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手机萤幕触控「笔」较有智慧
手指VS.触控笔?

【作者: Steve Kolokowsky ,Trevor Davis】2011年04月06日 星期三

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许多触控萤幕的操作功能都是由手指来执行,包括拨打电话、选择应用程式、简单的手势以及选择清单中的项目,用指尖就能轻易完成。这些动作以往都是透过按钮、旋钮或滑杆来执行,但有些,则非9mm宽的手指可以办到的动作。


手机加入触控笔后,最大的介面改良就是手写辨识,手写功能对于亚洲字元尤其重要,这些国家的文字不容易用键盘来输入。触控笔的优势不仅限于此,笔尖接触到小面积区域,容许你看到更多萤幕上的内容。触控笔支援的应用能采用较小的图标,仅须利用次数较少的触控动作就能启动想要的功能。细头触控笔在编辑相片与文字时比手指更为便利,细头触控笔搭配较快的更新率,即可同时支援手写注记与签名的功能。


电阻式触控萤幕的缺点

任天堂的Gameboy DS系列游乐器采用的塑胶触控笔,正是电阻式触控笔最好的例子。它拥有质地坚硬的尖细塑胶笔头,使用很方便也较不会遮到视线。但由于Gameboy采用电阻式触控萤幕,因此存在许多缺点。


电阻式触控萤幕内含一个弹性的顶层,接着依序是一层ITO(氧化铟锡)材料、中空间隔层以及另一层ITO。萤幕面板中有4条线路接到ITO层:包括连结到X层左侧与右侧,以及连结到Y层的顶部与底部。当弹性顶层受到按压后接触到下方的元件层时,系统就会侦测到触控动作。触碰的位置经由两个步骤来侦测:第一,X右侧收到一个电压,X左侧驱动到接地端,接着Y轴感测器读取到电压值。这个步骤能得到X轴的座标。这个程序再到另一个轴向重覆做一次,即可判断出手指的实际位置。


电阻式技术存在许多缺点。弹性顶层的透光率仅有75%至80%,而且电阻式触控萤幕的量测程序存在许多产生错误的来源。如果ITO层材质不均匀,那么感测器的电阻就不会呈线性分布。系统要求量测到的电压达到10或12位元的精准度,但这在许多环境中却难以达到。现有许多电阻式触控萤幕需要定期校正,以便让触控点对齐到底层的LCD图像。


电容式触控笔有办法嘛?

另一方面,投影式电容式触控萤幕是许多新设计的首选,因为它们是唯一能提供真正多点触控反应的技术。但要在投射式电容触控萤幕上使用触控笔,则是一项艰巨的挑战。因为电阻式触控萤幕是直接对压力做反应,在使用触控笔时它会自然反应。电阻式触控笔的主要挑战,是确保触控笔不会刮伤萤幕。在电容式触控系统中,电容输入讯号大约和手指或其他导电物体所覆盖到感测器的位置成比例,第一代电容式触控笔则模拟手指产生的输入电容。


第一代的电容式触控笔有许多共有的特性,它们在萤幕上覆盖较大的面积,以获得最大的电容反应。其作法有两种。一者是用平坦笔尖,触控笔上有一个弹性的接头或弹簧,让笔尖能停留在触控萤幕上。在网路上搜寻一轮将发现许多商业与DIY触控笔,还有其他种类的电容式触控笔,有着许多弹性材质的笔尖,包括使用导电的泡棉或导电塑胶,以模拟真实手指接触到萤幕。


《图一 第一代触控笔(上方)利用导电的泡棉或有角度的笔尖用来仿真真实手指 》
《图一 第一代触控笔(上方)利用导电的泡棉或有角度的笔尖用来仿真真实手指 》

两种触控笔的设计都有一些优点。它们让你在使用触控萤幕时获得更高的精准度,它们支援一定的手写辨识功能,它们甚至让你能戴着手套来使用触控萤幕。由于它们必须模拟手指,因此体积都很大。因此无法看到被触控笔遮到的萤幕区域。这些触控笔的直径超过一些手机的厚度,因此触控笔无法塞入到手机,就像早期智慧型手机的电阻式触控笔一样。


RSR (电阻式触控笔替代方案)的设计,则属新一代的电容式触控笔。它的尖细笔头和许多书写笔一样,因为能正常书写。它让你能看到笔尖周围的萤幕画面,因此允许采用搭载更高精准度手绘与书写功能的小尺吋萤幕。它的直径较细,因此装置能配备塞入触控笔的插槽。 RSR触控笔的唯一问题,就是无法相容于大多数现有触控萤幕的感测晶片。


《图二 电阻式触控笔的替代方案– 尖细笔头的导电触控笔》
《图二 电阻式触控笔的替代方案– 尖细笔头的导电触控笔》

  


最佳方法:RSR触控笔

业界必须克服许多技术问题才能支援RSR触控笔。这些挑战中,有许多是由RSR触控笔的最佳特色所产生:亦即它的尖细笔头。尖细的笔头无法像手指一样同时启动多个感测器,因此需要采用新的位置演算法。触控笔的笔尖在受启动感测器上所产生的讯号强度较小,因此系统需要更高的讯噪比(SNR)。触控笔的特征尺吋较小,因此顾客要求更高的精准度与线性度,即使触控笔本身提供的资讯并不多。触控笔带来许多新功能,像是手写辨识与签名撷取等这些需要更高更新率的应用。


最常见的手指位置演算法,是对手指启动的感测器做加权平均。每个手指通常会启动4x4 或5x5的感测点,并产生可用的讯号强度,因为手指会覆盖范围较大的感测器。面积约9mm大的指尖,其接触面会直接覆盖至少两个感测器,通常会覆盖到三个。触控笔的接触面通常只会直接接触到一个感测器,而且只会在该感测器与邻近感测器上提供有用的讯号。感测器位置演算法必须能够光从两个X轴讯号值以及两个Y轴讯号值的资讯中,以内插法推算出触控笔的位置。


《图三 手指与电阻式触控笔的讯号强度比较 》
《图三 手指与电阻式触控笔的讯号强度比较 》

较高的讯噪比(SNR)对于触控笔与手指侦测都有助益,在开发RSR触控笔解决方案方面,Cypress必须开发新的方法,一方面得增加讯号强度,一方面还得降低输入到位置演算元件的杂讯。要提高讯号强度,提高TX线路的电压,让每次扫瞄时有更多讯号输入到面板。运用互容与自容扫瞄,能提供更多的资讯。业者运用各种创新的韧体滤波器,以降低输入讯号的杂讯。


要用更小的物体来达到更高的精准度,这个要求似乎有些矛盾。顾客怎么能要求利用更少的输入讯号来达到更高的精准度? 当机器能辨识出在萤幕上描画的形状时,他们的要求就称得上合理了。指尖位置1mm的误差,可以透过韧体来校正,在9mm的指尖下没有​​人会察觉这样的误差。但若是触控笔的位置出现1mm的误差,就会立即造成混淆,因为这和触控笔的笔尖一样大。注意看到下图中的黑色(理想值)与红色(误差)线。在手指下产生的误差可透过韧体来修正,位置仍落在手指的范围内,但在触控笔附近的误差,看起来就很明显。


《图四 由于手指指尖较大,因此能容许有较大的误差,但触控笔的误差就会让用户很容易察觉 》
《图四 由于手指指尖较大,因此能容许有较大的误差,但触控笔的误差就会让用户很容易察觉 》

要透过手写辨识​​提供自然直觉的使用者经​​验,是项艰巨的任务。要提供精准的讯号撷取,需要更高的更新率。手写辨识不须辨识各种不同触​​控笔所写出的英文字母“A”,它只须辨识出该字母为 “A”。讯号撷取需要的更新率通常为150至200Hz,而手写辨识需要的更新率要小得多。


结论

运用电阻式触控笔替代方案打造的第一批多点触控产品,在现有的使用者介面市场并未掀起热潮,因为使用者介面的设计者仍习惯于针对手指输入来设计介面。想像一下未来可能的发展。光是手写辨识功能,就让谷歌实验室开发出手势搜寻功能,您只须在触控萤幕上画手势,就能在这些搭载Android作业系统的装置上搜寻资料。


《图五 用手指画触控手势来搜寻数据 》
《图五 用手指画触控手势来搜寻数据 》

运用触控笔来使用自然手写辨识功能,会让智慧型手机更聪明。想想一间教室里的学生在手机上手写笔记。不论何种用途,触控笔这种电容式触控手机市场的新型态产品,在近期将成为市场瞩目的重要设计特色。


本文作者任职于赛普拉斯半导体


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