手持裝置多點(diǎn)觸控技術(shù)的實(shí)現

　　在電子產(chǎn)品市場(chǎng)上，不斷有新鮮事發(fā)生的，正是手持產(chǎn)品領(lǐng)域。在不久前，大家的注意力還集中在手持產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)通信功能，從2G、3G到3.5G，以及與藍牙、Wi-Fi等技術(shù)的整合，并期待下一波加入移動(dòng)電視(DVB-H、T-DMB技術(shù))或LBS位置服務(wù)(A-GPS技術(shù))的新興應用。不過(guò)，現在大家又開(kāi)始將焦點(diǎn)轉移到操作接口上的創(chuàng )新經(jīng)驗開(kāi)發(fā)，這就得導入新的接口控制技術(shù)。

　　這波界面革命風(fēng)潮的始作俑者，正是iPhone。為何iPhone會(huì )一炮而紅呢？若細看其技術(shù)規格，其實(shí)和目前市場(chǎng)上其它的智能型手機并沒(méi)有太大的差異，在通信上的支持甚至略遜一籌(只支持GSM 850/900/1800/1900)，但一推出仍然讓市場(chǎng)為之轟動(dòng)，其主要賣(mài)點(diǎn)正在于其創(chuàng )新的接口操作功能。iPhone實(shí)現了幾乎不用使用按鍵的創(chuàng )新接口，以觸控方式達成用3.5英寸的大屏幕瀏覽和執行的目的，而在其背后的關(guān)鍵技術(shù)正是多點(diǎn)觸控(Multi-touch)面板技術(shù)。以下將探討這項技術(shù)的優(yōu)勢與設計難度所在。

　　主要觸控面板技術(shù)

　　目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的觸控面板技術(shù)大致包括表面聲波式( SAW)、光學(xué)式(Infrared)、電阻式、表面電容式(Surface Capacitive)和投射電容式(Projective Capacitive)等五種，說(shuō)明如下：

　　表面聲波式(SAW)

　　表面聲波觸控面板在玻璃上安裝傳送轉換器和反射板、接收轉換器，以及控制器等組件，在玻璃表面并沒(méi)有涂上其它的涂料層。其工作原理是表面聲波會(huì )在玻璃上傳送，當其表面被接觸時(shí)，接觸物會(huì )吸收超音波而造成衰減，經(jīng)由控制器比對使用前后的衰減量并計算后得出精確位置。

　　它的優(yōu)點(diǎn)是因采用純玻璃做為感測面板，因此耐用度極高，影像質(zhì)量也極佳；能使用各種軟性的筆尖來(lái)做觸控；透過(guò)校正能保持其穩定性。其缺點(diǎn)則包括當有水在表面流動(dòng)時(shí)，會(huì )造成系統的誤判；在裝置安裝上也有相當的難度。SAW一般應用在Kiosk或自動(dòng)售票機上。
光學(xué)式

　　光學(xué)式觸控面板是由玻璃基板、紅外線(xiàn)發(fā)射源、紅外線(xiàn)接收器等組件所組成，其原理是利用光源接收遮斷來(lái)確定位置。和SAW相似的是，光學(xué)式因采用純玻璃來(lái)濾波，因此能得到極佳的影像質(zhì)量及耐用性；它也能使用各種筆尖。它的缺點(diǎn)是在設計上必須考慮光電組件的高度和邊緣的寬度；此外，由于使用的組件較貴，相對成本也會(huì )比較高。一般應用在A(yíng)TM、OA事務(wù)機、醫療器材的使用上。

　　電阻式

　　電阻式因在技術(shù)上已發(fā)展的相當成熟，因此仍是現在手持式設備使用觸控面板時(shí)的主流技術(shù)。電阻觸控式屏幕可分為四線(xiàn)、五線(xiàn)、七線(xiàn)或八線(xiàn)等幾種形式，最常見(jiàn)的是四線(xiàn)架構。四線(xiàn)電阻觸控式屏幕面板的結構從上到下依次是可撓性矩形頂層、透明的導體覆蓋層(導體覆蓋材料通常由ITO組成)、空氣間隙和隔離層、另一個(gè)透明的ITO層，最后是一個(gè)穩定層的玻璃基板。當觸控筆或手指接觸面板表面時(shí)，所施的壓力會(huì )讓兩個(gè)ITO層相觸，由于其中一層ITO會(huì )供電，另一層ITO層可用來(lái)檢測觸控筆的位置。

　　就成本而言，電阻式觸控屏幕可說(shuō)是在所有觸控技術(shù)中最具優(yōu)勢的，其中又以四線(xiàn)式成本最低。不過(guò)，由于必須透過(guò)不斷對表面施壓來(lái)確定位置，電阻式使用久了容易造成表面磨損，以四線(xiàn)式來(lái)說(shuō)，其使用壽命大約為一百萬(wàn)次。此外，其透光率較差，平均約在80~85%左右。

　　表面電容式

　　表面電容式的技術(shù)作法與電阻式相當類(lèi)似，設計上較簡(jiǎn)單，成本也很便宜。在其玻璃面板上會(huì )涂上一層ITO(或TAO)導電層，并會(huì )在面板的四個(gè)角持續發(fā)出AC訊號，當面板被手指觸控時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)的變化，此時(shí)控制器會(huì )測量四角的電流變化，進(jìn)而能計算出觸控的位置。
表面電容式的優(yōu)點(diǎn)是只需輕輕碰觸即可定位，而且能分辨拖拉(drag)模式的操作。它的缺點(diǎn)是當表面涂料層被括傷時(shí)，會(huì )影響校正的正確性；在系統建置上，觸控面板必須完全與任何金屬物進(jìn)行隔絕，才不會(huì )造成干擾；此外，它只能以手指來(lái)進(jìn)行觸控，這是很大的限制。

　　c的實(shí)現

　　今日的手機及其它手持設備廠(chǎng)商，都想做出和iPhone相似的多點(diǎn)觸控式設備，但上述的觸控技術(shù)都力有未逮。光學(xué)式的觸控技術(shù)雖也有能力做到多點(diǎn)觸控，但基于成本及機構問(wèn)題，并不適合用于手持式的設備上。因此，目前要實(shí)現手持設備的多點(diǎn)觸控，也就是讓用戶(hù)能以手指的點(diǎn)壓、拖拉來(lái)操控畫(huà)面，甚至能透過(guò)兩指的開(kāi)合動(dòng)作來(lái)縮放畫(huà)面，唯有實(shí)行投影電容式觸控技術(shù)。

　　多點(diǎn)觸控技術(shù)其實(shí)并非一項新鮮的發(fā)明，其實(shí)早在1992年時(shí)即已被IBM和Bell South提出，而且陸續有許多可行的技術(shù)出現，但當這些技術(shù)被推往手機等手持設備市場(chǎng)時(shí)，業(yè)者大多認為這不是一個(gè)吸引人的應用方式，還是偏好鍵盤(pán)或使用Stylus筆尖觸控的輸入模式。然而，iPhone的上市，一下子將這些看法都推翻掉，業(yè)者才發(fā)現原來(lái)消費者很能接受用自己手指來(lái)點(diǎn)選控制的這種接口。

　　其實(shí)我們生來(lái)習慣使用我們的十指來(lái)做各種動(dòng)作，而當手機中的功能愈來(lái)愈復雜，傳統的接口只會(huì )埋沒(méi)這些功能，因而發(fā)展到可攜式接口不得不進(jìn)行革命的階段。這時(shí)，多點(diǎn)觸控的出現即為市場(chǎng)點(diǎn)亮一盞明燈。不過(guò)，iPhone推出已有一段時(shí)間，但仍未見(jiàn)到市場(chǎng)上接二連三的相似概念產(chǎn)品出現，可見(jiàn)得在技術(shù)的實(shí)踐上確實(shí)存在著(zhù)一道頗高的門(mén)坎。

　　投影電容式觸控技術(shù)在市場(chǎng)上仍屬于相當先進(jìn)且復雜的技術(shù)，其實(shí)現方式頗多，但要做到多點(diǎn)觸控，基本上都得采用矩陣感測的觸控面板，才能偵測出不同軸向的多點(diǎn)觸擊。這類(lèi)面板的感測元素通常由多行(column)和多列(row)的矩陣(Matrix)掃描模式來(lái)組成，當要達到兩點(diǎn)以上的觸擊辨識能力時(shí)，甚至得采用三到四個(gè)軸向的感測元素。

　　在說(shuō)明投影電容式技術(shù)之前，必須了解多點(diǎn)觸控判定的兩種基本型式，即多點(diǎn)偵測(Multi-Touch Detect)和多點(diǎn)解析(Multi-Touch Resolve)。這兩者的技術(shù)差異甚大，前者只需偵測出多點(diǎn)觸控的動(dòng)作，如用兩指做放大或縮小的動(dòng)作，并不需找到兩點(diǎn)的正確位置；多點(diǎn)解析則需偵測出每個(gè)觸控點(diǎn)的正確位置，在實(shí)踐的難度上高出許多。

　　投影電容式技術(shù)又可分為軸交錯式(Axis Intersect)和所有觸點(diǎn)可定位式(All Points Addressable, APA)兩種感測屏幕，說(shuō)明如下：

　　軸交錯式屏幕

　　在軸交錯式觸控面板中，控制器會(huì )分別掃描水平軸與垂直軸，以偵測是否有觸控，其位置則是兩軸交會(huì )處。以此方式來(lái)進(jìn)行感測，只能正確判讀一點(diǎn)觸控點(diǎn)的位置；當兩點(diǎn)觸控時(shí)，就會(huì )出現另外兩個(gè)Ghost的假性觸控點(diǎn)，系統并無(wú)法進(jìn)行正確的判讀，但仍能分辨出兩點(diǎn)觸控的姿態(tài)。

　　APA屏幕

　　APA屏幕又可分為單層的獨立矩陣感測元素(Independent-matrix sense elements)和雙層的行列交錯矩陣感測元素(Intersection-matrix of row and column sense elements)兩種。獨立矩陣式的布線(xiàn)最為復雜，其每個(gè)感測元素都必須各個(gè)與控制器進(jìn)行聯(lián)機，舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)10 x 10的矩陣，就需要有100條連接到控制器的感測線(xiàn)。因此，這類(lèi)的屏幕會(huì )需要更大、更快和更復雜的處理器來(lái)處理大量的運算，也需要更大容量的RAM內存，此外，掃描的時(shí)間也會(huì )很長(cháng)。

　　交錯矩陣的方式則利用行與列的感測來(lái)解決復雜的繞線(xiàn)問(wèn)題，不過(guò)，由于此方式是逐行和逐列進(jìn)行掃描，其感測上所需的時(shí)間與獨立矩陣式是相同的。

　　若比較軸交錯式和APA，前者所需的運算資源會(huì )少許多，內存不需太小(小于1kB即可)；后者因復雜許多，運算要求也會(huì )非常高，內存要求也很高(需數kB)。兩者都同樣能實(shí)現多點(diǎn)觸控偵測，但軸交錯式較難做到多點(diǎn)解析，除非采用獨特的軟件后處理技術(shù)，相較之下，APA就能做到多點(diǎn)解析的要求(參考表1)。

　　在系統建置上，電容式觸控技術(shù)有一些相同的設計議題，包括環(huán)境影響、自我校正和專(zhuān)利權等問(wèn)題。就環(huán)境因素來(lái)看，EMI是常見(jiàn)的設計挑戰，在訊號復雜的手機中又顯得更為困難；天氣的變化也是不容忽視的因素，不同的溫度、濕度或下雨狀況，都會(huì )影響觸控感測的正確性。此外，由于電容式是使用手指來(lái)觸控，設計者也必須考慮使用者的手指大小，在正確性和分辨率之間取得一個(gè)平衡點(diǎn)。

　　結語(yǔ)

　　由于投影電容式技術(shù)較為復雜，目前市場(chǎng)宣稱(chēng)已掌握此技術(shù)的芯片或模塊廠(chǎng)商還不多，知名者包括Synaptics、Cypress、義隆電子、Quantum等。如前所述，目前真正實(shí)現多點(diǎn)觸控接口的手持設備仍屈指可數，由此可見(jiàn)從掌握技術(shù)到落實(shí)到商業(yè)化的產(chǎn)品上，仍然有一段距離?？梢钥隙ǖ氖?，當下必然有許多廠(chǎng)商著(zhù)手于此類(lèi)設備的開(kāi)發(fā)，但還是有許多設計瓶頸有待突破，如噪聲干擾的防治、觸控面積的最佳化設計、氣候對靈敏度干擾的調校，以及專(zhuān)利權的回避或支付等。

　　看起來(lái)這段學(xué)習門(mén)坎頗高，芯片及系統業(yè)者并無(wú)法準確地設定其新產(chǎn)品上市的時(shí)程。當然，愈早跨越這個(gè)門(mén)坎的公司，愈有機會(huì )嘗到先期市場(chǎng)的利潤甜頭。除了硬件方面的技術(shù)問(wèn)題，軟件也需同步配合，例如Window Mobile顯示的觸控面積太小，目前仍不適合用于電容式的手指觸控模式。

　　此外，軟件也是設備功能差異化的關(guān)鍵，在這方面，控制芯片的廠(chǎng)商已致力于提供各種功能的開(kāi)發(fā)套件，有助于縮短研發(fā)的時(shí)程。就長(cháng)遠來(lái)看，我們仍得觀(guān)察觸控技術(shù)是否會(huì )成為手持設備操控接口的主流技術(shù)。只要市場(chǎng)驅動(dòng)力夠大，多數的技術(shù)問(wèn)題都將會(huì )逐步被解決，少有例外。