはアンテナ多重化回路によって接続している。

DataTiles のアプリケーションソフトウェアは Java を使って構築した。ユーザーがタイルをトレイに置くと、（必システムはタイル ID からデータベースを検索し 、要であれば ）タイル ID に対応するクラスファイルや、
タイルの各インスタンス固有の情報（ メモパッドのメ
モデータなど ）を動的に読み込む。各タイルはそれぞれ固有のスレッドを持つので、タイルごとのアニメー
ションや動画再生などは並行処理可能である。

多重化回路は FET スイッチによって複数のアンテナを電子的に切り替える装置で、ある瞬間 RFID リーダーと接続しているアンテナは一つである。アンテナの切り替えや読み取った RFID 番号のホストコンピュータへの転送などの制御は多重化回路上の PIC マイクロプ
ロセッサが担当している。多重化回路の導入によって、同時認識可能な RFID 数と比較して、必要となるハード ウェア規模を簡単なものにしている。
現在使用している RFID リーダー（ Texsus Instruments

二つのタイルが隣接して置かれると、それぞれのタ社製 TIRIS RFID リーダ ）では RFID に電磁誘導でエイルは相手側が提供する操作群を動的に調べ、結合タイ

ネルギーを供給するために約 50 ミリ秒、ID を受信す

プを決定する。この処理は実行時にオブジェクト・イン

るのに約 50 ミリ秒の時間を要する。したがってトレイ

タフェースを調査する Java の言語機能（ instanceof

上の 12 個のアンテナをすべて巡回するのは 1.2 秒、タ

オペレータ）によって実現されている。

6

5 議論と今後の課題

材（クリップ ）をタイルとして表現し 、それらをレイアウトすることで映像編集を行うことが可能である。

5.1 ユーザ経験

種々の映像エフェクトもタイルやパラメタタイルとして表現する。メディアの再生には時間軸タイルを用い、DataTiles システムは、これまで研究所内の公開デモ
ンストレーションなどで使用された。ここでは、デモ中に得られた知見や試用者からのコメントに基づいて議論する。
物理的特性:

編集結果を持ち運ぶためにコンテナタイルを利用することができる。同様にして音楽編集などに応用することも可能であろう。

トレ イにタイルをレ イアウトするこ

教育ツールや電子玩具としては 、AlgoBlock[14] でとでインタフェースを組み上げるという発想は多くの示されているような、ブロックを組み合わせることに利用者に好意的に受け止められた。物理的な感触（たよるプログラミングが可能である。各モジュールの状

とえばタイルを取り出すときの感触、トレ イ上に位置

態をタイル表面に表示できるので、プログラムの内部を合わせて置く際の感触）について多くのコメントが状態をより直感的に示すことができる。また、ペン操あった。現状のシステムでは 、RFID センサーコイル

作によってプログラムの実行を制御したり、対話的なを、タイルをトレ イ上の特定の位置に正しく置くため処理を行うことも可能である。

の物理的なガイドとしても使っているが、この形状が応用範囲を広げる上で、タイル形状の種々のバリエー

タイルをレイアウトする際の感触に影響している。まション (サイズ、厚さ、トレイに配置できる個数) を検た、タイル表面の刻印と液晶表示との間で生じる視差討する必要がある。さらに、現状のシステム構成に対（パララックス）が気になるという指摘もあった。

する種々の拡張も興味ある課題である。たとえば物理

タイル配置による機能合成：タイルのレイアウトに的なスイッチや簡単な電子回路を組み込んだタイルを、よる機能合成の概念も多くの利用者によく理解された。

ID タグのみの「受動的」なタイルと混在させて利用することが可能であろう。ボイスメモを記録する機能（回路）をタイルとして構成し 、それとコンテナタイルやメール送信タイルと組み合わせることが考えられる。
また、RFID を組み込んだ携帯電話や PDA などの情報機器を特殊なタイルとみなすこともできる。これらの機器をトレ イに乗せることで、他のタイル間で情報交換を行うことが可能になる。トレ イ以外の装置、たとえばタイルを保管するための「ラック」に ID センサーを組み込むことも考えられる。電子メイルを着信するとラックに格納した「 メールタイル」が点滅するなどの応用が可能になる。

タイルの結合タイプを示す視覚的フィードバックに改
善の余地があるという意見があった。現状では単純な形状を表示しているだけだが、アニメーションを使ってデータの移動を示すなどの工夫が考えられる。
また、システムの設計段階では、タイルを配置する
方向（縦・横）によって結合の種類を切り替えるという案を検討していた。たとえば横方向は情報移動（データフロー）で、縦方向は制御の結合（コントロールフロー）にする、などの可能性を考えていたが、試用の結果、利用者にとって複雑すぎるという判断から、現状では方向に関する意味づけを行わないようにしている。
一方、利用者がタイルを置く方針にはある共通性があることが観察された。たとえばパラメタタイルは対象となるタイルの右側に置く場合が多い（右手でパラ
メタタイルを操作するため）し 、連続的な情報は横方向に結合していく傾向があった。このような知見を総6合して、インタフェース設計へフィード バックするこ結論とが重要であると考えている。
本論文では物理インタフェースと視覚的インタフェー

5.2 アプリケーション

スを融合した対話システム、DataTiles について報告し

DataTiles の適応領域としては、家庭やオフィスでの情報アプライアンスを制御するための「デジタルダッ
シュボード 」を主に想定している。その他の応用としては、映像編集や教育ツール、電子玩具（ メディアト
トイ）、プログラミングツールなどの分野に適応可能だと考えている。

た。透明実物体（タイル ）に平面ディスプレ イからの映像を合成し 、タイルの表面でのペン操作機能を提供することで、現実の物を操作するという感覚を維持しながら、GUI で開拓された豊富な対話技法が利用可能にした。今後やシステムの改良・機能拡張を継続すると同時に、新しい適用分野に対する検討を進めていきたい。

たとえば映像編集ツールでは、動画や音声などの素7

謝辞[10] Jun Rekimoto and Katashi Nagao. The world throughthe computer: Computer augmented interaction withreal world environments. In Proceedings of ACM
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本研究の実施にあたり、有益な助言を頂いた長谷川
踏太・田島茂両氏を始めとするソニー CSL インタラク
ションラボ研究員諸氏に感謝する。

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8