모바일 기기의 한 손 조작을 위한 터치키반 사용자 인터페이스 설계 방안

Abstract

터치 스크린은 현재까지 개발된 다양한 입력 방식들 중 가장 직관적인 조작이 가능하고, 입력 도구를 구현하기 위한 별도의 장치 및 공간이 필요하지 않다. 또한, 소프트웨어 적인 방법을 이용하여, 입력 인터페이스를 손쉽게 변경할 수 있다. 이러한 장점들 때문에, 휴대폰, PDA, PDP와 같은 다양한 모바일 기기에서 터치스크린의 사용이 증가하고 있다. 모바일 기기에 장착된 터치스크린은 한 손 조작, 양손 엄지 손가락 조작, 검지 손가락 조작등의 방식을 이용해 사용할 수 있다. 이러한 방식들 중, 한 손 조작 방식은 다양한 모바일 상황하에서 사용자가 필요로 하는 신체적, 인지적 부하를 최소화함으로써, 효과적인 모바일 기기의 사용을 가능케 할 것으로 기대된다.그러나, 한 손을 이용해 터치스크린을 조작하는 방식은 사용 중에 많은 수의 에러가 발생하는 심각한 문제점을 가지고 있다. 이러한 다수의 에러는 제한된 화면의 크기 및 손과 엄지 손가락의 구조적 특징 때문에 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 문제점을 해결하고, 빠르고 정확한 한 손 조작용 터치 인터페이스를 개발하기 위한 연구가 일부 연구자들에 의해 진행되어 왔다. 그러나, 기존의 연구들은 아직 초기 단계에 머물러 있으며, 한 손 조작의 수행도 및 주관적 만족도를 향상 시킬 수 있는 터치 인터페이스를 개발하기에는 그 수준이 미흡한 실정이다. 본 연구는 모바일 기기를 한 손으로 조작하는 방식의 특성을 파악하고, 이를 활용하여, 사용성이 높은 터치 인터페이스 개발 방안을 제시하고자 한다. 이를 위한 본 논문의 주요 연구 목표는 다음과 같다. 1) Fitts’ law에 기반해, 한 손 엄지손가락 조작 방식의 움직임 성능 (Motor performance) 파악2) 모바일 기기의 주요 작업 수행 중, 터치 인터페이스 설계 요소가 한 손 조작에 미치는 영향 분석3) 터치 인터페이스의 사용성 향상을 위한 실용적 디자인 지원 방안 개발이러한 목표를 달성하기 위해, 총 4차례의 인간공학 실험 및 한차례의 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 4회의 인간공학 실험에서는 단일항목 일회 선택작업(Single sparse-target selection), 단일항목 연속 선택작업(Serial sparse-target selection), 리스트 항목 선택작업(One-dimensional dense-target selection), 그리드 항목 선택 작업(Two-dimensional dense-target selection)이 각각 사용되었다. 실험 1에서는 단일항목 연속 선택작업 수행 중 터치키 크기, 움직임 거리, 움직임 방향이 한손 조작의 수행도 및 만족도에 미치는 영향을 조사하였다. 분석 결과, 터치키 크기는 작업 수행시간 및 정확도에 유의한 영향을 미쳤고, 터치키의 크기가 증가함에 따라 작업 수행도는 증가하였다. 또한, 엄지 손가락의 움직임 방향은 작업 수행시간, 정확도, 만족도에 유의한 영향을 보였고, 8개 움직임 방향은 아래(S), 좌하(SW)가 한 개의 그룹으로 나머지 6개의 수평, 수직, 대각선 움직임 방향이 다른 한 개의 그룹으로 분류되었다. 이러한 실험 결과에 근거해, 2개의 Fitts’ law 기반 움직임 시간 예측 모델을 개발하고, 각 방향 움직임이 가지는 Throughput을 도출하였다.실험 2에서는 터치키의 크기 및 위치가 단일항목 일회선택 작업의 수행도 및 주관적 만족도에 미치는 영향을 조사하였다. 터치키 크기와 위치는 모두 한 손 조작에 유의한 영향을 가졌다. 사용성 수준에 따라 각 측정치별로 터치 스크린상의 선호영역과 기피영역을 각각 도출하였다. 한 손 조작의 누름 위치 분포는 정규 분포와 유사한 형태를 가지고 있으며, 이때, 터치키의 위치 및 크기에 따라, 누름 위치 분포가 가지는 중심점의 위치는 상이하였다. 이러한 누름 패턴을 설명하기 위해, 누름 방식, 손의 구조, 엄지 손가락 방향, Parallax, 화면 프레임과 같은 5개의 행동 특성이 도출되어, 한 손 조작 방식에 대한 이해를 향상시켰다.실험 3과 4에서는 각각 터치키의 크기 및 터치키간 간격이 리스트 항목 선택 작업과 그리드 항목 선택 작업에 미치는 영향을 조사하였다. 이러한 두가지 작업은 대표적인 모바일 기기인 휴대폰에서 주요 항목을 선택하기 위해 빈번하게 사용되는 작업이다. 터치키 크기는 전반적으로 유의한 영향을 미친 반면, 터치키간 간격은 터치키의 크기가 작은 경우에 제한적인 영향력을 가졌다. 즉, 터치키의 크기가 일정 수준 이상인 경우에 터치키간 간격은 한손 조작 작업에 유의한 영향력을 가지지 못하였다. 실험 1~4에서 파악된 한 손 조작 방식의 특성에 근거해, 터치 인터페이스 설계 작업에 효과적으로 적용할 수 있는 설계 지침이 제안되었다. 한 손 조작 방식의 특징을 파악하는 것 이외에, 본 연구는 주변 터치키로부터 터치키 선택이 영향을 받거나 받지 않는 2가지 상황에 대해, 터치 인터페이스의 사용성을 향상 시킬 수 있는 설계 지원 방안을 제안하였다. 주변 터치키 로부터 한 손 조작이 영향을 받지 않는 경우, 터치키의 인식 영역의 크기 및 위치를 조정함으로써 입력 정확도를 효과적으로 향상시키는 지원 방안을 제안하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 주변 터치키로부터 한 손 조작이 영향을 받는 경우에 대해서는 사용성 예측 모델을 개발해, 이를 터치키 설계에 활용하는 방안이 제안되었다. 실험 3과 4에서 수집된 데이터를 분석한 결과, 총 14개의 통계적으로 유의한 예측 모델이 개발되었고, 이 모델들은 실제 설계에 활용이 가능할 정도로 예측력이 충분히 높았다 (최소: 0.76, 최대: 0.99)본 연구 결과는 모바일 기기의 다양한 기본 작업 수행시, 한 손 조작 방식에 영향을 미치는 다양한 설계 인자들에 대한 기초적인 연구를 수행하였다. 또한, 이러한 작업들을 효과적으로 지원할 수 있는 터치 인터페이스 설계 방안을 제안하고 검증하였다. 이러한 연구 결과는 모바일 기기의 터치 인터페이스 설계에 직간접적으로 활용될 것으로 기대된다.

Touch screens are the most natural and intuitive interface, and require no additional input devices. In addition, they are easy to change in a software manner by adjusting the design parameters such as touch key size, touch key location, and spacing between touch keys. Because of these advantages, touch screens are widely used for a variety of mobile devices such as personal digital assistants (PDAs), portable multimedia players (PMPs), and mobile phones. Users interact with their mobile devices in three main ways: one-handed interaction, two-handed two thumbs interaction, and two-handed index finger interaction. Among them, one-handed interaction can offer a significant benefit to users by minimizing the physical and intellectual demands while conducting various mobile tasks.One-handed interaction has a serious usability problem that many errors are made while interacting with mobile devices. Some studies have been conducted to solve the usability problem and make one-handed interaction fast and accurate. However, the research is in an early stage, and it cannot be easily applicable to designing a usable touch interface due to insufficient quality of research. This limitation leads to the need for a considerable understanding about one-handed interaction and practical solutions for designing a usable touch interface.To satisfy the research needs, this study has three main objectives: 1) to understand the performance of one-handed thumb movement based on Fitts’ law

2) to investigate the effects of important touch key design factors on one-handed interaction

and 3) to provide practical approaches for designing usable touch interfaces on mobile devices. To fulfill these objectives, four experiments and one computer simulation were conducted in this study. The experiments investigated following four basic input tasks: single sparse-target selection, serial sparse-target selection, one-dimensional dense-target selection, and two-dimensional dense-target selection. Four input tasks are frequently used to select target items while using mobile devices.Experiment I investigated the effects of touch key size, movement distance, and movement direction on the performance and user preference of one-handed single sparse-target selection. Touch key size had significant effects on serial sparse-target selection for movement time and success rate, as expected. Movement direction significantly affected one-handed thumb movement in terms of all usability measures. Movement directions were classified into two groups (Group I: S and SW directions and Group II: other directions). Based on Fitts’ law, in addition, different movement time models and performance indices were indentified for the two movement direction groups.Experiment II examined the single sparse-target selection. This experiment investigated how important design factors (i.e., touch key size and location) affected single sparse-target selection. Both factors were significant for all performance and user preference measures. This study identified good and poor regions on a screen, in which usability levels of each measure were significantly different to each other. In addition, patterns of pressed points by one-handed interactions had similar forms to the Gaussian distributions with non-zero center points. The center points differed depending on touch key size and location. To explain these interaction patterns, five behavioral characteristics affecting one-handed interaction were identified: touching method, hand anatomy, thumb orientation, Parallax, and device frame. Experiment III and Experiment IV examined one-dimensional and two-dimensional dense-target selection, respectively. Each experiment investigated the effects of touch key size and spacing on the performance and user preference of performing a corresponding input task. Touch key size had important effects on these dense-target selections for all usability measures. Touch key spacing significantly affected dense-target selection, only if touch key size was small. The effects of touch key spacing were not significant when the touch key size was 4 mm or 7 mm. Several design recommendations for a usable touch interface were made based on the effects of important design factors investigated in the four experiments. In addition, two pragmatic approaches for designing usable touch interfaces were proposed for sparse-target selection and dense-target selection. For sparse-target selection, adjusting touch recognition areas was proposed to improve input accuracy of one-handed interaction, and its effectiveness and efficiency was validated by computer simulation. For dense-target selection, an approach of developing usability prediction models was proposed, which enables UI practitioners to easily design a usable touch interface on mobile devices. A total of 14 usability prediction models were developed using empirical data collected in Experiment III and IV

they were statistically significant, and their prediction powers were good enough to be applicable to designing a touch interface (Minimum 0.76, Maximum 0.99).To sum up, this study conducted a basic research that could enhance understanding of one-handed interaction with mobile devices. In addition, this study proposed and validated practical approaches for designing usable touch interfaces, which is appropriate for mobile devices and their basic input tasks. The results can be directly or indirectly applied to designing a usable touch interface for mobile devices.