分析如何解決大型電容觸摸屏輸入問(wèn)題

　　移動(dòng)設備生產(chǎn)商希望為消費者提供自然易用的用戶(hù)界面，就好像使用紙和筆一樣方便自如，同時(shí)還要具備電腦的高度靈活性，這樣的高級特性可幫助生產(chǎn)商實(shí)現產(chǎn)品差異化。帶手掌誤動(dòng)作排除功能的小型尖頭無(wú)源手寫(xiě)筆讓制造商能夠提供支持手寫(xiě)、編輯、簽名捕獲、精確導航等各種新應用功能的低成本解決方案。然而，上述功能的實(shí)現也面臨一些挑戰，無(wú)源手寫(xiě)筆的開(kāi)發(fā)人員必須滿(mǎn)足更大型觸摸屏上電容式感應技術(shù)的一系列性能要求。具體來(lái)說(shuō)，需要采用高級算法和感應方法來(lái)檢測手寫(xiě)筆發(fā)出的很小的信號，同時(shí)還要排除用戶(hù)手掌造成的較大的無(wú)用信號。此外，設備還必須能夠動(dòng)態(tài)地在手寫(xiě)筆和多點(diǎn)觸摸輸入之間來(lái)回切換，同時(shí)保持一定的速度、精確度和響應性，從而確保理想的用戶(hù)體驗。

　　隨著(zhù)電容式觸摸屏的尺寸越來(lái)越大，類(lèi)似于紙和筆一樣的使用寫(xiě)入設備變得更加直觀(guān)方便。制造商支持手寫(xiě)筆功能的最常見(jiàn)方法就是采用有源手寫(xiě)筆或無(wú)源手寫(xiě)筆。有源手寫(xiě)筆采用電子組件，需要一個(gè)電源，并向主機設備發(fā)射信號。采用有源手寫(xiě)筆能支持顯示屏上懸停、壓力感應、按鍵支持、擦寫(xiě)等高級特性。無(wú)源手寫(xiě)筆則采用導電性材料，相當于用戶(hù)身體的延伸。用戶(hù)手部的電容耦合支持無(wú)源手寫(xiě)筆觸碰屏幕時(shí)發(fā)送信號，手寫(xiě)筆和主機平臺之間不存在有源通信，因此如何區分手指和無(wú)源手寫(xiě)筆是一個(gè)難題。

　　在許多情況下，如果說(shuō)有源手寫(xiě)筆和無(wú)源手寫(xiě)筆都能實(shí)現相同的特性，則無(wú)需為系統增加額外的成本。有源手寫(xiě)筆額外的組件和電源要求使它很難打開(kāi)銷(xiāo)路，而無(wú)源手寫(xiě)筆的性能較差以及/或頭大笨重則會(huì )帶來(lái)不自然的手寫(xiě)體驗。因此，如果無(wú)源手寫(xiě)筆的筆頭為1到2毫米，用戶(hù)手寫(xiě)時(shí)手掌能擱在屏幕上，同時(shí)保持足夠的速度和準確度，并確保接觸點(diǎn)剛好就是“墨水”的“著(zhù)墨之處”，則可提高無(wú)源手寫(xiě)筆的用戶(hù)體驗。

　　為了創(chuàng )建一款切實(shí)可行的實(shí)現方案，其可同時(shí)支持手指和無(wú)源手寫(xiě)筆操作，必須考慮多種不同的使用情況。例如，開(kāi)發(fā)人員應考慮系統要在檢測手指和手寫(xiě)筆輸入之間的切換速度。同樣，他們還要定義手寫(xiě)筆在手指/手掌之前、之后或者同時(shí)觸摸屏幕時(shí)系統的反應情況。其它重要因素還包括配置手寫(xiě)筆距離手多近時(shí)就不再檢測到手寫(xiě)筆信號。圖1給出了手寫(xiě)筆用例下的狀態(tài)機進(jìn)程實(shí)例。

　　圖1無(wú)源手寫(xiě)筆用例下的狀態(tài)機使用實(shí)例

　　手寫(xiě)筆的悖論

　　無(wú)源手寫(xiě)筆檢測對于觸摸操控工程師而言是一個(gè)復雜的問(wèn)題。問(wèn)題的根源在于“手寫(xiě)筆悖論”。所謂“手寫(xiě)筆悖論”，是指無(wú)源手寫(xiě)筆的信號比正常手指觸摸輸入要小得多，而用戶(hù)則認為手寫(xiě)筆的筆尖這么細，應該比手指更加精確。

　　精確度和線(xiàn)性度與系統的信噪比成正比。由于噪聲底限不會(huì )隨輸入而改變，因此信號減弱會(huì )對信噪比造成較大影響。電容式觸摸屏的信號電平基本取決于觸摸輸入的覆蓋面積。這就是說(shuō)，2毫米無(wú)源手寫(xiě)筆的信號強度比典型的10毫米手指觸摸時(shí)的信號強度小25倍。這種信號強度的差距給觸控工程師造成了許多問(wèn)題。即使在有較大觸摸信號的情況下，固件也必須能檢測到較小的手寫(xiě)筆信號，這往往需要采用不同的傳感器掃描模式，而抗噪性和刷新率都要受到影響。此外，無(wú)源手寫(xiě)筆最適合搭配較大的觸摸板使用，但大型觸摸板本來(lái)就刷新率低，或是要采用較大的間距傳感器，這二者都會(huì )影響系統的性能指標。

　　從根本上說(shuō)，應對信號強度差距需要解決兩個(gè)問(wèn)題。第一，盡管信號強度極低，也必須首先檢測到手寫(xiě)筆。第二，一旦檢測到手寫(xiě)筆，就必須進(jìn)行準確報告。這兩大問(wèn)題各有難點(diǎn)。從概念上講，最合理的手寫(xiě)筆檢測方法是最大限度地提高傳感器信號。一般通過(guò)最大限度地減少傳感器到信號電平（非常接近預期信號電平）的動(dòng)態(tài)范圍，或者甚至通過(guò)采用軟件乘法和濾波等方法，來(lái)解決有關(guān)問(wèn)題。但是，高增益系統通過(guò)正常手指觸摸等較大輸入很容易達到飽和，所以必須認真處理正常觸摸和較小的手寫(xiě)筆信號。一個(gè)常見(jiàn)的方法就是在每個(gè)預期的信號電平進(jìn)行兩次獨立的掃描，從而從手寫(xiě)筆輸入中區分出正常觸摸。

　　觸摸及手寫(xiě)筆簡(jiǎn)介

　　圖2觸摸及手寫(xiě)筆簡(jiǎn)介

　　這種模式切換容易受到錯誤檢測的影響，因此必須過(guò)濾掉錯誤檢測的情況。手指靠近或離開(kāi)觸摸屏就是一個(gè)典型的例子。當手指靠近時(shí)，其信號電平很低（在無(wú)源手寫(xiě)筆區），而離開(kāi)時(shí)信號電平同樣也很低，所以必須采用其它判斷器來(lái)確認任何已檢測到的手寫(xiě)筆輸入。

　　死區的管理

　　檢測到手寫(xiě)筆后，必須準確進(jìn)行報告。與典型的手指觸摸不同，無(wú)源手寫(xiě)筆的尖筆頭使用戶(hù)能夠精確地看到其放置到LCD的確切位置。因此，盡管信噪比顯著(zhù)降低，但用戶(hù)對手寫(xiě)筆操控的精確度卻有著(zhù)更高的預期。此外，線(xiàn)性度也是一個(gè)關(guān)鍵因素，因為手寫(xiě)筆通常用于書(shū)寫(xiě)。

　　無(wú)源手寫(xiě)筆與精確度和線(xiàn)性度相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題就是“死區”。“死區”是指觸摸屏上即使在輸入刺激轉移到新位置時(shí)報告信號電平也不發(fā)生改變的區域。例如，2毫米的無(wú)源手寫(xiě)筆筆尖在觸摸屏上可由典型的5毫米傳感器完全包圍。

　　手寫(xiě)筆筆尖死區

　　圖3手寫(xiě)筆筆尖死區

　　手寫(xiě)筆在傳感器中心位置的微小移動(dòng)很難被檢測到，但對于傳感器而言，輸入通常被量化到元件的中心，因此，當手寫(xiě)筆的移動(dòng)限于傳感器范圍內時(shí)，會(huì )被報告為處于固定位置，這就是所謂的死區。

　　解決此問(wèn)題的一般性方法就是分析所有周?chē)膫鞲衅?，并用其?chuàng )建查找表索引，以此來(lái)校正報告位置，從而更好地掌握筆尖所在的實(shí)際位置。因此，無(wú)源手寫(xiě)筆的精確度和線(xiàn)性度問(wèn)題歸根結底就是要通過(guò)極具創(chuàng )意的方法來(lái)生成上述位置索引，或者設計出更先進(jìn)的查找表，因為死區通常是一個(gè)無(wú)法克服的物理問(wèn)題，因此必須找出適當的校正辦法。

　　觸摸誤動(dòng)作排除的必要性

　　早期無(wú)源手寫(xiě)筆的實(shí)現方案一次僅支持一個(gè)單一的輸入類(lèi)型，正常的手指觸摸享有更高的優(yōu)先級。如果屏幕上出現包括手寫(xiě)時(shí)手握手機或平板電腦的邊緣、或手掌擱在屏幕上等正常的手指觸摸，那么手寫(xiě)筆系統將無(wú)法正常工作。然而，這兩種情況在大屏幕上使用手寫(xiě)筆時(shí)及其常見(jiàn)。為了便于使用，當手寫(xiě)筆在屏幕上工作時(shí)，必須排除這類(lèi)誤觸誤動(dòng)作，從而提高用戶(hù)的滿(mǎn)意度。

　　觸摸屏幕對手寫(xiě)筆性能造成影響的原因同樣取決于信號差距。觸摸屏幕會(huì )導致其信號擴散到多個(gè)傳感器，而外圍傳感器通常在信號電平的手寫(xiě)筆區域。正常觸摸的信號電平要遠遠高于手寫(xiě)筆的信號電平。這就好像在黑暗的房間里有兩只手電筒，一只很亮，一只很暗。手電筒光越強，就越難以看到較暗的手電筒。此外，正常觸摸也會(huì )產(chǎn)生共模噪聲。所以，如果噪聲較大的觸摸和手寫(xiě)筆共享相同的傳感器接收器，那么手寫(xiě)筆的輸入將很難檢測到。

　　這些共模噪聲問(wèn)題是另外一大領(lǐng)域的問(wèn)題。通常情況下，我們可通過(guò)僅掃描所關(guān)心的特定傳感器以隔離無(wú)源手寫(xiě)筆的所需信號來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這時(shí)我們假設最初能檢測到手寫(xiě)筆，并跟蹤手寫(xiě)筆在屏幕上的移動(dòng)，因而使手寫(xiě)筆的第一次觸摸最為薄弱。然而，一旦傳感器子集跟蹤到手寫(xiě)筆，大多數令人煩擾的觸摸問(wèn)題就都能迎刃而解。

　　雖然上述大多數問(wèn)題似乎很難解決，但目前觸摸控制器的發(fā)展使我們擁有的產(chǎn)品不但具備足以檢測小型尖頭無(wú)源手寫(xiě)筆的敏感度、而且還具備過(guò)濾屏幕上噪聲和其它干擾對象的智能功能。從用戶(hù)角度上講，智能觸摸控制器能處理檢測和跟蹤觸摸對象的眾多輸入相關(guān)問(wèn)題。從系統層面上講，成功的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)出相關(guān)應用，讓用戶(hù)能夠更好地在自己的設備上使用、創(chuàng )建和控制程序，從而提高工作效率，帶來(lái)更加自然的操控體驗。