ポインティングデバイス

ポインティング デバイスは、ユーザーが空間データ (つまり、連続的かつ多次元的) をコンピューターに入力できるようにするヒューマン インターフェイス デバイスです。グラフィカル ユーザー インターフェイス(GUI) とCADシステムでは、ユーザーは手持ちのマウスまたは類似のデバイスを物理的なデスクトップの表面上で動かしたり、マウスのスイッチをアクティブにしたりすることで、物理的なジェスチャーを使用してコンピューターを制御し、コンピューターにデータを提供できます。ポインティング デバイスの動きは、ポインター(またはカーソル)の動きやその他の視覚的変化によって画面に反映されます。一般的なジェスチャーは、ポイント アンド クリックとドラッグ アンド ドロップです。

最も一般的なポインティング デバイスはマウスですが、他にも多くのデバイスが開発されています。ただし、マウスという用語は、コンピューターのカーソルを移動するデバイスの比喩としてよく使用されます。

フィッツの法則は、ユーザーがポインティング デバイスを使用できる速度を予測するために使用できます。

いくつかのポインティングデバイスを分類するには、いくつかの特徴を考慮する必要があります。たとえば、デバイスの動き、制御、位置決め、抵抗などです。次の点は、さまざまな分類の概要を示しています。^[1]

• 直接入力と間接入力

直接入力ポインティング デバイスの場合、画面上のポインターはポインティング デバイスと同じ物理的な位置にあります (例: タッチ スクリーン上の指、タブレット コンピューター上のスタイラス)。間接入力ポインティング デバイスはポインターと同じ物理的な位置にはありませんが、ポインターの動きを画面上で変換します (例: コンピューターのマウス、ジョイスティック、グラフィック タブレット上のスタイラス)。

• 絶対的な動きと相対的な動き

絶対移動入力デバイス (例: スタイラス、タッチ スクリーン上の指) は、入力空間内の点 (入力デバイスの位置/状態) と出力空間内の点 (画面上のポインターの位置) の間の一貫したマッピングを提供します。相対移動入力デバイス (例: マウス、ジョイスティック) は、入力空間内の変位を出力状態の変位にマッピングします。したがって、カーソルの初期位置に対する相対位置を制御します。

• 等張性 vs.弾性vs.等尺性

等張性ポインティング デバイスは移動可能で、その変位を測定します (マウス、ペン、人間の腕)。一方、等尺性デバイスは固定されており、それに作用する力を測定します (トラックポイント、力感知タッチ スクリーン)。弾性デバイスは、変位に応じて力の抵抗が増加します (ジョイスティック)。

• 位置制御と速度制御

位置制御入力デバイス (マウス、タッチ スクリーン上の指など) は、画面上のポインターの絶対位置または相対位置を直接変更します。速度制御入力デバイス (トラックポイント、ジョイスティックなど) は、画面上のポインターの移動速度と方向を変更します。

• 平行移動と回転

もう 1 つの分類は、デバイスが物理的に移動する、または回転するかどうかを区別することです。

• 自由度

ポインティング デバイスによって自由度 (DOF) は異なります。コンピューター マウスには 2 つの自由度、つまり x 軸と y 軸での動きがあります。ただし、Wii リモコンには6 つの自由度 (x 軸、y 軸、z 軸での動きと回転) があります。

• 可能な状態

この記事の後半で説明するように、ポインティング デバイスにはさまざまな状態があります。これらの状態の例としては、範囲外、追跡、ドラッグなどがあります。

例

• コンピュータ マウスは、 2 つの自由度(x、y 位置) と 2 つの状態 (追跡、ドラッグ)を持つ、間接的、相対的、等張的、位置制御、並進的な入力デバイスです。
• タッチ スクリーンは、2 つ以上の自由度(x、y 位置、およびオプションで圧力) と 2 つの状態 (範囲外、ドラッグ) を備えた、直接的、絶対的、等尺性、位置制御の入力デバイスです。
• ジョイスティックは、 2 つの自由度(x、y 角度) と 2 つの状態 (追跡、ドラッグ)を持つ、間接的、相対的、弾性、速度制御、並進入力デバイスです。
• Wiimote は、6つの自由度 (x、y、z 方向と x、y、z 位置) と 2 つまたは 3 つの状態 (方向と位置の追跡、ドラッグ、位置の範囲外) を持つ、間接的、相対的、弾性、速度制御、並進入力デバイスです。

次の表は、ビル・バクストンが提唱した、ポインティングデバイスの次元数 (列) と感知される特性 (行) による分類を示しています。サブ行は、機械的な媒介 (スタイラスなど) (M) とタッチセンシティブ(T) を区別しています。これは、人間の運動/感覚システムに根ざしています。連続手動入力デバイスは分類されています。サブ列は、操作に同等のモーター制御を使用するデバイスを区別しています。この表は、ビル・バクストンの「入力の分類法」の元の図に基づいています。^[2]

このモデルはポインティングデバイスがとり得るさまざまな状態を記述する。バクストンが記述した3つの一般的な状態は範囲外、追跡、ドラッグである。すべてのポインティングデバイスがすべての状態に切り替えることができるわけではない。^[3]

フィッツの法則（Fitts' lawとも呼ばれる）は、主に人間とコンピュータの相互作用や人間工学で使われる人間の動きの予測モデルである。この科学的な法則は、ターゲット領域に素早く移動するのに必要な時間は、ターゲットまでの距離とターゲットの幅の比率の関数であると予測している。^[4]フィッツの法則は、手や指で物理的にオブジェクトに触れるか、ポインティングデバイスを使用してコンピュータモニター上のオブジェクトを仮想的にポイントする、ポインティング動作をモデル化するのに使用される。言い換えれば、これは、たとえば、カーソルから離れた小さなボタンをクリックするには、カーソルの近くにある大きなボタンをクリックするよりも時間がかかるということを意味する。これにより、特定のターゲットへの選択的な移動に必要な速度を予測することが一般的に可能になる。

動作を完了するまでの平均時間を計算するための一般的な指標は次のとおりです。

${\displaystyle {\text{MT}}=a+b\cdot {\text{ID}}=a+b\cdot \log _{2}{\Bigg (}{\frac {2D}{W}}{\Bigg )}}$

どこ：

• MT は動作を完了するのにかかる平均時間です。
• aとb は入力デバイスの選択に依存する定数であり、通常は回帰分析によって経験的に決定されます。
• IDは難易度の指標です。
• D は 開始点からターゲットの中心までの距離です。
• W は、動作軸に沿って測定されたターゲットの幅です。 動作の最終点は ターゲットの中心から± W ⁄ 2以内に収まる必要があるため、 W は最終位置の許容誤差と考えることもできます。

この結果、前述のように、大きくて近いターゲットには小さくて遠いターゲットよりも早く到達できるという解釈が生まれます。

前述のように、オブジェクトのサイズと距離は選択に影響します。さらに、これはユーザーエクスペリエンスにも影響します。したがって、ユーザーインターフェイスを設計する際には、フィッツの法則を考慮することが重要です。以下にいくつかの基本原則を示します。^[5]

• インタラクティブな要素

たとえば、コマンド ボタンは非インタラクティブ要素とは異なるサイズにする必要があります。インタラクティブ オブジェクトが大きいほど、どのポインティング デバイスでも選択しやすくなります。

• エッジとコーナー

カーソルがグラフィカル ユーザー インターフェイスの端や角に固定されるため、それらのポイントにはディスプレイ上の他のスポットよりも速くアクセスできます。

• ポップアップメニュー

ユーザーの「移動時間」を短縮するために、インタラクティブな要素をすぐに選択できるようにサポートする必要があります。

• 選択オプション

ドロップダウン メニューやトップレベル ナビゲーションなどのメニューでは、ユーザーがリストを下に行くほど距離が長くなります。ただし、パイ メニューでは、さまざまなボタンまでの距離は常に同じです。さらに、パイ メニューの対象領域は広くなります。

• タスクバー

タスク バーを操作するには、ユーザーはより高い精度、つまりより多くの時間を必要とします。通常、タスク バーはインターフェイス内の移動を妨げます。

コントロール ディスプレイ ゲイン (CD ゲイン) は、コントロール スペースでの動きとディスプレイ スペースでの動きの比率を表します。たとえば、ハードウェア マウスは、画面上のカーソルとは異なる速度または距離で動きます。これらの動きが 2 つの異なるスペースで発生した場合でも、意味を持つためには測定単位が同じである必要があります (ピクセルではなくメートルなど)。CD ゲインは、これらの 2 つの動きのスケール係数を指します。

${\displaystyle CDgain=V_{ディスプレイ}/V_{コントロール}}$

CDゲイン設定はほとんどの場合調整可能です。しかし、妥協点を見つける必要があります。ゲインが高いと遠くのターゲットに近づきやすくなりますが、ゲインが低いと時間がかかります。ゲインが高いとターゲットの選択が妨げられますが、ゲインが低いとこのプロセスが容易になります。^[6] Microsoft 、macOS、Xウィンドウシステムでは、ユーザーのニーズに合わせてCDゲインを調整するメカニズムが実装されています。たとえば、ユーザーの移動速度が増加するとCDゲインが増加します^[7]（歴史的には「マウス加速」と呼ばれていました）。

マウスは、水平面上に押して使用する小型のハンドヘルドデバイスです。

マウスは、滑らかな表面上をスライドすることでグラフィカルポインターを動かします。従来のローラーボールマウスは、ボールを使用してこの動作を作成します。ボールは、互いに直角に設定された 2 つの小さなシャフトに接触します。ボールが動くと、これらのシャフトが回転し、マウス内のセンサーによって回転が測定されます。センサーからの距離と方向の情報がコンピューターに送信され、コンピューターはマウスの動きを追って画面上のグラフィカルポインターを動かします。もう 1 つの一般的なマウスは光学式マウスです。このデバイスは従来のマウスと非常によく似ていますが、位置の変化を検出するためにローラーボールではなく可視光または赤外線を使用します。^{[8]さらに、ミニマウスがあります。これは、}ラップトップコンピューター で使用する小さな卵サイズのマウスです。通常、ラップトップ本体の空き領域で使用できるほど小さく、通常は光学式で、引き込み式コードが含まれ、バッテリー寿命を節約するためにUSBポートを使用します。

トラックボールは、ソケットに収められたボールで構成されるポインティングデバイスで、ボールの回転を検出するセンサーが内蔵されており、逆さまのマウスに似ています。ユーザーが親指、他の指、手のひらでボールを転がすと、画面上のポインタも動きます。トラックボールは、マウスを使用するためのデスクスペースがない場合でも、使いやすさからCADワークステーションでよく使用されます。キーボードの側面にクリップで留められ、マウスボタンと同じ機能を持つボタンが付いているものもあります。^[9]ワイヤレストラックボールもあり、ユーザーに幅広い人間工学的位置を提供します。

アイソトニック ジョイスティックは、ユーザーがほぼ一定の力でスティックの位置を自由に変更できるハンドル スティックです。

アイソメトリック ジョイスティックは、ユーザーが押す力の量を変えることでスティックを制御し、スティックの位置はほぼ一定のままです。アイソメトリック ジョイスティックは、実際に動くジョイスティックによる触覚フィードバックがないため、使いにくいとよく言われます。

ポインティング スティックは、ジョイスティックのように使用される圧力感知型の小さな突起です。通常、ラップトップではGキー、Hキー、およびBキーの間に埋め込まれています。ユーザーが加えた力を感知して動作します。対応する「マウス」ボタンは、通常、スペース バーのすぐ下に配置されています。マウスや一部のデスクトップ キーボードにも搭載されています。

Wii リモコンは、通称 Wiimote とも呼ばれ、任天堂のWiiコンソールのメイン コントローラです。Wii リモコンの主な機能はモーション センシング機能で、加速度計と光学センサー技術を使用してジェスチャー認識とポインティングにより、ユーザーは画面上のアイテムを操作できます。

指追跡デバイスは、画面に触れることなく、3D空間または表面近くで指を追跡します。指は、ステレオカメラ、飛行時間、レーザーなどの技術によって三角測量されます。指追跡ポインティングデバイスの良い例としては、LM3LABSの「Ubiq」ウィンドウとAirStrike があります。

グラフィック タブレットまたはデジタイジング タブレットは、タッチパッドに似た特殊なタブレットですが、通常のペンや鉛筆のように持ち、使用するペンまたはスタイラスで制御します。親指は通常、ペンの上部にある双方向ボタンをクリックするか、タブレットの表面をタップして制御します。

カーソル（パックとも呼ばれる）はマウスに似ていますが、カーソルにはピンポイントで配置するための十字線が付いたウィンドウがあり、ボタンは最大16個あります。ペン（スタイラスとも呼ばれる）は単純なボールペンのように見えますが、インクの代わりに電子ヘッドを使用します。タブレットには、カーソルまたはペンの動きを検出し、その動きをデジタル信号に変換してコンピューターに送信することができる電子機器が含まれています。^[10]タブレット上の各ポイントが画面上のポイントを表す点で、マウスとは異なります。

スタイラスは、コンピューター画面、モバイルデバイス、またはグラフィックタブレットにコマンドを入力するために使用される小さなペン型の器具です。

スタイラスは、正確な入力を必要とするパーソナルデジタルアシスタント、スマートフォン、ニンテンドーDSなどの一部の携帯型ゲームシステムの主な入力デバイスですが、スマートフォン市場では、静電容量式タッチスクリーンによるマルチタッチ指入力を備えたデバイスがスタイラス駆動デバイスよりも人気になっています。

タッチパッドまたはトラックパッドは、指の接触を検出できる平らな表面です。これは固定式のポインティング デバイスで、ラップトップ コンピューターでよく使用されます。タッチパッドには通常、少なくとも 1 つの物理ボタンが付いていますが、パッドをタップしてマウス クリックを生成することもできます。高度な機能には、圧力感度や、端に沿って指を動かすスクロールなどの特殊なジェスチャが含まれます。

指の動きを測定するために2層の電極グリッドを使用します。1つの層には垂直方向の動きを処理する垂直電極ストリップがあり、もう1つの層には水平方向の動きを処理する水平電極ストリップがあります。^[11]

タッチスクリーンは、テレビモニターの画面、またはラップトップ コンピューターのシステムLCDモニター画面に埋め込まれたデバイスです。ユーザーは、画面に表示された項目を指または補助ツールで物理的に押して、デバイスを操作します。

タッチを検出するために、いくつかの技術が使用できます。抵抗膜方式と静電容量方式のタッチスクリーンでは、ガラスに導電性材料が埋め込まれており、電流の変化を測定することでタッチの位置を検出します。赤外線コントローラーは、モニター画面自体を囲むフレームに挿入された赤外線ビームのグリッドを投影し、物体がビームを遮る場所を検出します。

最新のタッチスクリーンはスタイラス ポインティング デバイスと組み合わせて使用​​できますが、赤外線で動作するタッチスクリーンでは物理的なタッチは必要なく、実際のスクリーンから最小範囲内の手と指の動きを認識するだけです。

タッチスクリーンは、Palm 社のハードウェア製造元が販売していたようなパームトップコンピュータ、一部のハイエンド クラスのラップトップ コンピュータ、HTCやApple iPhoneなどのモバイル スマートフォンの導入、およびSymbian、Palm OS、Mac OS X、Microsoft Windowsオペレーティング システムでの標準タッチスクリーン デバイス ドライバーの利用により普及しました。

3Dジョイスティックとは対照的に、スティック自体は動かないか、またはほんの少ししか動かず、デバイスのシャーシに取り付けられています。ポインタを動かすには、ユーザーはスティックに力を加える必要があります。典型的な例は、ノートパソコンのキーボードの「G」キーと「H」キーの間にあります。トラックポイントに圧力をかけると、カーソルがディスプレイ上で動きます。^[12]

• ライトペンはタッチスクリーンに似たデバイスですが、指の代わりに特殊な光感知ペンを使用するため、より正確な画面入力が可能です。ライトペンの先端が画面に接触すると、その時点のピクセルの座標を含む信号がコンピューターに送信されます。コンピューターの画面に描画したり、メニューを選択したりするために使用でき、任意のCRT ディスプレイで動作するため、特別なタッチスクリーンは必要ありません。
• ライトガン
• パームマウス - 手のひらに持ち、2つのボタンのみで操作します。画面上の動きはフェザータッチに対応し、圧力をかけると移動速度が上がります。
• フットマウス- モールと呼ばれることもある - 手や頭を使いたくない、または使えない人のためのマウスの変種。代わりに足音を出す。
• パックはマウスに似ていますが、相対的ではなく絶対的な位置決め用に設計されています。通常、正確な位置決めとトレースのために十字線が付いた透明なプラスチックが付いています。パックは、CAD/CAM/CAE 作業でのトレースに最もよく使用されます。
• 視線追跡デバイス - ユーザーの網膜の動きによって制御されるマウスで、タッチなしでカーソル操作が可能
• フィンガーマウス – 2本の指だけで操作する非常に小さなマウス。ユーザーはマウスを任意の位置で持つことができます。
• ジャイロスコープ マウス –ジャイロスコープは、マウスが空中を移動するときの動きを感知します。ユーザーは、通常のマウスを置くスペースがない場合や、立ったままコマンドを入力しなければならない場合に、ジャイロスコープ マウスを操作できます。この入力デバイスはクリーニングの必要がなく、多くの追加ボタンを備えている場合があります。実際、テレビとしても機能する一部のラップトップには、LCD 画面が組み込まれたリモコンに似ており、リモコンとしても機能するジャイロスコープ マウスが付属しています。
• ステアリングホイール- 1D ポインティング デバイスと考えることができます。ゲーム コントローラの記事のステアリングホイールのセクションも参照してください。
• パドル– 別の 1D ポインティング デバイス
• ジョグダイヤル– もう一つの1Dポインティングデバイス
• ヨーク（航空機）
• いくつかの高自由度 入力デバイス
• 3Dconnexion – 6 度コントローラー
• 個別のポインティングデバイス
• 方向パッド– 非常にシンプルなキーボード
• ダンスパッド– 足で空間内の大まかな位置を指すために使用します
• ソープマウス – 既存のワイヤレス光学式マウス技術をベースにした、ハンドヘルドの位置ベースのポインティングデバイス
• レーザーペン– プレゼンテーションでポインティングデバイスとして使用できます

• カーソル（ユーザーインターフェース）
• 入力デバイス
• WIMP (コンピューティング)