안구 입력 시스템 기반의 원형 화상 키보드 인터페이스 설계 : 한글 자판 배열 중심으로

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In environments where physical input is difficult, gaze-based eye input systems using eye-tracking technology have gained attention in Human–Computer Interaction (HCI), particularly as a communication tool for individuals with severe physical disabilities. Although gaze input relies on rotational eye movements and a single-point input method, most on-screen keyboards still follow the rectangular QWERTY layout designed for multi-finger typing, resulting in structural limitations in input efficiency.
Previous studies proposed circular key layouts and reported positive results under certain conditions. However, these studies did not address keyboard designs that consider actual text input. Therefore, this study proposes a circular Hangeul keyboard optimized for gaze input and evaluates the usability of its layout strategy
through experiments.
Preliminary experiments identified areas where users’ gaze tends to concentrate. The results showed that combining color and physical spacing effectively guides gaze toward specific regions. Based on these findings, two keyboard layouts (A and B) were designed by reflecting the usage frequency and combinational characteristics of Hangeul characters.
Since this study represents an early stage of keyboard layout development, the main experiment was conducted with general users in a gaze-based input environment. Quantitative measures such as gaze path agreement, input time, and accuracy were collected, along with qualitative measures including ease of use, fatigue, and satisfaction. The results showed that Layout B performed better than Layout A in terms of gaze path agreement and subjective evaluations.
This study demonstrates the potential of a circular Hangeul keyboard optimized for gaze input and provides foundational insights for future eye-input systems and gaze-based interface design.

국문 초록 (Abstract)

물리적인 입력이 어려운 환경에서 시선 추적 기술(Eye Tracking) 기반의 안구 입력 시스템은 HCI 분야에서 주목받고 있으며, 특히 중증 신체 장애인의 의사소통 수단으로 활용되고 있다. 안구 입력은 회전 운동을 기반으로 한 단일 입력 방식이라는 특성을 지니지만, 대부분의 화상 키보드는 다중 입력을 전제로 한 직사각형 QWERTY 배열을 그대로 따르고 있어 입력 효율 측면에서 구조적 한계를 지닌다.
이에 선행 연구에서는 원형 키 배열을 제안하고 일부 조건에서 긍정적인 입력 시간 결과를 도출했으나, 실제 문자 입력을 고려한 자판 설계까지는 다루지 않았다. 따라서 본 연구에서는 안구 입력 시스템에 적합한 원형 키 배열의 한글 자판을 제안하고, 배치 전략의 사용성을 실험을 통해 검증하고자 하였다.
사전 실험을 통해 시선이 집중되는 위치를 파악한 결과, 색상과 물리적 간격이 함께 적용될 때 특정 영역으로 시선을 유도할 수 있음을 확인하였다. 이를 바탕으로한글의 사용 빈도와 조합 특성을 반영한 A, B 두 가지 자판 배열을 설계하였다.
자판 배열 설계의 초기 단계라는 점을 고려하여 일반 사용자를 대상으로 본 실험을진행하였으며, 시선 이동 경로 일치율, 입력 시간, 정확도와 같은 정량적 지표와 사용 편의성, 피로도, 만족도와 같은 정성적 지표를 수집하였다. 분석 결과, 시선 이동 경로 일치율과 정성적 지표에서 B배열이 A배열보다 우수한 성과를 보였다.
본 연구는 원형 키 배열에 적합한 한글 자판 배열의 가능성을 실험적으로 검증했다는 점에서 의의를 지니며, 향후 안구 입력 시스템 및 시선 기반 인터페이스 설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 필요성 2
• 1.3 연구 목적 3
• 1.4 연구 문제 및 연구 질문 4
• 1.5 연구 범위 5
• 1.6 연구 한계 6
• 1.7 논문의 구성 7
• 2 이론적 배경 및 선행연구 고찰 9
• 2.1 중증 신체 장애인의 의사소통과 사용자 특성 9
• 2.2 시선 추적 기술 및 안구 입력 시스템의 이해 12
• 2.2.1 시선 추적의 측정 원리와 장비 13
• 2.2.2 시선 입력 신호의 선택 방식 16
• 2.2.3 시선 추적의 기술적 제약 및 생리적인지적 특성 17
• 2.3 화상 키보드 설계의 원칙 및 문제점 19
• 2.4 원형 배열의 이론적 타당성과 선행연구 22
• 2.5 한글 자모의 사용 빈도 및 조합 특성 26
• 2.6 안구 입력 시스템의 시각적 피드백 역할 32
• 2.7 소결 및 연구의 차별성 34
• 3 연구 설계 및 방법 38
• 3.1 사전 실험: 시선 주목도 분포 38
• 3.1.1 실험 목적 및 개요 38
• 3.1.2 실험 설계 38
• 3.1.3 결과 분석 및 배열 설계 시사점 41
• 3.2 본 실험 인터페이스 구성 46
• 3.2.1 고주목 영역 기반 키 배치 설계 46
• 3.2.2 응시 기반 입력 설계 51
• 3.2.3 시각적 요소 설계 53
• 3.3 본 실험 가설 설정 56
• 3.4 본 실험 참가자 및 환경 57
• 3.4.1 참가자 선정 기준과 변수 통제 57
• 3.4.2 사전 설문 구성 59
• 3.4.3 장비 세팅 및 환경 조건 60
• 3.5 본 실험 방법 62
• 3.5.1 입력 과제 구성 62
• 3.5.2 입력 방식 및 인터랙션 64
• 3.5.3 실험 절차 (학습-본 실험-설문) 65
• 3.5.4 사후 설문과 인터뷰 66
• 4 연구 결과 및 분석 69
• 4.1 정량 지표 분석 69
• 4.1.1 정량적 지표 선정 근거 69
• 4.1.2 데이터 분석 방법 71
• 4.1.3 통계적 비교 분석 결과 71
• 4.1.4 시선 이동 경로 시각화 72
• 4.2 정성 지표 분석 75
• 4.2.1 사후 설문 결과 75
• 4.2.2 인터뷰 결과 77
• 4.3 가설 검정 결과 80
• 4.4 실험 결과 해석과 시사점 81
• 4.4.1 시선 이동 경로 일치율의 유의미성과 인지적 구조화 81
• 4.4.2 입력 소요 시간, 오류 수정 횟수의 유사성과 UX차이 82
• 5 결론 83
• 5.1 연구 결과 요약 83
• 5.2 연구의 의의 및 기대 효과 84
• 5.3 연구의 한계점 84
• 5.4 향후 연구 방향 85
• 참고문헌 87
• 참조 93