中心議題:
- 電容感測的物理原理
- 手指位置的偵測和判別方法
- 雙指捏放手勢與螢幕縮放之間的設(shè)計技術(shù)
多點觸控已是當今觸控技術(shù)開發(fā)者最熱衷的研究課題??此坪唵蔚挠|控動作,其實背后隱藏著錯綜復雜的運作過程,包括將觸控動作轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號,并推算觸碰位置,然后和主控端進行通訊并執(zhí)行解譯等步驟,每一個設(shè)計環(huán)節(jié)都將影響最終效能的呈現(xiàn)。
本文將對追蹤觸碰動作進行全面的闡述,從電容感測的物理原理,一直到螢幕的最終動作。包括介紹系統(tǒng)如何偵測到手指的位置,以及判讀手指位置的各種方法,并介紹手機的軟體堆疊,說明應用程式的設(shè)計方法,最后再揭露雙指捏放手勢與螢幕縮放之間的設(shè)計內(nèi)幕。
電容感測的物理原理及手指位置判別
大部分的智慧型手機觸控螢幕都能對手指電容產(chǎn)生反應,觸控螢幕內(nèi)有許多排列整齊的感測器,會偵測出因手指移動所導致的電容變化。當你的手指觸碰到螢幕時,就會影響這些感測器的自容(Self-capacitance),以及彼此之間的互容(Mutual Capacitance)。大多數(shù)智慧型手機都是感測互容而不是自容。由于互容是反映一對感測器之間的互動關(guān)系,因此可用來收集有關(guān)螢幕上每個位置的資訊(X×Y個感測點);自容則僅能用來偵測每個感測器的反應(X+Y個樣本),而不是每個點。
電容感測含有數(shù)個層:頂層是玻璃或塑膠材質(zhì),接者依序是一個光學透明膠(OCA)層、觸控感測器及平面液晶顯示器(LCD)。觸控感測器是由許多感測元件所排列而成的網(wǎng)格,尺寸通常為5毫米×5毫米。
這些感測器采用氧化銦錫(ITO)制成。 ITO具有許多特別的屬性,為制作觸控螢幕的絕佳材質(zhì):超過90%透明度并具有導電性。有些設(shè)計采用鉆石狀圖紋,不會和LCD的紋線重疊,視覺觀感較佳,其他則采用較簡單的「直條與橫條」圖案設(shè)計。如果在充分的光照下,以正確的角度觀察你的裝置,并關(guān)閉液晶螢幕,就能看到ITO感測器的線紋。
圖1 互容基本原理
基本上,感測互容的原理(圖1)和感測自容完全不同。感測自容通常是量測含有感測器的電阻-電容(RC)電路之時間常數(shù);感測互容的程序則包括量測X軸與Y軸感測器之間的互動。系統(tǒng)會感測經(jīng)過每個X軸與Y軸的訊號,借此偵測感測器之間的耦合值(圖2)。耐人尋味的是,手指的觸碰動作會降低互容耦合值,但手指觸碰動作卻會增加自容的值。
圖2 互容偵測反應
不論是哪一種方法,光量測電容是不夠的,系統(tǒng)必須回應的是電容的變化,而不是個別的電容值。系統(tǒng)會對每個感測器設(shè)定一個基準值,這個基準值是經(jīng)過長時間溫度與其他因素變化后求出的訊號長期平均值,讓系統(tǒng)允許訊號在各種狀況下產(chǎn)生些微的波動。在建構(gòu)觸控螢幕系統(tǒng)時面臨其中一項挑戰(zhàn),就是建立適當?shù)幕鶞手?。例如,當手指觸碰到螢幕,系統(tǒng)必須能適當?shù)貑?。當沾水的手指或手掌碰到螢幕時,系統(tǒng)也必須能啟動。
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當感測到的電容減去基準值時,就得到一個訊號值陣列,代表圖3所示的手指觸碰狀況。有許多種方法可根據(jù)這項資訊來判斷手指的位置,其中最簡單的方法是計算質(zhì)心--質(zhì)量中心(Centriod),計算出一維或二維軸向感測數(shù)值的加權(quán)平均值。運用一維質(zhì)心計算法,根據(jù)上述例子的X軸數(shù)據(jù),可算出(5×1+15×2+25×3+10×4)/(5+15+25+10)=150/55= 2.73。接著以液晶螢幕的解析度為標準,將這個位置值適當?shù)乜s放,以便和螢幕重疊。若ITO感測器的圖案超出液晶螢幕的邊緣,則必須進行一些轉(zhuǎn)換計算。
圖3 由個別的電容值判定手指位置
接觸范圍的邊緣,讓手指位置的問題變得更復雜。舉上述的陣列為例,若面板的邊緣處碰到這些線條區(qū),采用上述的簡單質(zhì)心推算法,當左側(cè)下移時,右側(cè)就會開始被「上拉」。為解決這個問題,必須用特別的邊緣處理技巧來檢查剩下訊號的形狀,再推測手指沒有接觸到螢幕表面的部分。
CPU/USB助陣 觸控感測功能升級
當一個有效的觸碰訊號出現(xiàn),且觸碰動作的X/Y軸座標被偵測到之后,主控端中央處理器(CPU)就可以得到要處理的資料。嵌入式觸控螢幕元件會透過I2C介面或串列周邊介面(SPI)來進行通訊。較大尺寸的觸控螢幕通常會采用通用序列匯流排(USB)介面,因為包括Windows、Mac OS以及Linux等作業(yè)系統(tǒng),都有內(nèi)建USB介面的人機介面裝置(HID)支援功能。
雖然采用多個不同的介面,作業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動程式到最后做的事卻大致類似,以Android的驅(qū)動程式為例,由于Android與MeeGo都以Linux為開發(fā)基礎(chǔ),因此這三種作業(yè)系統(tǒng)都使用類似的驅(qū)動程式。
觸控螢幕驅(qū)動程式的岔斷觸發(fā)器是一個岔斷服務函式(Interrupt Service Routine, ISR),負責作業(yè)執(zhí)行緒的排程。 ISR中并沒有執(zhí)行任何作業(yè)來維護岔斷的延遲以及避免優(yōu)先權(quán)倒置。當作業(yè)系統(tǒng)呼叫作業(yè)執(zhí)行緒,會啟動一個通訊交易,從裝置讀取資料,然后切換至睡眠模式。當通訊交易完成后,主控端驅(qū)動程式就得到自己要處理的資料。
主控端驅(qū)動程式會把裝置制造商采用的資料格式,轉(zhuǎn)換成標準格式。在Linux環(huán)境中,驅(qū)動程式會透過一連串的次函式(Subroutine)呼叫來復制事件區(qū)域,接著再透過一個最終呼叫來傳送事件資料。例如,要建立一個單一觸碰Linux輸入事件,整段程式可寫成:
input_report_abs(ts->input, ABS_X, t->st_x1); // Set X location
input_report_abs(ts->input, ABS_Y, t->st_y1); // Set Y location
input_report_abs(ts->input, ABS_PRESSURE, t->st_z1); // Set Pressure
input_report_key(ts->input, BTN_TOUCH, CY_TCH); // Finger is pressed
input_report_abs(ts->input, ABS_TOOL_WIDTH, t->tool_width);// Set width
input_sync(ts->input);// Send event
提升觸控效能 Android不可或缺
這個觸控事件之后交給作業(yè)系統(tǒng)來處理,如Android會把事件的歷史資料儲存在手勢處理緩沖區(qū),然后把事件傳遞給View這個類別。有多款觸控螢幕元件,如賽普拉斯(Cypress)TrueTouch產(chǎn)品已經(jīng)支援硬體手勢處理功能(圖4)。硬體手勢處理功能可紓解主控端作業(yè)系統(tǒng)的負荷,分擔手勢處理的工作,還能依照不同情況免去處理所有觸控資料的負擔,一直到看到手勢為止。
圖4 手勢觸控類型
舉例來說,若你正開發(fā)相片瀏覽器,主控端不必處理數(shù)十或數(shù)百個觸控事件的封包,就能讓使用者翻閱下一張相片,直到使用者實際翻閱下一張相片之前,不會出現(xiàn)任何岔斷。
感測/回應Android View/Widget至關(guān)重要
Android的View類別會判斷觸控事件發(fā)生時系統(tǒng)正執(zhí)行哪些應用,在螢幕上顯示的每個應用,都有至少一個View類別。這個類別中含有許多方法負責處理使用者的輸入,其中包括OnTouchListener,負責處理從輸入驅(qū)動器收到的資訊,以及MotionEvent中的額外資訊。
如果你曾寫過Windows環(huán)境下能接收滑鼠事件的程式,就會驚訝地發(fā)現(xiàn)滑鼠事件與觸控介面之間的差異。 MotionEvent這個類別內(nèi)含許多方法,包括WM_LBUTTONDOWN常見到的方法,例如GetX與GetY,以及處理觸控的位置還有手指停留在面板上的時間。
當應用看到事件后,就會對觸控動作做出回應,這種回應通常是由微程式(Widget)來執(zhí)行,而不是由應用程式來負責。 Android的Widget內(nèi)含一些簡單項目,像是按鈕等,還有包括許多復雜的介面,像是資料挑選器(Data Picker),以及附有取消鈕的進度顯示條視窗。
應用程式也可直接處理與回應觸控動作。繪圖程式可選擇混用兩種方法,在繪圖區(qū)使用直接觸控輸入功能,并搭配Widget負責處理選單與按鈕的操作功能。
Windows /Android手勢辨認各擅勝場
Windows Touch處理功能與Android之間的一項差別,就是解譯手勢。 Android提供為數(shù)眾多的手勢創(chuàng)作工具,但沒有提供任何內(nèi)建的手勢定義。每個設(shè)計者都可自由創(chuàng)作自己的手勢,包括像手寫辨識等復雜的手勢。這種方法催生出許多應用,像是字符辨識的搜尋功能,但意謂在兩個不同的Android平臺上,同樣的手勢動作啟動的是不一樣的功能。
至于Windows則提供一組固定且眾所周知的手勢,并支援作業(yè)系統(tǒng)層級應用,包括GID_PAN、GID_ZOOM、GID_ROTATE、GID_PRESSANDTAP及GID_TWOFINGERTAP。這些手勢動作在任何程式都啟動相同的動作,這點讓使用者能快速學會使用新程式。兩種方法都各自有其優(yōu)點。
觸控設(shè)計邁向未來的過程中會遇到技術(shù)層面的挑戰(zhàn),還得應付許多層面之間的互動問題。從選擇材料、制造到電子,都是觸控感測必須面臨的議題。當系統(tǒng)把觸控動作轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號后,還必須推算其位置和主控端進行通訊以及執(zhí)行解譯等步驟。如今這些問題都已被克服,軟體研發(fā)業(yè)者必須在這些基礎(chǔ)上開發(fā)令人驚艷的應用。