交互新方式——多點觸摸技術初探

孫一帆

摘要:多點觸摸(Multi-touch)是當前數字產品領域最灸手可熱的交互技術。該文介紹了多點觸摸的基本概念、市場狀況,闡述了多點觸摸技術的發展歷史,以及各種多點觸摸的實現技術。

關鍵詞:多點觸摸;人機界面;交互;紅外;電阻;電容;表面聲波;光學影像;影像辨識

中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)34-9801-02

A New Way of Interactive - The Primary Search of Multi-Touch

SUN Yi-fan1,2

(1.School of Art, Soochow University,Suzhou 215021,China; 2.Suzhou Art&Design; Technology Institute,Suzhou 215104,China)

Abstract: Multi-touch is the most popular technology in the interactive domain. This article describes the basic concepts of multi-touch, market conditions, describes the history of multi-touch technology, and a variety of method to apply multi-touch.

Key words: multi-touch; UI; interactive; infrared; resistive; capacitive; SAW; optical imaging; shape recognition

多點觸摸(Multi-touch)無疑是當前數字產品領域最灸手可熱的交互技術。同我們常見的觸摸顯示屏(手寫筆、銀行ATM 柜員機等)不同,這些設備通常只能支持單點輸入。而多點觸摸允許設備用戶同時通過多個接觸點(手指)來控制圖形界面。

1 多點觸摸概述

自從進化為人類,人就開始使用雙手來完成各種操作。隨著不斷進化,人的十指越來越靈活,可以完成非常靈巧細致的動作。像彈鋼琴、用鍵盤打字就是很好的例子。鋼琴的88個琴鍵和鍵盤的數十個鍵位,都需要十指協調同時操作,這實際上就已隱含了“多點觸摸”的概念。因此,“多點觸摸”是人類最自然、最得心應手和最有效率的操作方式之一。UI(人機界面)引入多點觸摸概念可以說是必然的趨勢。

對于大部分人來說,真正的多點觸摸UI體驗,是隨著2007年蘋果公司iPhone的面世而親身感受的。iPhone讓我們驚訝地發現:早已習慣了點按放大鏡圖標去縮放圖片,現在用兩個手指隨意拉伸縮放圖片的方式竟是這么自然、順暢。原來除了鼠標、手寫筆和導航鍵,我們還能這樣去操控界面。多點觸摸技術可以說成了iPhone攻城略地的核心競爭優勢。并由此引發了手機多點觸摸的熱潮——Google的Android、微軟的Windows Mobile、Palm、諾基亞的Maemo等各廠商的下一代手機操作系統,紛紛將多點觸摸技術作為重點特性引入進來。對于桌面系統,微軟07年推出基于Vista的全觸摸概念電腦“Surface”已投入市場;Windows7很好地內置支持多點觸摸式操作;正在研發中的Windows 8可能會采用徹底的觸摸式輸入方式——用戶所有的操作均由觸摸操作完成;蘋果在下一代Mac OS操作系統中也將加強多點觸摸功能。可以說我們的人機界面交互方式已經進入了一個“多點觸摸”時代。

2 多點觸摸技術發展歷史

其實多點觸摸并非蘋果的iPhone的首創。我們來回顧一下在iPhone之前多點觸摸技術的歷史足跡。

1) 早在1983年,就有科學家首次嘗試將鍵盤跟觸控板聯在一起同時操作,或是用兩只手控制同一塊觸控面板。這些突發奇想的實驗開啟多點觸摸的研究之路。

2) 1992年,Sun Microsystems制作了一段科幻片,假想12年后的2004年將出現的新科技,其中就有類似多點觸摸的技術。這對于技術的發展也具有高度的啟發性。

3) 1992年后的一段時間,仍舊是技術發展積累階段,包括觸控面板、大型平面顯示器等,各種新技術都仍在醞釀成熟的過程中。

4) 1999年,Alias Wavefront首先推出一個叫做Portfolio Wall的產品原型。Portfolio Wall采用了大尺寸的觸控屏幕,配合滑動與點選兩種手勢操作,就可以及時瀏覽大量的圖像與影片。概念跟操作都很簡單,但是這已經算是當時最接近商品化的研究案之一。

5) 2001年,多點觸摸技術有了巨大進展。三菱電子實驗室為了解決多人同時操作計算機時的互動問題,著手進行一項稱為DiamondTouch的研究計劃。這項研究奠定了不少多點觸摸硬件方面的技術基礎,包括多點觸控、多人同時操作,以及潮濕高溫等極端環境下的操作可行性,都在這個研究當中實踐了。

6) 2002年,一向嗅覺敏銳的好萊塢也注意到了這個科技新動向,在《少數派報告(Minority Report)》這部電影中,“多點觸摸”成為了重要的科幻橋段。為多點觸摸技術造勢不少。

7) 2005年,當大家都專注在觸控面板的技術研發時,微軟的技術人員另辟蹊徑,以投影畫面以及影像辨識技術,發展出一種實現多點觸摸技術的新機制。即不需使用任何觸控面板,只要在一個普通桌面上架起投影機以及攝像頭,通過捕捉定位手指在桌面上的陰影,來實現實時多點觸摸。基于這個原理,界面大小可以任意調整,再也不會受限于觸控面板的尺寸與分辨率。除此之外,他們也嘗試了很多新的互動方式,像是將相機放在一個如水晶球般的透明盆子里,照片就會自動倒出來,使用者只要將手指伸進去盆子里拖動,就可以隨心所欲地移動復制這些照片。這些還處在實驗室中的有趣而新穎的概念,正是兩年后微軟推出的“Surface”的雛形。

8) 2006年,是多點觸摸發展重要的一年。在年度的TED論壇中,來自NYU的教授Jeff Han演示了他們在多點觸摸技術應用上的創新進展。Jeff Han在現場用他的十指演示了多點觸摸的多種應用,整個操作過程流暢自然,非常有吸引力,引起了現場的轟動。這次里程碑式的實際演示,標志著多點觸摸技術可以進入成熟的商用階段。并且研發重心已經從硬件技術,轉向了軟件應用。

9) 2007年5月,微軟正式發布了“Surface”概念電腦。兩年前實驗室里的創新想法變成現實。這是一臺沒有鼠標鍵盤,只是通過人的手勢,觸摸和其他外在物體進行交互的桌型電腦。它改變了人和信息之間的交互方式,模糊了物理和虛擬世界之間的邊線。比如你在餐館就餐時,當你將你的飲料放在Surface上時,它的所有信息就會在上面呈現出來,比如相應的甜點的菜單,需要的話只要手指一點。微軟相信Surface將改變人們購物,就餐,娛樂和生活的習慣。

10)2007年6月,蘋果公司的iPhone上市。蘋果用他們極強的前瞻性和執行力,把創新的概念和技術從實驗室拿來,以成熟的產品、合理的價格,可靠的質量,放到消費者面前。在上市后相當長的一段時間里,iPhone一直是市面上唯一可以買得到的多點觸摸技術量產消費品。

3 多點觸摸實現技術比較

“多點觸摸”按字面意思可以理解為“多點”和“觸摸”兩層含義。“多點”顧名思義就是可識別一個以上的定位輸入;“觸摸”是指這一個以上的定位點是通過直接接觸的方式輸入的,而非通過鼠標、鍵盤等間接輸入。這一層面一般指硬件實現技術,主要有以下幾種:

3.1 紅外線式(Infrared)

利用紅外線矩陣組成縱橫序列掃描線,當有物體遮斷光路時,便可判斷位置。這種技術是最早使用的技術,缺點是容易受外界光線影響,存在遮罩問題;另外由于受紅外線LED體積限制,解析度無法做高;這種技術逐步被光學影像式所取代。

3.2 電阻式(Resistive)

兩層不同導電值的表面層疊在一起但保持間隙,當表面受壓力而使兩者表面接觸,因而影響阻抗值變化。這種技術實現門檻低因而曾被大量使用。但這種技術存在反應速度不高,而且隨著時間增長材料會逐漸損耗而造成誤差。因此如今基本已被其它技術取代。

3.3 電容式(Capacitive)

電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極,在導電體內形成一個低電壓交流電場。在觸摸屏幕時,由于人體電場,手指與導體層間會形成一個耦合電容,四邊電極發出的電流會流向觸點,而電流強弱與手指到電極的距離成正比,位于觸摸屏幕后的控制器便會計算電流的比例及強弱,準確算出觸摸點的位置。目前小尺寸觸摸屏大量使用這種技術,受技術限制目前還無法在大尺寸應用上取得突破。

3.4 表面聲波式(SAW)

表面聲波,超聲波的一種,在介質(例如玻璃或金屬等剛性材料)表面淺層傳播的機械能量波。通過楔形三角基座(根據表面波的波長嚴格設計),可以做到定向、小角度的表面聲波能量發射。發射換能器發出表面聲波,當手指或其它能夠吸收或阻擋聲波能量的物體觸摸屏幕時,接收器便能計算出接觸位置。它的優點是透光率高、耐用性好(相對于電阻、電容等有表面鍍膜)、反應靈敏、外界干擾小、沒有漂移,目前在公共場所使用較多。缺點是成本高,需要經常維護,因為屏表面的污跡,都會影響表面音波的傳導,從而影響觸摸屏的正常使用。

3.5 光學影像式(Optical Imaging)

透過兩組以上CIR(CMOS/CCD)由側邊觀測物體的影子后計算出位置。這技術隨著CMOS/CCD的技術成熟和成本下降而越來越被廣泛使用,現在微型CIR已經可以做到每秒鐘輸出一百張以上的畫面,因此目前來說是反應速度最快的一種技術,當然隨著CIR分辨率越來越高,處理速度越來越快,感光能力越來越好,且可以判斷影子大小,所以可以做出越來越多變化性之應用,其缺點則是較容易受到外部光線影響。光學影像識別技術將會在未來中大尺寸及多點觸摸的發展中扮演重要角色。

3.6 電磁式(Electromagnetic)

利用線圈產生磁場改變經由接收天線產生之電流變化計算位置。這是早期數字板或是繪圖板使用的技術,后來Tablet PC也大多采用此技術。其缺點是一定要使用一個帶電的筆(Wacom則有獨家感應技術可從天線端感應生電,不需要電池),早期電磁式抗干擾能力不強,很多手寫板放在金屬桌面的桌子上便無法使用,現在則不會有這個問題。

3.7 影像辨識式(Shape Recognition)

原理是通過攝像頭(CMOS/CCD)從正面或是背面捕捉接觸面的影像變化,由操作平臺從影像中識別出定位點。微軟的Surface便是使用類似技術。為了避免受可見光干擾,一般都采用紅外線光源。這項技術有好幾種實現方式,例如Jeff Han發明的受抑全內反射多點觸摸技術(FTIR);微軟Surface采用的散射光照明多點觸摸技術(DI);激光平面多點觸摸技術(LLP);散射光平面照明多點觸摸技術(DSI)等等。這類技術的優點是可以判別出接觸物體的形體,進而由操作平臺做出靈活的應用,最重要的是由于這項技術實現成本比較低,效果理想,所以非常適合DIY。因此目前此項技術的研究和實踐比較熱門。

4 結束語

隨著多點觸摸風潮的興起,越來越多的廠商和科研人員將投入其中進行研發,技術將越來越成熟,而實現成本將不斷降低。多點觸摸必然在很多場合代替傳統輸入方式,而變得越來越普及。

參考文獻:

[1] Edward Grivna.Designing Compelling User Interfaces with Multi-Touch All-Point Touchscreen Technology[J].Cypress Semiconductor,2000.

[2] Edward Grivna.Touch Screen Essentials[J].Cypress Semiconductor,2002.

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[4] 王瑩.全球首臺觸摸式波輪洗衣機誕生的背后[J].電子產品世界,2007.