電阻觸摸屏多點觸控算法的研究與實現

朱莉　權蕾

摘 要：觸摸屏作為一種人機交互界面，已大量取代了以往的鍵盤、鼠標等人機溝通方式。電阻式觸摸屏以其低廉的價格，穩定的性質更成為主打選擇的觸摸屏之一。在日常應用中，經常需要同時對多點進行操作。然而，觸摸屏的觸摸點之間會互相影響，而得出錯誤的觸摸點坐標。本文優化了兩點觸摸的判斷算法，實現了多點觸控的正確識別和定位處理。經試驗驗證表明可以實現圖像的放大、縮小、旋轉等功能。

關鍵詞：電阻觸摸屏；多點觸控；鬼點；采樣點平均值

多點觸控，是指能同時正確識別和定位兩個或兩個以上的觸摸操作，能夠獨立判斷每個觸摸點的操作意義，并實現相應功能的技術。這是一種擺脫了傳統的輸入設備，簡單而方便的人機交互操作模式。

多點觸控技術目前有兩種[1]：多點觸控手勢識別和多點觸控位置識別。

目前市面上出現較多的方式是多點觸控手勢識別。手指同時觸摸屏幕多點時，能夠識別每個手指移動的方向，能夠進行旋轉、縮放、平移等操作，但還不能夠判斷出每個手指的具體位置。但兩點觸摸甚至多點觸摸時，X、Y軸上會產生多個最大值，此時系統無法判斷觸摸點的準確位置。通常把并不是真正觸摸的點叫做“鬼點”。

多點觸控位置識別才是真正意義上的多點觸控技術，可以識別到觸摸點的具體位置，沒有“鬼點”的現象。這種觸控技術基于互電容檢測方式，通過行列交叉處耦合電容Cm的變化判斷觸摸點。手指觸摸時行列之間的互電容減小，可以判斷觸摸點存在，并且準確判斷每一個觸摸點位置。

1 電阻式觸摸屏多點觸摸技術

實現兩點觸摸，每個工作單元必須彼此獨立，并且觸摸點只能在同一個工作單元中。圖1給出了電阻式觸摸屏實現多點觸摸的方法：在X1電極上加上電壓，由Y1，Y2，Y3電極讀取A、B、C觸摸單元所檢測到的X坐標；在以后的各個始終周期依次讀取X2，X3的坐標。獲得所有觸摸單元的X坐標后，再依次給Y電極加上電壓，以獲得各個觸摸單元的Y坐標，從而實現兩點觸摸[2]。

2 兩點觸摸判斷算法實現

2.1剔除非觸摸點

當觸摸屏表面有觸摸點時，上層的ITO導電層向下凹陷，發生形變，并接觸到下層的ITO，接觸點的兩層ITO導電層之間存在一個電阻，當觸摸的壓力越大時，之間的電阻阻值就越小。通過計算相應阻值，可以得到觸摸位置，但是想要正確識別出兩點觸摸的位置，就必須先剔除非觸摸點。所謂非觸摸點，就是指沒有意愿的接觸點。這些觸摸點是隨機的，而且是非有效觸摸。比如，觸摸力度較輕時，觸摸屏ITO導電層的電阻處在接通與未接通的臨界點，類似這樣的觸摸點就是非觸摸點。這在沒有意志支配的情況下產生的接觸點，對整個檢測沒有意義的，所以必須將它們剔除。

考慮到非觸摸點的隨機性，兩次測量的方法可將其剔除。若第一次測量的結果是有效值，但第二次測量的結果超出了整個觸摸屏的阻值所規定的范圍，是一個很大的值，則視其為無效值，該點即為非接觸點，必將其剔除。反之，如果第二次測量的結果在整個觸摸屏的阻值所規定的范圍內，則視其為有效值，是有效的觸摸點。2.2接觸電阻的改進

觸摸屏幕的壓力大小不同，ITO導電層的電阻值也不同，也就是說輕觸或重觸觸摸屏，產生的電阻是不同的。控制芯片可以測試出接觸電阻的阻值大小，但是沒法分辨出是輕觸，還是重觸，這只會影響判斷觸摸點的準確性，從而會影響整個觸摸屏的可靠性。下圖是圖2是輕觸的示意圖。

在現階段的方案中，接觸電阻和壓力成為影響觸點坐標準確性的重要因素。如果接觸電阻不大于方阻，不會影響坐標顯示的準確性；如果大于方阻，就會出現跳躍點。比如，輕觸觸摸屏上的某一點，會造成電路接通不完全，對整個電路來說，它表現為測量電阻大，測得的值比實際值要大，那么它的坐標將會向后跳躍。與其相反的，如果是用力的重觸觸摸屏上的某一點時，坐標會前移。由此可見輕觸或重觸對接觸電阻的測量值影響很大，接觸電阻和壓力成反比。

查閱過一些四線電阻式觸摸屏的技術手冊后發現：他們通常使用接觸電阻小于2kΩ這個測試條件，來測試最小壓力這個參數。在正常力度的壓力下，一般接觸電阻為2kΩ；如果壓力更小，接觸電阻則會大于2kΩ。由此可見，實際測量結果與所施加的壓力存在動態變化，如果加在同一點上的力量是變化的，那么測量出的坐標點就是不確定的，所以這種測量方法仍然必須改進。

在此，分解一次完整的觸摸過程：（1）手指接觸到觸摸屏表面，（2）手指對觸摸屏逐步增加壓力，（3）壓力保持，（4）抬起手指，（5）手指的壓力逐步減小，（6）手指離開觸摸屏，整個觸摸過程完成。分解過程之后可以發現，在這個過程中，手指對屏幕的壓力并不是一個恒定不變的量。所以，細分整個過程，把不同時期得到的壓力和接觸電阻全部采樣，然后求取平均值，那么這個值將更加接近實際數據，這就是用求平均值的最根本原因。用求平均值的方法可以模擬整個觸摸過程，從而排除掉前期接觸、后期接觸或者中間接觸時壓力不穩等情況。

這個改進用一個循環來實現，多次執行讀取采樣函數，然后求平均值。由于A/D轉換的速度很快，這給求平均值提供了有利的基礎。按照程序設定，一共采樣32次，在計算求平均值的時候，利用C語言中的左移，求得平均值。可以把這個求得的和左移5位，就得到平均值，這種計算方式十分便捷。另一個需要考慮的問題是時間，也就是A/D轉換的速度問題。如果在完成一次觸摸的整個過程中，采樣的數目越多，對于觸摸點平均取值就越接近實際數據，對確認觸摸點坐標的影響也就越小。A/D轉換數據讀取過程的實現，以及改進后的算法如下：

第一步：接通觸摸屏電流，循環讀取32次A/D轉換器的值，并求得這些值的總和。

第二步：將求得的總和值左移五位，求得平均值，并把該平均值作為有效的數據。

改進后的算法有效避免了不同壓力對準確測量電阻值的影響，提高了數據的穩定性和可靠性。可以更加準確定位坐標，特別是屏幕中間區域的觸摸點，效果尤其明顯。

2.3邊沿檢測結果的改進

在進行測試畫線的過程中，電壓波形不是一條平滑的曲線，而是階梯波，因此在采樣過程中，有可能在電壓上升沿或者下降沿采樣，這樣采樣得到兩個點之間的電壓，并不代表這個點是處于采樣得到的兩個點直線之間的任何一個點，而是如圖3所示，折線上的A點或者B點。這樣會造成錯誤識別。在測試畫線的時候，如果畫線速度較快，第二次觸摸時電壓尚未穩定，會造成采樣時的誤讀，落在電壓變化的邊沿，采樣數據比A點（下降沿）樣數據大，比B點（上升沿）小。理論上來說，的確存在一個跟這個采樣數據對應的點，實際上選擇的這個點不是A點，就是B點。下面來分析一下造成這種現象可能的原因。

首先是硬件電路，分兩種情況：（1）在供給觸摸屏的電路中有電容儲能，或者旁路中的電容給階梯的電壓的變化造成了延緩，（2）在供電電路中存在比較大的電阻，電阻的電感特性影響較大，這兩種情況都會導致電壓變化的邊沿拉長。此時采樣的時機選在電壓變化的邊沿處的幾率增大。

即便不存在硬件電路問題，也不能保證所有的點都直接跳變，不能保證采樣的時機不在電壓上升沿或者下降沿處。所以要想避免這個問題，不僅要考慮硬件電路問題，更要在現有的硬件電路基礎上，在程序中剔除這些采樣時機不對的點。因此，需要通過算法找出這些點，然后把它們剔除。基于這個思路，在2.2節中，已經對每個點采樣32次，如果把這32個采樣值中的最大值和最小值分別找出來，就能消除邊沿處的采樣值影響。這里的最大值是指在上一個階梯下降時的采樣值，最小值是指在本階梯下降時的采樣值，然后用32次采樣的總和值減去這兩個點的值。通過這種方法增加了采樣數據的可信度，增強了觸摸屏工作的可靠性。

2.4臨界點的改進

關于觸摸的臨界點也有需要改進的地方。如圖4所示，給出了觸摸電阻隨壓力的變化而變化的曲線圖。

由上圖可以看出，如果是有效地觸摸的話，電阻的變化率不會太大，如兩接觸臨界點之間的電阻變化率就不是太大；但如果采樣點正好落在接觸臨界點上，而且這個值小于2kΩ，那么，這個點就應該視為無效點，用采樣的總和減去這個最大值的點就可以了。但是，如果在這一點上采樣兩次，它的影響就會明顯表現出來了。檢測出來的點將會使顯示結果出現跳越。所以對這一類無效的點，最安全的做法就是將其直接剔除。可以在程序中設定：完成一次觸摸以后，判斷阻值的變化，比較最大值和最小值之間的差值，如果兩個值的差值超過100Ω，則說明采樣點在臨界點上或者在臨界點之外，判斷為無效點，程序跳轉到開始，重新開始檢測點，這樣就可以把這一類的點剔除掉。

參考文獻：

[1] 宋學瑞，蔡子裕，段青青.觸摸屏數據處理算法[J].計算機工程，2008，34（23）：255-257.

[2] 秦萬治.多點觸控技術的初步研究[D].[碩士學位論文].成都：電子科技大學，2010 .

[3] 榮昌，封王，鵬飛.在多點觸摸技術[R].發展的調查.亞太會議可穿戴計算系統（通用武器控制系統），2010：363-366.

[4] 沈庭芳等.數字圖像處理及模式識別[M]. 北京：北京理工大學出版社，2001：68-84.