掙脫“二向箔”，三維觸控將帶來(lái)人機交互方式的革新

一方面，PDA的市場(chǎng)規模并不大，另一方面由于觸摸屏的精度有限，大多數PDA用戶(hù)還是更喜歡直接用實(shí)體鍵盤(pán)操作。2004年，任天堂的掌上游戲機NDS在全球熱賣(mài)，其最大的賣(mài)點(diǎn)就是NDS擁有兩塊屏幕并且其中一塊是觸摸屏，于是觸摸屏隨著(zhù)NDS的流行而進(jìn)入了更多人的視野。

不過(guò)，直到那時(shí)候，觸摸屏的使用還是局限于特定的人群。 真正讓觸摸屏走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)還是要歸功于蘋(píng)果的喬幫主。2007年，初代iPhone發(fā)售，它重新定義了智能手機。在iPhone發(fā)售之前，智能手機的定義是“用戶(hù)能夠自主安裝軟件的手機”，而在iPhone發(fā)售之后，智能手機的定義變成了“屏幕可以滑的手機”，觸摸屏對于iPhone來(lái)說(shuō)是標志性不可或缺的模塊。實(shí)際上，在手機上搭載觸摸屏蘋(píng)果并非首創(chuàng )，但是蘋(píng)果iPhone使用觸摸屏完全更新了手機的操作方式，在iPhone中引入了拖曳，縮放等手勢操作，極大地改善了用戶(hù)的操作體驗。隨著(zhù)iPhone銷(xiāo)量節節攀升，三星、HTC等公司也不甘示弱，紛紛推出了搭載觸摸屏且操作方式類(lèi)似iPhone的智能手機。一夜之間，地鐵上再也聽(tīng)不到手機的按鍵聲，因為所有人都開(kāi)始用觸摸屏“滑”手機。

觸摸屏首次出現在PLATO IV計算機中(左上，此后陸續出現在快譯通(右上)，NDS(左下)等設備中，最后蘋(píng)果推出的iPhone(右下)讓觸摸屏真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)

在iPhone推出之后，觸摸屏并沒(méi)有停止更新。

蘋(píng)果iPhone使用的電容屏，極大地提升了操作手感，幾乎使滑手機屏幕變成了一種享受。另一方面，為了使手機變得更輕更薄，屏幕制造技術(shù)也經(jīng)歷了out-of-cell到on-cell直至最薄的in-cell。相對于十年前的觸摸屏，今天的觸摸屏更薄，操作手感更好。

突破二向箔的束縛：三維觸控

然而，人們對觸摸屏交互方法的探索并沒(méi)有到此為止。這里不妨再梳理一下手機與用戶(hù)交互方式的進(jìn)化過(guò)程。

最初，用戶(hù)只能通過(guò)按手機上若干位置固定的按鍵來(lái)操作手機，這種方式可以稱(chēng)作一維的操作方式。在蘋(píng)果引入觸摸屏以及手勢操作后，用戶(hù)可以在手機觸摸屏的二維空間里自由動(dòng)作，因此可以稱(chēng)作二維的操作方式。如果我們的觸摸屏不再進(jìn)化，那么用戶(hù)與手機的交互維度將會(huì )被限制在二維，就像《三體》中被二向箔擊中的文明一樣。

很自然地，我們會(huì )想到：既然人類(lèi)生活在三維的空間里，為什么用戶(hù)與設備的交互只能是在二維空間里呢？有沒(méi)有可能實(shí)現三維的交互方法呢？

要實(shí)現三維交互，就必須能夠實(shí)時(shí)捕捉到用戶(hù)的手在三維空間中的坐標，并且根據用戶(hù)手的三維坐標（及其變化）做出相應回應。

幸運的是，科學(xué)家和工程師們已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)三維觸控來(lái)實(shí)現超越二維的人機交互。在具體地分析技術(shù)之前，我們不妨先來(lái)展望一下三維人機交互方法都能帶來(lái)哪些革命性的應用？

1、游戲（含VR）

說(shuō)到三維觸控，大家首先想到的就是在游戲中的應用。確實(shí)，游戲是所有應用中對于交互方式要求最高的。使用與游戲相配合的專(zhuān)用交互設備，玩家才能完全體會(huì )到游戲的魅力（不信你用鍵盤(pán)玩賽車(chē)游戲試試），這也是為什么一些游戲需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)用外設（如早年《熱舞革命》的跳舞毯，《吉他英雄》的吉他，各類(lèi)賽車(chē)游戲的方向盤(pán)等等）。

當觸摸屏在手機上剛普及時(shí)，《憤怒的小鳥(niǎo)》，《水果忍者》等一批完美利用觸摸屏交互特性的游戲也獲得了大家的青睞。當觸摸屏可以捕捉到人手在三維中的動(dòng)作時(shí)，在游戲中可以實(shí)現許多新的玩法。一個(gè)非常有潛力的方向就是和VR技術(shù)結合，例如類(lèi)似《水果忍者》的游戲可以在三維空間內通過(guò)玩家的手勢進(jìn)行，《街頭霸王》等格斗游戲的出招可以由玩家的真實(shí)手勢觸發(fā)，從而使玩家的代入感大大增加。

3D觸屏結合VR技術(shù)可以極大地增加游戲可玩性

2、增強現實(shí)(Augmented Reality, AR)

三維觸摸屏很有潛力成為AR應用中人機交互的基礎技術(shù)。

在A(yíng)R技術(shù)中，用戶(hù)佩戴的專(zhuān)用眼鏡作為顯示屏，通過(guò)計算機視覺(jué)技術(shù)將AR的圖像界面與現實(shí)世界有機地結合在一起并投射到用戶(hù)眼睛的視網(wǎng)膜上。當用戶(hù)的手做出動(dòng)作時(shí)，AR設備必須能準確地捕捉到手的實(shí)時(shí)位置并根據用戶(hù)手的動(dòng)作做出相應反應。三維觸摸屏正是能夠捕捉到手的精確位置，從而成為AR人機交互的基礎技術(shù)。在A(yíng)R技術(shù)普及后，不僅僅手機、電腦會(huì )用到三維觸摸屏，甚至日常家具（如桌子，櫥柜）的表面都可能需要支持三維觸摸技術(shù)，從而讓用戶(hù)隨時(shí)隨地能使用AR。

增強現實(shí)將計算機圖像與現實(shí)結合在一起（左），AR與用戶(hù)交互方式需要能精確地捕捉用戶(hù)手的三維位置（右）

三維觸摸屏候選技術(shù)

目前三維觸摸屏技術(shù)尚處于探索階段?，F在最有希望商用的三維觸摸屏技術(shù)有兩種，一種基于毫米波雷達，另一種基于電容感應。

基于毫米波雷達技術(shù)的三維觸摸技術(shù)以Google的Project Soli為代表。今年五月份，Google正式發(fā)布了代號為Project Soli的三維觸控模組。

那么，Project Soli的毫米波雷達是如何實(shí)現三維觸控的呢？首先我們要清楚雷達的原理。

大家一定都看到過(guò)探照燈：在漆黑的天空中，探照燈的光束方向上的物體位置可以被看得一清二楚。探照燈通過(guò)不停地旋轉改變光束照射方向，于是整個(gè)天空中所有方向上物體的位置就可以被一一探知。雷達也是一樣，不過(guò)雷達發(fā)射的不是肉眼可以看到的光束，而是電磁波波束，并通過(guò)檢測電路來(lái)探知波束方向上物體的位置。很顯然，雷達也可以用在三維觸控上：手就是需要檢測的物體，通過(guò)雷達我們可以實(shí)時(shí)監控手在空間中的位置并讓設備做出相應反應從而實(shí)現三維的人機交互，這也是Project Soli的原理。

探照燈通過(guò)改變光束方向來(lái)探測目標（左上），雷達通過(guò)改變波束方向來(lái)掃描目標（右上），Project Soli利用和雷達原理來(lái)探測手的位置從而實(shí)現三維觸控（下）

那么什么是毫米波雷達呢？

它與電視里出現的那種巨大的雷達有什么區別呢？原來(lái)，雷達的分辨率和它發(fā)射電磁波的波長(cháng)有關(guān)，發(fā)射的電磁波波長(cháng)越短則分辨率越好，也即對物體探測位置越精確。但是，電磁波波長(cháng)越短則在空氣中的衰減會(huì )越大，因此如果物體距離雷達很遠就會(huì )檢測不到。

因此物體探測精度和探測距離是一對矛盾。

傳統軍用和警用雷達使用的是微波波段，因為傳統雷達需要檢測的物體通常尺寸很大，微波波段能做到大約10cm級別的分辨精度已經(jīng)很夠用了，一方面傳統雷達需要有足夠的探測距離才能滿(mǎn)足使用需求。然而，10cm級別的分辨精度對于三維觸控來(lái)說(shuō)完全不夠用。

另一方面，三維觸控所需要檢測的距離很短，通常手距離觸摸屏的距離不會(huì )超過(guò)20cm。

最后，三維觸控模組的體積必須足夠小。

因此，Project Soli使用了波長(cháng)為毫米數量級的毫米波雷達，理論上可以實(shí)現毫米級別的分辨精度。該雷達可以集成到硬幣大小的芯片中，從而可以安裝在各類(lèi)設備上。

下圖是Project Soli使用的毫米波雷達傳感芯片。

芯片大小約為8mm x 10mm，上面白色的小點(diǎn)應當是用來(lái)把芯片固定到主板上的焊錫球（bump）。芯片上還有天線(xiàn)陣列（綠色框內）用來(lái)實(shí)現波束成型。根據天線(xiàn)的大小我們可以估計出Project Soli使用的毫米波雷達波長(cháng)大約在2mm-5mm之間。

毫米波雷達用來(lái)實(shí)現三維觸控可以達到很高的精度。然而，它的劣勢在于功耗太大。目前即使最領(lǐng)先的毫米波雷達芯片也至少需要100mW以上的功耗，因此用在移動(dòng)設備上會(huì )導致電池很快就用完了。這樣一來(lái)，毫米波雷達觸控比較適合使用在電源不是問(wèn)題的設備上，例如大型游戲機或者電視機上的三維觸控。

另一種非常有前景的三維觸控技術(shù)是電容感應技術(shù)。毫米波雷達技術(shù)利用的是動(dòng)態(tài)電磁波，而電容感應技術(shù)利用的是靜電場(chǎng)。電容感應型三維觸控技術(shù)是目前電容觸摸屏的增強版：電容觸摸屏可以感應到與屏幕接觸的手的位置，而電容感應式三維觸控技術(shù)則增強了感應范圍，在手尚未接觸到屏幕時(shí)就能感應到手在空間中的三維位置，從而實(shí)現三維觸控。

為了理解電容感應式三維觸控的原理，我們不妨想象有許多熱傳感器組成的陣列，而傳感器陣列上方有一個(gè)火苗（熱源）。根據傳感器的相對溫度分布（即哪里溫度比較高，哪里溫度比較低）我們可以知道火苗在哪一個(gè)傳感器上方（即火苗的二維位置），根據傳感器的絕對溫度（即傳感器探測到的絕對溫度有多高）我們可以知道火苗離傳感器有多遠（即火苗在空間中第三維的位置）。結合這兩條信息我們可以得到火苗在空間中的三維位置。

熱傳感器陣列可以通過(guò)相對溫度分布和絕對溫度來(lái)判斷火苗在三維空間中的位置

電容傳感式三維觸控的原理也是這樣，只不過(guò)這里探測的不是火苗帶來(lái)的溫度改變而是手指帶來(lái)的靜電場(chǎng)改變。通過(guò)探測哪一個(gè)電容傳感器探測到的靜電場(chǎng)改變最大我們可以感應到手指的二維位置，而通過(guò)電容傳感器探測到靜電場(chǎng)改變的絕對強度我們可以感應到手指的第三維坐標，從而實(shí)現三維觸控。

電容傳感式三維觸控的優(yōu)勢在于傳感器的功耗可以遠遠小于毫米波雷達（大約僅僅是毫米波雷達的十分之一甚至更?。?，因此可以安裝在對功耗比較敏感的移動(dòng)設備上。但是電容傳感也有自己的問(wèn)題需要解決，就是傳感器之間的互相干擾。我們同樣拿熱傳感器感應火苗位置來(lái)作類(lèi)比?，F在我們假設除了火苗會(huì )發(fā)熱以外，熱傳感器自己也會(huì )發(fā)熱。這樣一來(lái)，如果火苗離熱傳感器距離較遠，那么它帶來(lái)的溫度變化相對于熱傳感器自己的發(fā)熱可能微不足道，從而熱傳感器需要相當高的探測精度才能根據溫度變化檢測到火苗的位置。

電容傳感式三維觸控也是如此：電容傳感器之間的電場(chǎng)會(huì )互相耦合形成很大的電容，因此手指造成的靜電場(chǎng)變化需要精度非常高的探測器才能檢測到。好在隨著(zhù)電路技術(shù)的發(fā)展，即使微小的變化可以由高精度模擬放大器檢測到，因此電容傳感式三維觸控在未來(lái)的前景非常光明。

目前在電容傳感式三維觸控已經(jīng)出現在微軟的pre-touch screen demo中，該demo可以實(shí)現離屏幕較近距離（1-2cm）的三維觸控。

另一方面，不少頂尖高校的實(shí)驗室也展示了基于電容傳感原理的三維觸控模塊。

例如，普林斯頓大學(xué)由Naveen Verma教授領(lǐng)銜的團隊成功地展示了基于薄膜電子的三維觸控(目前成立了SpaceTouch公司)，有機會(huì )可以用在未來(lái)可彎曲屏幕上。

此外，UCLA由Frank Chang教授和Li Du博士帶領(lǐng)的Airtouch團隊使用傳統低成本CMOS工藝制作的芯片配合普通手機觸摸屏已經(jīng)可以實(shí)現距離屏幕10cm范圍內的三維觸控。該芯片最初于2015年在國際固態(tài)半導體會(huì )議上發(fā)表（ISSCC，全球芯片領(lǐng)域最高規格的會(huì )議，號稱(chēng)芯片界的奧林匹克盛會(huì )），之后團隊又乘熱打鐵將深度學(xué)習與三維觸控芯片結合在一起用于高精度三維手勢識別，并應邀在2016年的自動(dòng)設計會(huì )議（DAC，全球電子設計領(lǐng)域最高規格的會(huì )議之一）發(fā)表了最新成果。

Airtouch芯片功耗僅2 mW（遠遠小于Google的毫米波雷達觸控方案），且與普通觸摸屏兼容，將來(lái)可以廣泛地應用于手機等移動(dòng)設備的三維觸控。

結語(yǔ)

觸控技術(shù)經(jīng)歷數十年的發(fā)展，到今天已經(jīng)能夠超越傳統二維觸控而進(jìn)入三維觸控領(lǐng)域了。三維觸控會(huì )帶來(lái)人機交互方式的革新，可以用于游戲、AR/VR等等應用中。目前較有希望商用的三維觸控方案包括毫米波雷達（Google Project Soli為代表）和電容感應（UCLA Airtouch為代表）。我們可望在不久的將來(lái)就看到三維觸控走入千家萬(wàn)戶(hù)，成為人機交互的基本方式。