手持裝置多點觸控技術(shù)的實現(xiàn)

　　在電子產(chǎn)品市場上，不斷有新鮮事發(fā)生的，正是手持產(chǎn)品領(lǐng)域。在不久前，大家的注意力還集中在手持產(chǎn)品的無線通信功能，從2G、3G到3.5G，以及與藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù)的整合，并期待下一波加入移動電視(DVB-H、T-DMB技術(shù))或LBS位置服務(wù)(A-GPS技術(shù))的新興應(yīng)用。不過，現(xiàn)在大家又開始將焦點轉(zhuǎn)移到操作接口上的創(chuàng)新經(jīng)驗開發(fā)，這就得導(dǎo)入新的接口控制技術(shù)。

　　這波界面革命風(fēng)潮的始作俑者，正是iPhone。為何iPhone會一炮而紅呢？若細(xì)看其技術(shù)規(guī)格，其實和目前市場上其它的智能型手機(jī)并沒有太大的差異，在通信上的支持甚至略遜一籌(只支持GSM 850/900/1800/1900)，但一推出仍然讓市場為之轟動，其主要賣點正在于其創(chuàng)新的接口操作功能。iPhone實現(xiàn)了幾乎不用使用按鍵的創(chuàng)新接口，以觸控方式達(dá)成用3.5英寸的大屏幕瀏覽和執(zhí)行的目的，而在其背后的關(guān)鍵技術(shù)正是多點觸控(Multi-touch)面板技術(shù)。以下將探討這項技術(shù)的優(yōu)勢與設(shè)計難度所在。

　　主要觸控面板技術(shù)

　　目前市場上常見的觸控面板技術(shù)大致包括表面聲波式( SAW)、光學(xué)式(Infrared)、電阻式、表面電容式(Surface Capacitive)和投射電容式(Projective Capacitive)等五種，說明如下：

　　表面聲波式(SAW)

　　表面聲波觸控面板在玻璃上安裝傳送轉(zhuǎn)換器和反射板、接收轉(zhuǎn)換器，以及控制器等組件，在玻璃表面并沒有涂上其它的涂料層。其工作原理是表面聲波會在玻璃上傳送，當(dāng)其表面被接觸時，接觸物會吸收超音波而造成衰減，經(jīng)由控制器比對使用前后的衰減量并計算后得出精確位置。

　　它的優(yōu)點是因采用純玻璃做為感測面板，因此耐用度極高，影像質(zhì)量也極佳；能使用各種軟性的筆尖來做觸控；透過校正能保持其穩(wěn)定性。其缺點則包括當(dāng)有水在表面流動時，會造成系統(tǒng)的誤判；在裝置安裝上也有相當(dāng)?shù)碾y度。SAW一般應(yīng)用在Kiosk或自動售票機(jī)上。
光學(xué)式

　　光學(xué)式觸控面板是由玻璃基板、紅外線發(fā)射源、紅外線接收器等組件所組成，其原理是利用光源接收遮斷來確定位置。和SAW相似的是，光學(xué)式因采用純玻璃來濾波，因此能得到極佳的影像質(zhì)量及耐用性；它也能使用各種筆尖。它的缺點是在設(shè)計上必須考慮光電組件的高度和邊緣的寬度；此外，由于使用的組件較貴，相對成本也會比較高。一般應(yīng)用在ATM、OA事務(wù)機(jī)、醫(yī)療器材的使用上。

　　電阻式

　　電阻式因在技術(shù)上已發(fā)展的相當(dāng)成熟，因此仍是現(xiàn)在手持式設(shè)備使用觸控面板時的主流技術(shù)。電阻觸控式屏幕可分為四線、五線、七線或八線等幾種形式，最常見的是四線架構(gòu)。四線電阻觸控式屏幕面板的結(jié)構(gòu)從上到下依次是可撓性矩形頂層、透明的導(dǎo)體覆蓋層(導(dǎo)體覆蓋材料通常由ITO組成)、空氣間隙和隔離層、另一個透明的ITO層，最后是一個穩(wěn)定層的玻璃基板。當(dāng)觸控筆或手指接觸面板表面時，所施的壓力會讓兩個ITO層相觸，由于其中一層ITO會供電，另一層ITO層可用來檢測觸控筆的位置。

　　就成本而言，電阻式觸控屏幕可說是在所有觸控技術(shù)中最具優(yōu)勢的，其中又以四線式成本最低。不過，由于必須透過不斷對表面施壓來確定位置，電阻式使用久了容易造成表面磨損，以四線式來說，其使用壽命大約為一百萬次。此外，其透光率較差，平均約在80~85%左右。

　　表面電容式

　　表面電容式的技術(shù)作法與電阻式相當(dāng)類似，設(shè)計上較簡單，成本也很便宜。在其玻璃面板上會涂上一層ITO(或TAO)導(dǎo)電層，并會在面板的四個角持續(xù)發(fā)出AC訊號，當(dāng)面板被手指觸控時，就會產(chǎn)生電場的變化，此時控制器會測量四角的電流變化，進(jìn)而能計算出觸控的位置。
表面電容式的優(yōu)點是只需輕輕碰觸即可定位，而且能分辨拖拉(drag)模式的操作。它的缺點是當(dāng)表面涂料層被括傷時，會影響校正的正確性；在系統(tǒng)建置上，觸控面板必須完全與任何金屬物進(jìn)行隔絕，才不會造成干擾；此外，它只能以手指來進(jìn)行觸控，這是很大的限制。

　　c的實現(xiàn)

　　今日的手機(jī)及其它手持設(shè)備廠商，都想做出和iPhone相似的多點觸控式設(shè)備，但上述的觸控技術(shù)都力有未逮。光學(xué)式的觸控技術(shù)雖也有能力做到多點觸控，但基于成本及機(jī)構(gòu)問題，并不適合用于手持式的設(shè)備上。因此，目前要實現(xiàn)手持設(shè)備的多點觸控，也就是讓用戶能以手指的點壓、拖拉來操控畫面，甚至能透過兩指的開合動作來縮放畫面，唯有實行投影電容式觸控技術(shù)。

　　多點觸控技術(shù)其實并非一項新鮮的發(fā)明，其實早在1992年時即已被IBM和Bell South提出，而且陸續(xù)有許多可行的技術(shù)出現(xiàn)，但當(dāng)這些技術(shù)被推往手機(jī)等手持設(shè)備市場時，業(yè)者大多認(rèn)為這不是一個吸引人的應(yīng)用方式，還是偏好鍵盤或使用Stylus筆尖觸控的輸入模式。然而，iPhone的上市，一下子將這些看法都推翻掉，業(yè)者才發(fā)現(xiàn)原來消費者很能接受用自己手指來點選控制的這種接口。

　　其實我們生來習(xí)慣使用我們的十指來做各種動作，而當(dāng)手機(jī)中的功能愈來愈復(fù)雜，傳統(tǒng)的接口只會埋沒這些功能，因而發(fā)展到可攜式接口不得不進(jìn)行革命的階段。這時，多點觸控的出現(xiàn)即為市場點亮一盞明燈。不過，iPhone推出已有一段時間，但仍未見到市場上接二連三的相似概念產(chǎn)品出現(xiàn)，可見得在技術(shù)的實踐上確實存在著一道頗高的門坎。

　　投影電容式觸控技術(shù)在市場上仍屬于相當(dāng)先進(jìn)且復(fù)雜的技術(shù)，其實現(xiàn)方式頗多，但要做到多點觸控，基本上都得采用矩陣感測的觸控面板，才能偵測出不同軸向的多點觸擊。這類面板的感測元素通常由多行(column)和多列(row)的矩陣(Matrix)掃描模式來組成，當(dāng)要達(dá)到兩點以上的觸擊辨識能力時，甚至得采用三到四個軸向的感測元素。

　　在說明投影電容式技術(shù)之前，必須了解多點觸控判定的兩種基本型式，即多點偵測(Multi-Touch Detect)和多點解析(Multi-Touch Resolve)。這兩者的技術(shù)差異甚大，前者只需偵測出多點觸控的動作，如用兩指做放大或縮小的動作，并不需找到兩點的正確位置；多點解析則需偵測出每個觸控點的正確位置，在實踐的難度上高出許多。

　　投影電容式技術(shù)又可分為軸交錯式(Axis Intersect)和所有觸點可定位式(All Points Addressable, APA)兩種感測屏幕，說明如下：

　　軸交錯式屏幕

　　在軸交錯式觸控面板中，控制器會分別掃描水平軸與垂直軸，以偵測是否有觸控，其位置則是兩軸交會處。以此方式來進(jìn)行感測，只能正確判讀一點觸控點的位置；當(dāng)兩點觸控時，就會出現(xiàn)另外兩個Ghost的假性觸控點，系統(tǒng)并無法進(jìn)行正確的判讀，但仍能分辨出兩點觸控的姿態(tài)。

　　APA屏幕

　　APA屏幕又可分為單層的獨立矩陣感測元素(Independent-matrix sense elements)和雙層的行列交錯矩陣感測元素(Intersection-matrix of row and column sense elements)兩種。獨立矩陣式的布線最為復(fù)雜，其每個感測元素都必須各個與控制器進(jìn)行聯(lián)機(jī)，舉例來說，一個10 x 10的矩陣，就需要有100條連接到控制器的感測線。因此，這類的屏幕會需要更大、更快和更復(fù)雜的處理器來處理大量的運(yùn)算，也需要更大容量的RAM內(nèi)存，此外，掃描的時間也會很長。

　　交錯矩陣的方式則利用行與列的感測來解決復(fù)雜的繞線問題，不過，由于此方式是逐行和逐列進(jìn)行掃描，其感測上所需的時間與獨立矩陣式是相同的。

　　若比較軸交錯式和APA，前者所需的運(yùn)算資源會少許多，內(nèi)存不需太小(小于1kB即可)；后者因復(fù)雜許多，運(yùn)算要求也會非常高，內(nèi)存要求也很高(需數(shù)kB)。兩者都同樣能實現(xiàn)多點觸控偵測，但軸交錯式較難做到多點解析，除非采用獨特的軟件后處理技術(shù)，相較之下，APA就能做到多點解析的要求(參考表1)。

　　在系統(tǒng)建置上，電容式觸控技術(shù)有一些相同的設(shè)計議題，包括環(huán)境影響、自我校正和專利權(quán)等問題。就環(huán)境因素來看，EMI是常見的設(shè)計挑戰(zhàn)，在訊號復(fù)雜的手機(jī)中又顯得更為困難；天氣的變化也是不容忽視的因素，不同的溫度、濕度或下雨狀況，都會影響觸控感測的正確性。此外，由于電容式是使用手指來觸控，設(shè)計者也必須考慮使用者的手指大小，在正確性和分辨率之間取得一個平衡點。

　　結(jié)語

　　由于投影電容式技術(shù)較為復(fù)雜，目前市場宣稱已掌握此技術(shù)的芯片或模塊廠商還不多，知名者包括Synaptics、Cypress、義隆電子、Quantum等。如前所述，目前真正實現(xiàn)多點觸控接口的手持設(shè)備仍屈指可數(shù)，由此可見從掌握技術(shù)到落實到商業(yè)化的產(chǎn)品上，仍然有一段距離?？梢钥隙ǖ氖?，當(dāng)下必然有許多廠商著手于此類設(shè)備的開發(fā)，但還是有許多設(shè)計瓶頸有待突破，如噪聲干擾的防治、觸控面積的最佳化設(shè)計、氣候?qū)`敏度干擾的調(diào)校，以及專利權(quán)的回避或支付等。

　　看起來這段學(xué)習(xí)門坎頗高，芯片及系統(tǒng)業(yè)者并無法準(zhǔn)確地設(shè)定其新產(chǎn)品上市的時程。當(dāng)然，愈早跨越這個門坎的公司，愈有機(jī)會嘗到先期市場的利潤甜頭。除了硬件方面的技術(shù)問題，軟件也需同步配合，例如Window Mobile顯示的觸控面積太小，目前仍不適合用于電容式的手指觸控模式。

　　此外，軟件也是設(shè)備功能差異化的關(guān)鍵，在這方面，控制芯片的廠商已致力于提供各種功能的開發(fā)套件，有助于縮短研發(fā)的時程。就長遠(yuǎn)來看，我們?nèi)缘糜^察觸控技術(shù)是否會成為手持設(shè)備操控接口的主流技術(shù)。只要市場驅(qū)動力夠大，多數(shù)的技術(shù)問題都將會逐步被解決，少有例外。