分析如何解決大型電容觸摸屏輸入問(wèn)題

　　移動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)商希望為消費(fèi)者提供自然易用的用戶(hù)界面，就好像使用紙和筆一樣方便自如，同時(shí)還要具備電腦的高度靈活性，這樣的高級(jí)特性可幫助生產(chǎn)商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。帶手掌誤動(dòng)作排除功能的小型尖頭無(wú)源手寫(xiě)筆讓制造商能夠提供支持手寫(xiě)、編輯、簽名捕獲、精確導(dǎo)航等各種新應(yīng)用功能的低成本解決方案。然而，上述功能的實(shí)現(xiàn)也面臨一些挑戰(zhàn)，無(wú)源手寫(xiě)筆的開(kāi)發(fā)人員必須滿(mǎn)足更大型觸摸屏上電容式感應(yīng)技術(shù)的一系列性能要求。具體來(lái)說(shuō)，需要采用高級(jí)算法和感應(yīng)方法來(lái)檢測(cè)手寫(xiě)筆發(fā)出的很小的信號(hào)，同時(shí)還要排除用戶(hù)手掌造成的較大的無(wú)用信號(hào)。此外，設(shè)備還必須能夠動(dòng)態(tài)地在手寫(xiě)筆和多點(diǎn)觸摸輸入之間來(lái)回切換，同時(shí)保持一定的速度、精確度和響應(yīng)性，從而確保理想的用戶(hù)體驗(yàn)。

　　隨著電容式觸摸屏的尺寸越來(lái)越大，類(lèi)似于紙和筆一樣的使用寫(xiě)入設(shè)備變得更加直觀方便。制造商支持手寫(xiě)筆功能的最常見(jiàn)方法就是采用有源手寫(xiě)筆或無(wú)源手寫(xiě)筆。有源手寫(xiě)筆采用電子組件，需要一個(gè)電源，并向主機(jī)設(shè)備發(fā)射信號(hào)。采用有源手寫(xiě)筆能支持顯示屏上懸停、壓力感應(yīng)、按鍵支持、擦寫(xiě)等高級(jí)特性。無(wú)源手寫(xiě)筆則采用導(dǎo)電性材料，相當(dāng)于用戶(hù)身體的延伸。用戶(hù)手部的電容耦合支持無(wú)源手寫(xiě)筆觸碰屏幕時(shí)發(fā)送信號(hào)，手寫(xiě)筆和主機(jī)平臺(tái)之間不存在有源通信，因此如何區(qū)分手指和無(wú)源手寫(xiě)筆是一個(gè)難題。

　　在許多情況下，如果說(shuō)有源手寫(xiě)筆和無(wú)源手寫(xiě)筆都能實(shí)現(xiàn)相同的特性，則無(wú)需為系統(tǒng)增加額外的成本。有源手寫(xiě)筆額外的組件和電源要求使它很難打開(kāi)銷(xiāo)路，而無(wú)源手寫(xiě)筆的性能較差以及/或頭大笨重則會(huì)帶來(lái)不自然的手寫(xiě)體驗(yàn)。因此，如果無(wú)源手寫(xiě)筆的筆頭為1到2毫米，用戶(hù)手寫(xiě)時(shí)手掌能擱在屏幕上，同時(shí)保持足夠的速度和準(zhǔn)確度，并確保接觸點(diǎn)剛好就是“墨水”的“著墨之處”，則可提高無(wú)源手寫(xiě)筆的用戶(hù)體驗(yàn)。

　　為了創(chuàng)建一款切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方案，其可同時(shí)支持手指和無(wú)源手寫(xiě)筆操作，必須考慮多種不同的使用情況。例如，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)考慮系統(tǒng)要在檢測(cè)手指和手寫(xiě)筆輸入之間的切換速度。同樣，他們還要定義手寫(xiě)筆在手指/手掌之前、之后或者同時(shí)觸摸屏幕時(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)情況。其它重要因素還包括配置手寫(xiě)筆距離手多近時(shí)就不再檢測(cè)到手寫(xiě)筆信號(hào)。圖1給出了手寫(xiě)筆用例下的狀態(tài)機(jī)進(jìn)程實(shí)例。

　　圖1無(wú)源手寫(xiě)筆用例下的狀態(tài)機(jī)使用實(shí)例

　　手寫(xiě)筆的悖論

　　無(wú)源手寫(xiě)筆檢測(cè)對(duì)于觸摸操控工程師而言是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。問(wèn)題的根源在于“手寫(xiě)筆悖論”。所謂“手寫(xiě)筆悖論”，是指無(wú)源手寫(xiě)筆的信號(hào)比正常手指觸摸輸入要小得多，而用戶(hù)則認(rèn)為手寫(xiě)筆的筆尖這么細(xì)，應(yīng)該比手指更加精確。

　　精確度和線(xiàn)性度與系統(tǒng)的信噪比成正比。由于噪聲底限不會(huì)隨輸入而改變，因此信號(hào)減弱會(huì)對(duì)信噪比造成較大影響。電容式觸摸屏的信號(hào)電平基本取決于觸摸輸入的覆蓋面積。這就是說(shuō)，2毫米無(wú)源手寫(xiě)筆的信號(hào)強(qiáng)度比典型的10毫米手指觸摸時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度小25倍。這種信號(hào)強(qiáng)度的差距給觸控工程師造成了許多問(wèn)題。即使在有較大觸摸信號(hào)的情況下，固件也必須能檢測(cè)到較小的手寫(xiě)筆信號(hào)，這往往需要采用不同的傳感器掃描模式，而抗噪性和刷新率都要受到影響。此外，無(wú)源手寫(xiě)筆最適合搭配較大的觸摸板使用，但大型觸摸板本來(lái)就刷新率低，或是要采用較大的間距傳感器，這二者都會(huì)影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

　　從根本上說(shuō)，應(yīng)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度差距需要解決兩個(gè)問(wèn)題。第一，盡管信號(hào)強(qiáng)度極低，也必須首先檢測(cè)到手寫(xiě)筆。第二，一旦檢測(cè)到手寫(xiě)筆，就必須進(jìn)行準(zhǔn)確報(bào)告。這兩大問(wèn)題各有難點(diǎn)。從概念上講，最合理的手寫(xiě)筆檢測(cè)方法是最大限度地提高傳感器信號(hào)。一般通過(guò)最大限度地減少傳感器到信號(hào)電平（非常接近預(yù)期信號(hào)電平）的動(dòng)態(tài)范圍，或者甚至通過(guò)采用軟件乘法和濾波等方法，來(lái)解決有關(guān)問(wèn)題。但是，高增益系統(tǒng)通過(guò)正常手指觸摸等較大輸入很容易達(dá)到飽和，所以必須認(rèn)真處理正常觸摸和較小的手寫(xiě)筆信號(hào)。一個(gè)常見(jiàn)的方法就是在每個(gè)預(yù)期的信號(hào)電平進(jìn)行兩次獨(dú)立的掃描，從而從手寫(xiě)筆輸入中區(qū)分出正常觸摸。

　　觸摸及手寫(xiě)筆簡(jiǎn)介

　　圖2觸摸及手寫(xiě)筆簡(jiǎn)介

　　這種模式切換容易受到錯(cuò)誤檢測(cè)的影響，因此必須過(guò)濾掉錯(cuò)誤檢測(cè)的情況。手指靠近或離開(kāi)觸摸屏就是一個(gè)典型的例子。當(dāng)手指靠近時(shí)，其信號(hào)電平很低（在無(wú)源手寫(xiě)筆區(qū)），而離開(kāi)時(shí)信號(hào)電平同樣也很低，所以必須采用其它判斷器來(lái)確認(rèn)任何已檢測(cè)到的手寫(xiě)筆輸入。

　　死區(qū)的管理

　　檢測(cè)到手寫(xiě)筆后，必須準(zhǔn)確進(jìn)行報(bào)告。與典型的手指觸摸不同，無(wú)源手寫(xiě)筆的尖筆頭使用戶(hù)能夠精確地看到其放置到LCD的確切位置。因此，盡管信噪比顯著降低，但用戶(hù)對(duì)手寫(xiě)筆操控的精確度卻有著更高的預(yù)期。此外，線(xiàn)性度也是一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)槭謱?xiě)筆通常用于書(shū)寫(xiě)。

　　無(wú)源手寫(xiě)筆與精確度和線(xiàn)性度相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題就是“死區(qū)”。“死區(qū)”是指觸摸屏上即使在輸入刺激轉(zhuǎn)移到新位置時(shí)報(bào)告信號(hào)電平也不發(fā)生改變的區(qū)域。例如，2毫米的無(wú)源手寫(xiě)筆筆尖在觸摸屏上可由典型的5毫米傳感器完全包圍。

　　手寫(xiě)筆筆尖死區(qū)

　　圖3手寫(xiě)筆筆尖死區(qū)

　　手寫(xiě)筆在傳感器中心位置的微小移動(dòng)很難被檢測(cè)到，但對(duì)于傳感器而言，輸入通常被量化到元件的中心，因此，當(dāng)手寫(xiě)筆的移動(dòng)限于傳感器范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)被報(bào)告為處于固定位置，這就是所謂的死區(qū)。

　　解決此問(wèn)題的一般性方法就是分析所有周?chē)膫鞲衅?，并用其?chuàng)建查找表索引，以此來(lái)校正報(bào)告位置，從而更好地掌握筆尖所在的實(shí)際位置。因此，無(wú)源手寫(xiě)筆的精確度和線(xiàn)性度問(wèn)題歸根結(jié)底就是要通過(guò)極具創(chuàng)意的方法來(lái)生成上述位置索引，或者設(shè)計(jì)出更先進(jìn)的查找表，因?yàn)樗绤^(qū)通常是一個(gè)無(wú)法克服的物理問(wèn)題，因此必須找出適當(dāng)?shù)男Ｕk法。

　　觸摸誤動(dòng)作排除的必要性

　　早期無(wú)源手寫(xiě)筆的實(shí)現(xiàn)方案一次僅支持一個(gè)單一的輸入類(lèi)型，正常的手指觸摸享有更高的優(yōu)先級(jí)。如果屏幕上出現(xiàn)包括手寫(xiě)時(shí)手握手機(jī)或平板電腦的邊緣、或手掌擱在屏幕上等正常的手指觸摸，那么手寫(xiě)筆系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。然而，這兩種情況在大屏幕上使用手寫(xiě)筆時(shí)及其常見(jiàn)。為了便于使用，當(dāng)手寫(xiě)筆在屏幕上工作時(shí)，必須排除這類(lèi)誤觸誤動(dòng)作，從而提高用戶(hù)的滿(mǎn)意度。

　　觸摸屏幕對(duì)手寫(xiě)筆性能造成影響的原因同樣取決于信號(hào)差距。觸摸屏幕會(huì)導(dǎo)致其信號(hào)擴(kuò)散到多個(gè)傳感器，而外圍傳感器通常在信號(hào)電平的手寫(xiě)筆區(qū)域。正常觸摸的信號(hào)電平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手寫(xiě)筆的信號(hào)電平。這就好像在黑暗的房間里有兩只手電筒，一只很亮，一只很暗。手電筒光越強(qiáng)，就越難以看到較暗的手電筒。此外，正常觸摸也會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。所以，如果噪聲較大的觸摸和手寫(xiě)筆共享相同的傳感器接收器，那么手寫(xiě)筆的輸入將很難檢測(cè)到。

　　這些共模噪聲問(wèn)題是另外一大領(lǐng)域的問(wèn)題。通常情況下，我們可通過(guò)僅掃描所關(guān)心的特定傳感器以隔離無(wú)源手寫(xiě)筆的所需信號(hào)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這時(shí)我們假設(shè)最初能檢測(cè)到手寫(xiě)筆，并跟蹤手寫(xiě)筆在屏幕上的移動(dòng)，因而使手寫(xiě)筆的第一次觸摸最為薄弱。然而，一旦傳感器子集跟蹤到手寫(xiě)筆，大多數(shù)令人煩擾的觸摸問(wèn)題就都能迎刃而解。

　　雖然上述大多數(shù)問(wèn)題似乎很難解決，但目前觸摸控制器的發(fā)展使我們擁有的產(chǎn)品不但具備足以檢測(cè)小型尖頭無(wú)源手寫(xiě)筆的敏感度、而且還具備過(guò)濾屏幕上噪聲和其它干擾對(duì)象的智能功能。從用戶(hù)角度上講，智能觸摸控制器能處理檢測(cè)和跟蹤觸摸對(duì)象的眾多輸入相關(guān)問(wèn)題。從系統(tǒng)層面上講，成功的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)出相關(guān)應(yīng)用，讓用戶(hù)能夠更好地在自己的設(shè)備上使用、創(chuàng)建和控制程序，從而提高工作效率，帶來(lái)更加自然的操控體驗(yàn)。