多点触摸屏工程应用技巧

目前触摸屏主要分为3大类：单点触摸、多点触摸识别手指方向、多点触摸识别手指位置。触摸屏的功能发展由简到繁，最初的产品只支持最简单的操控，即在触摸屏上只能单一手指一点来实现操控。如超市中的POS终端机，或机场check-in终端。单点触摸屏实现了人机交互的一大进步，图1-7所示的单点触摸屏在显示屏幕上直接整合了使用者控制接口，因此再也不需要传统的机械按钮。

单点触摸屏技术为使用控制接口带来两大优势，一是设备设计空间得到最佳化，特别有利于小型设备，因其能在同一区域内同时安装屏幕和按钮；二是由于按钮能整合在操作系统中的任何一种应用程序中，所以设备使用的按钮可达到无限多个。

单点触摸屏技术有两大缺点，一是电阻式触摸屏技术依赖于触摸屏的物理运动，尽管影响不大，但经过正常的磨损老化后，性能就会下降；二是这种技术只支持单点触摸，也就是一次只能用一个手指在屏幕的某个区域做单一动作。

要想充分发挥应用和操作系统的功能，需要多个手指才能实现最佳的可用性。多点触摸系统就是运用多个手指进行触摸式的操控方式，就像演奏乐器或者是其他双手操作一样。除此之外，这项系统技术还能够在同一时间允许多个用户进行互连通信，如互动式的电视墙，或者是直接对计算机进行操控的动作，采用这项感官技术（严格来说就是一项感觉驱动技术）可提供高解析度，运用双手在复杂的多点视窗进行操作。

图1-7 单点触摸屏功能

多点触摸屏技术的应用越来越广泛，现在的手机等个人电子产品几乎都采用触摸屏技术，而且很多大型医院或者商场、图书馆等场所都有多点触摸屏技术的查询机或者其他形式的触摸屏产品。多点触摸亦称多重触摸、多点感应、多重感应等，该系统是采用人机交互技术与硬件设备共同实现的技术，能在没有传统输入设备（如鼠标、键盘等）下进行人与计算机的交互操作，或者说是将输入和输出设备结合到一起，所有的输入、输出操作都在显示器上进行。与单点触摸屏技术相比，多点触摸技术能够实现在一个触摸屏（屏幕，桌面，墙壁等）上，同时接受多个点的输入信息。

主流的触摸屏分为电阻式触摸屏、表面电容式触摸屏、发射电容式触摸屏、表面声波式触摸屏、红外式触摸屏等。其中，红外式和发射电容式触摸屏能够支持多点触摸，前者由于尺寸限制和线性度不高，尚不能满足消费类产品的要求，而发射电容式触摸屏因其相对可接受的成本以及良好的线性度和可操作性，是目前主流的多点触摸屏技术。

多点触摸的定义来自应用，即利用多个点同时作用在平面上完成某个特定的操作，比如缩放。但是，为了实现多点触摸，当一个以上的手指作用在触摸屏上时，控制器不需要知道每个手指的具体位置。在技术实现的角度上来讲，多点触摸可被进一步区分为多点检测和多点解析。所谓多点检测，是指能够检测到有多个点被触摸到，但不一定需要知道每一个点的确切位置。但多点解析则不仅能检测到多点触摸，还可以比较精确地知道每个点的确切位置。目前多点触摸应用，体现为对用户手势的识别从而产生相应的动作，多点检测即可以支持足够多的手势输入。当然，多点解析可以识别更多的手势，在应用设计中也具有更高的灵活性，但是它需要付出比前者更高的成本。多点触摸系统的特点如下：

1）多点触摸是在同一显示界面上的多点或多用户的交互操作模式，摒弃了键盘、鼠标的单点操作方式。

2）用户可通过双手进行单点触摸以及单击、双击、平移、按压、滚动以及旋转等不同手势触摸，实现随心所欲操控。

3）可根据用户需求，定制的触摸板、触摸软件以及多媒体系统，可以与专业图形软件配合使用。

1.多点触摸屏技术实现

多点触摸顾名思义就是能识别到两个以上手指的触摸，多点触摸屏技术目前有两种：Multi-TouchGesture和Multi-TouchAll-Point。通俗地讲，就是多点触摸识别手指方向和多点触摸识别手指位置。

多点触摸在实际应用中被分为两个层面，其一是主控芯片能够同时采集多点信号，其二是能够判断每路手指触摸信号的意义，换句话说就是能够为用户提供手势识别功能。在已上市产品中，苹果公司的iPhone以及Mac Book笔记本电脑都能够基本达到这种应用目的，但是目前iPhone仅能允许2个手指同时作用来完成旋转、缩放等功能，即双重触摸。而微软公司的Surface Computer能够同时对多个触摸产生反应。

相比传统的单点触摸屏仅有（4针或5针）少量几根信号线而言，多点触摸屏在导电层上划分出了许多独立的触摸单元，而每个单元通过独立的引线连接到外部电路。由于所有的触摸单元呈矩阵形排布，所以无论用户手指触摸到哪一个部分，系统都能够对相应手指动作产生反应。

由于多点触摸屏技术使显示与输入技术进一步集成，减弱了鼠标、键盘等输入的硬件设备功能，而鼠标、键盘等将会逐步退出市场，计算机硬件的集成度会越来越高，使用起来也会更加方便。多点触摸屏技术分为很多种，以下4种较为成熟。

1）LLP（Laser Light Plane）技术，现在途拓科技公司的大部分产品都是采用该技术，主要运用红外激光设备把红外线投影到屏幕上。当屏幕被阻挡时，红外线便会反射，而屏幕下的摄影机则会捕捉反射去向。再经系统分析，便可作出反应。

2）FTIR（Frustrated Total Internal Reflection）技术，它会在屏幕的夹层中加入LED光线，当用户按下屏幕时，便会使夹层的光线造成不同的反射效果，感应器接收光线变化而捕捉用户的施力点，从而作出反应。

3）Tought Light技术，由微软公司开发，原理与Microsoft Surface相似。

4）Optical Touch技术，它在屏幕顶部的两端，分别设有一个镜头，来接收用户的手势改变和触摸的位置。经计算后转为坐标，再做出反应。

2.多点触摸屏技术的发展历程

多点触摸屏技术可以追溯到1982年，多伦多大学开发出第一个手指压力多媒体触摸显示屏。同年，贝尔实验室和MurrayHill发表了第一篇论文讨论触摸屏界面。

1984年贝尔实验室设计的触摸屏，可以操控图像。同年，微软公司开始研究该领域。贝尔实验室研制出一种能够以多于一只手控制改变画面的触摸屏。同时多伦多大学的一组开发人员终止了相关硬件技术的研发，把研发方向转移至软件及界面上，期望能接续贝尔实验室的研发工作。

一项重大的突破发生在1991年，Pierre Wellner发表了一份文件，其中他提出对多点触摸“数码服务台”，即支持多手指。研制出一种名为数码桌面的触摸屏技术，容许使用者同时以多个手指触摸及拉动触摸屏内的影像。(www.xing528.com)

1999年，Finger works的纽瓦克公司的经营者特拉华大学学者约翰埃利亚斯和鲁尼韦斯特曼，生产出的多点触摸屏产品包括iGesture板和多点触摸键盘。经过多年维持专利的iGesture板和多点触摸键盘，终于在2005年，被苹果计算机公司（现已改称苹果公司）收购。

2006年在Siggraph大会上，纽约大学的Jefferson YHan教授演示了他的最新成果，其领导研发的新型触摸屏可由双手同时操作，并且支持多人同时操作。利用该技术，Jefferson YHan在36in×27in的屏幕上，同时利用多只手指（拇指似乎还无法感应到）在屏幕上画出了好几根线条。与普通的触摸屏技术所不同的是，它同时可以有多个触摸点得到响应，而且响应时间非常短，小于0.1s。

2007年，苹果公司及微软公司分别发表了应用多点触摸屏技术的产品及计划（iPhone及表面计算机），令这项技术开始进入主流应用。特别是iPhone，应用这种输入界面让使用者能大大扩大可操纵的比例，引起大众对使用多点触摸计算机的兴趣。

3.识别手指方向

要想充分发挥应用和操作系统的功能，也需要多个手指才能实现最佳的可用性。在iPhone问世后，使用者现在已经很难设想过去是如何在不支持两个手指的手势动作情况下，完成如图1-8所示的照片缩放，以及相册、网页视图方位改变等相关操作。

图1-8 多点触摸屏上的图片缩放

与单点触摸屏一样，识别手指方向的多点触摸屏也有一个局限，就是该技术能在屏幕上同时识别的操作点数量有限。当用户与触摸屏之间彼此互动时，屏幕上会出现更多的手指。这就是识别手指位置的多点触摸概念的由来，它可以实现两个以上手指的操控。

Cypress公司将此技术称为“多点触摸全区输入”，它进一步提升了触摸屏可靠性和可用性，能满足多种特性丰富的应用需求。可靠性是指以高准确率捕获到屏幕上所有触摸的原始数据，尽可能减少因屏幕触摸定位不准而带来的混乱问题。可用性是指众多功能的应用可在不同大小的屏幕上受益于双手或两个以上手指的屏幕操控能力。3D互动游戏、键盘输入和地图操作等都是使用这种触摸屏功能的一些主要对象。

从根本上来讲，多点触摸全区输入技术为设备和系统代工生产厂商提供了所有触摸数据，帮助它们发挥创造性，以开发下一代新型实用技术。

Cypress公司推出的True Touch触摸屏解决方案就是多点触摸全区输入的一个应用实例，True Touch采用了赛普拉斯PSoC可编程片上系统结构，该结构集成了带有可编程模拟和数字块的8位微控制器，可实现灵活性和可配置性。True Touch解决方案的发射电容式触摸屏控制器能扩展支持各种尺寸的屏幕，可灵活支持单点触摸屏、识别手指方向的多点触摸屏和识别手指位置的多点触摸屏技术。True Touch可高度集成外部元件，而且特别适合与各种触摸屏感应器或LCD显示屏协同工作。灵活的PSoC结构使设计人员能够在产品设计的最后阶段方便地进行修改，而这是其他触摸屏产品无法做到的。

目前在多种设备系统上继续沿用这种多点触摸屏技术，其中包括Blackberry Storm智能电话、Mac Book Pro和惠普touchsmart桌上型计算机和笔记本电脑、可携式媒体播放器以及其他多种应用等。现在，使用者又有了新的期待，希望进一步改善使用者与其电子产品的互动方式，各种电子产品也纷纷实现使用者的这种新要求。

现在看到最多的是Multi-Touch-Gesture，即两个手指触摸时，可以识别到这两个手指的运动方向，但还不能判断出具体位置，可以进行缩放、平移、旋转等操作。这种多点触摸的实现方式比较简单，轴坐标方式即可实现。把ITO分为X、Y轴，可以感应到两个触摸操作，但是感应到触摸和检测到触摸的具体位置是两个概念。X、Y轴方式的触摸屏可以检测到第2个触摸，但是无法了解第2个触摸的确切位置。单一触摸在每个轴上产生一个单一的最大值，从而断定触摸的位置，如果有第2个手指触摸屏面，在每个轴上就会有两个最大值。这两个最大值可以由两组不同的触摸来产生，于是系统就无法准确判断了。有的系统引入时序来进行判断，假设两个手指不是同时放上去的，但是总有同时触碰的情况，这时系统就无法判断，把并不是真正触摸的点叫做“鬼点”，如图1-9所示。

图1-9 鬼点（无法分辨黑点还是白点为真正的触摸）

4.识别手指位置

可以识别手指位置的多点触摸屏如图1-10所示，Multi-TouchAll-Point可以识别到触摸点的具体位置，即没有“鬼点”现象。多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，可以检测到双手10个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以，它是最人性化的人机接口方式，很适合多手指同时操作的应用，比如游戏控制。Multi-TouchAll-Point的扫描方式是每行和每列交叉点都需单独扫描检测，扫描次数是行数和列数的乘积。例如，由一个10根行线、15根列线所构成的触摸屏，使用Multi-Touch-Gesture的轴坐标方式，需要扫描的次数为25次，而多点触摸识别位置方式则需要150次。

Multi-TouchAll-Point基于互电容的检测方式，而不是自电容，自电容检测的是每个感应单元的电容（也就是寄生电容C_p）的变化，有手指存在时寄生电容会增加，从而判断有触摸存在，而互电容是检测行列交叉处的互电容（也就是耦合电容C_m）的变化，如图1-11所示，当行列交叉通过时，行列之间会产生互电容（包括行列感应单元之间的边缘电容，行列交叉重叠处产生的耦合电容），有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点位置。

图1-10 可以识别手指位置的多点触摸屏

图1-11 互电容检测方式

单点电容式触摸屏只采用单层的ITO，当手指触摸屏幕表面时，就会有一定量的电荷转移到人体。为了恢复这些电荷损失，电荷从屏幕的四角补充进来，各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例，可以由此推算出触摸点的位置。单点电容式触摸屏一次只能判断一个触摸点，若同时有两个以上的点被触碰，就不能做出正确反应，或者说反应混乱了。而多点触摸的任务可以分解为两个方面的工作，一是同时采集多点信号，二是对每路信号的意义进行判断，也就是所谓的手势识别。与只能接受单点输入的触摸屏技术相比，多点触摸屏技术允许用户在多个地方同时触摸屏幕，以便能够对网页或图片进行伸缩和旋转等操作。