觸摸技術(shù)及測(cè)量研究

李 強(qiáng)，吳蔚華，李 默，孫 三

(國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015)

觸摸技術(shù)及測(cè)量研究

李 強(qiáng)，吳蔚華，李 默，孫 三

(國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015)

針對(duì)電容、電阻和紅外觸摸技術(shù)原理進(jìn)行了介紹，分析了不同觸摸技術(shù)的定位原理以及優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同觸摸產(chǎn)品的特性進(jìn)行了探討，從而引出主要觸摸功能的驗(yàn)證方法，以及觸摸性能的測(cè)量方法，最后對(duì)觸摸產(chǎn)品顯示性能的測(cè)量進(jìn)行了探討。

觸摸技術(shù)；測(cè)量；電阻；電容；紅外

在人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，已不再只有鼠標(biāo)、鍵盤的操作，而是以更加人性化和簡(jiǎn)便的形式出現(xiàn)：觸控、聲控和圖像識(shí)別等。觸摸技術(shù)是目前最為主流的多媒體交互技術(shù)，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)、公共信息查詢、多媒體信息系統(tǒng)、醫(yī)療儀器和教育系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域，如手機(jī)、平板PC、廣告屏和交互式一體機(jī)等。不同的產(chǎn)品使用環(huán)境不同，采用的觸摸技術(shù)不同，給使用者帶來不同的感官體驗(yàn)和視覺享受。

具有觸摸功能的顯示設(shè)備就可以稱之為觸摸顯示設(shè)備，簡(jiǎn)而言之，就是將觸摸控件加載在顯示設(shè)備表面，附加觸摸功能。觸摸控件的差異給觸摸技術(shù)帶來本質(zhì)區(qū)別。

1 觸摸技術(shù)及觸摸定位原理

觸摸技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)識(shí)別，與顯示設(shè)備配合使用。觸摸技術(shù)的基礎(chǔ)是觸摸控件，不同的觸摸控件附著在顯示設(shè)備的表面，主要由各類傳感器組成，不同觸摸技術(shù)的傳感器不同，但本質(zhì)都是光電傳感器，觸摸后，觸摸位置的光信號(hào)或電信號(hào)發(fā)生變化，通過傳感器檢測(cè)到觸摸信號(hào)，經(jīng)過處理后，可以得到觸摸坐標(biāo)，將觸摸坐標(biāo)發(fā)送至計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)操作。主流觸摸技術(shù)按工作原理可以分為電阻式、電容式和紅外[1]。

1.1 電阻式觸摸

電阻式觸摸依靠由多層復(fù)合薄膜做成的觸摸屏實(shí)現(xiàn)。電阻式觸摸技術(shù)采用分壓器原理分辨觸摸點(diǎn)位置。如圖1、圖2所示。

圖1 電阻觸摸技術(shù)

圖2 電阻觸摸技術(shù)分壓原理

1.2 電容式觸摸

電容式觸摸屏是一塊4層復(fù)合玻璃屏，如圖3所示。4個(gè)電極在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個(gè)低壓交流電場(chǎng)。當(dāng)觸摸發(fā)生在最外層時(shí)，觸摸物與工作面就會(huì)形成耦合。根據(jù)電容隔直流通交流的特性，當(dāng)高頻電流流過觸摸技術(shù)表面時(shí)，電容相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體，觸摸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很小的電流，并分別從4個(gè)角或者4個(gè)邊上的電極流出。這4個(gè)電流正比于手指到4角的距離，通過分析電流情況即可準(zhǔn)確得到觸摸坐標(biāo)。

圖3 電容觸摸技術(shù)原理

1.3 紅外觸摸技術(shù)

紅外觸摸技術(shù)是通過在橫軸和縱軸上分布的紅外對(duì)管來檢測(cè)定位用戶的觸摸位置。紅外觸摸屏是在顯示設(shè)備表面安裝一個(gè)紅外觸摸框。紅外觸摸框的水平方向和垂直方向分別安裝了紅外發(fā)射管和接收管。一旦發(fā)生觸摸操作，在水平方向或垂直方向的紅外接收管就接收不到發(fā)射管發(fā)射的紅外光，通過計(jì)算被遮擋的紅外管分布情況來判斷觸摸點(diǎn)的位置。

傳統(tǒng)紅外觸摸技術(shù)采用正對(duì)的發(fā)射和接收器件進(jìn)行掃描，可獲得單點(diǎn)坐標(biāo)，但容易產(chǎn)生偽點(diǎn)?，F(xiàn)代紅外觸摸技術(shù)采用光電晶體管，通過增加斜向的發(fā)射和接收器件進(jìn)行掃描，可去除偽點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸。

2 觸摸顯示設(shè)備特性

電阻觸摸屏反應(yīng)靈敏度較高，可使用手指甲或觸控筆等進(jìn)行操作，不怕灰塵、水汽和污垢的影響。但觸摸網(wǎng)格的微小變動(dòng)會(huì)影響觸摸技術(shù)的準(zhǔn)確性，且外層薄膜容易被劃傷。

電容觸摸屏易受外界環(huán)境電場(chǎng)、手指濕潤(rùn)程度、環(huán)境干燥程度的影響，導(dǎo)致觸摸點(diǎn)的“漂移”。其次電容觸摸屏的四層復(fù)合玻璃對(duì)不同波長(zhǎng)光的透光率不均勻，導(dǎo)致色彩失真，且電容觸摸屏存在反光現(xiàn)象。

紅外觸摸屏不怕溫度、濕度、電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，但容易產(chǎn)生偽點(diǎn)。其次，因?yàn)榧t外光譜的波長(zhǎng)與太陽(yáng)輻射的可見光部分有重合，所以易受環(huán)境光干擾。紅外觸摸受技術(shù)影響，易產(chǎn)生延遲，響應(yīng)時(shí)間較慢[2]。

3 觸摸測(cè)量研究

觸摸產(chǎn)品近幾年開始在教育、廣告和消費(fèi)等領(lǐng)域廣泛使用，而國(guó)內(nèi)還沒有發(fā)布國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上，美國(guó)SID標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的Information Display Measurement Standard 1.03[3]版中規(guī)定了觸摸產(chǎn)品的功能和性能測(cè)量方法。2013年，質(zhì)檢中心成立技術(shù)項(xiàng)目組，學(xué)習(xí)掌握觸控產(chǎn)品的原理、優(yōu)缺點(diǎn)，研究觸控產(chǎn)品功能和性能測(cè)量方法。項(xiàng)目組綜合各類主流觸摸技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)，研究了觸摸顯示設(shè)備的測(cè)量方法，并進(jìn)行了一些摸底測(cè)試，主要體現(xiàn)在觸摸功能、性能和光學(xué)測(cè)量3個(gè)方面。

3.1 觸摸功能測(cè)量

觸摸功能測(cè)量的焦點(diǎn)在多點(diǎn)觸控。不同觸摸技術(shù)的多點(diǎn)觸控功能有所差異。電容觸摸可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)畫面的放大、縮小，一般是依靠多點(diǎn)觸控實(shí)現(xiàn)的；紅外觸摸目前可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)書寫，主要應(yīng)用于教育系統(tǒng)，一般要求可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，也可實(shí)現(xiàn)4～6個(gè)點(diǎn)同時(shí)書寫。

防水功能主要考核觸摸產(chǎn)品表面有水滴或水霧時(shí)，能否正常觸摸。觸摸產(chǎn)品在日常使用時(shí)，可能會(huì)遇到手上有水、表面有水或濕度較大的環(huán)境。測(cè)試時(shí)，要模擬這些情況，驗(yàn)證產(chǎn)品能否正常觸摸。

表面污染主要考核觸摸產(chǎn)品表面有異物、污漬和手指印等時(shí)，能否正常觸摸。觸摸產(chǎn)品在日常使用時(shí)，屏幕表面可能會(huì)有灰塵、油漬或手指印等，有時(shí)會(huì)因?yàn)檫@些異物或污染的存在，而明顯影響觸摸效果。測(cè)量時(shí)，要模擬這些情況，驗(yàn)證產(chǎn)品能否正常觸摸。

3.2 觸摸性能測(cè)量

觸摸性能可以直接客觀地反映產(chǎn)品的觸控效果。常見的測(cè)量項(xiàng)目主要包括觸控精度、線性精度、響應(yīng)時(shí)間、觸摸分辨力和觸摸高度等。

1)定位精度

定位精度是考核觸摸產(chǎn)品進(jìn)行觸摸操作時(shí)，觸控點(diǎn)位置的準(zhǔn)確度。測(cè)量時(shí)應(yīng)采用具有固定坐標(biāo)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試圖，如圖4所示。測(cè)試圖中繪制了13個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)在測(cè)試圖中的(x，y)坐標(biāo)是已知的，且每個(gè)測(cè)試區(qū)域的直徑應(yīng)不小于7 mm。測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量和位置可以根據(jù)測(cè)量需求任意設(shè)定，但必須明確(x，y)坐標(biāo)。

圖4 定位精度測(cè)試示意圖

觸摸時(shí)宜采用直徑一定的觸摸筆，在指定位置進(jìn)行觸摸。觸摸后，相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)會(huì)有顯示，可以測(cè)量顯示點(diǎn)與規(guī)定測(cè)試點(diǎn)的距離差。

當(dāng)然這是較為粗略的方法，在測(cè)量中難免會(huì)有誤差。目前大多數(shù)觸摸產(chǎn)品都具有操作系統(tǒng)，如Android系統(tǒng)。如果通過特定軟件，應(yīng)可以讓觸摸產(chǎn)品自動(dòng)識(shí)別觸摸筆觸摸后，顯示的點(diǎn)的實(shí)際的(x，y)坐標(biāo)，從而可以獲得顯示點(diǎn)與規(guī)定測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)距離。此測(cè)量方法也會(huì)因軟件設(shè)計(jì)和編寫的優(yōu)劣而帶來誤差。

項(xiàng)目組對(duì)某款紅外觸摸產(chǎn)品進(jìn)行了摸底測(cè)試。該款產(chǎn)品具有定位指示，但不能顯示具體坐標(biāo)，如圖5所示。從產(chǎn)品的定位軟件可以明顯看出觸摸筆的落點(diǎn)與軟件識(shí)別點(diǎn)是有偏離的。圖6顯示了某個(gè)區(qū)域的測(cè)量結(jié)果。十字交叉點(diǎn)為測(cè)量接觸點(diǎn)，而觸摸筆的落點(diǎn)顯示為紅色。偏離的距離可通過游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量。

圖5 紅外觸摸產(chǎn)品定位軟件

圖6 定位精度測(cè)量結(jié)果

2)線性精度

線性精度是考核觸摸產(chǎn)品在繪制直線時(shí)的線性偏差。使用者在觸摸產(chǎn)品上繪制直線時(shí)，如果繪制動(dòng)作本身是一條直線，但是顯示出來的可能不是一條直線，是曲線。本項(xiàng)目就是測(cè)量顯示出來的線與規(guī)定直線的偏離程度。測(cè)試時(shí)采用具有固定直線的測(cè)試圖，直線應(yīng)覆蓋整個(gè)屏幕區(qū)域，如圖7所示。

圖7 線性精度示意圖

測(cè)量結(jié)果分別如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，水平或垂直方向的直線擬合較好，繪制出的是直線；但在斜向方向上，繪制出的是曲線，與理想直線有一定的偏離。所以線性精度的測(cè)量有意義。

圖8 水平方向的線性精度

圖9 斜向方向的線性精度

3)響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是考核觸摸產(chǎn)品觸摸和最終顯示之間的延遲時(shí)間。因?yàn)楣ぷ髟聿煌?，不同的觸摸產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間是有差異的。項(xiàng)目組針對(duì)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量進(jìn)行了深入研究。之所以會(huì)產(chǎn)生觸摸與顯示之間的延遲，是因?yàn)橛|摸產(chǎn)品在接收到觸摸指令后，會(huì)將信號(hào)發(fā)送給產(chǎn)品的CPU進(jìn)行識(shí)別、處理，再反饋給液晶顯示設(shè)備進(jìn)行顯示，這是需要時(shí)間的，這段時(shí)間就是觸摸產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間。時(shí)間長(zhǎng)的話，人眼可以明顯感受到觸摸筆或手指與繪制點(diǎn)之間的距離差，如圖10所示。

圖10 響應(yīng)時(shí)間的效果圖

如果采用時(shí)間測(cè)量工具如秒表測(cè)量響應(yīng)時(shí)間是不現(xiàn)實(shí)的，觸摸產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間一般在毫秒級(jí)，測(cè)試人員的反應(yīng)速度無(wú)法滿足測(cè)量要求。那么，要獲得時(shí)間就要從其基本的物理概念入手。時(shí)間等于距離除以速度。此處的距離就是觸摸筆與顯示繪制點(diǎn)的終端之間的延遲距離。此處的速度可以通過輔助設(shè)備達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)的效果，從而獲得速度值。如果采用高速照相機(jī)或攝像機(jī)，將整個(gè)過程拍攝下來，就可以準(zhǔn)確地獲得延遲距離。

如圖11所示，觸摸筆以某一速度勻速運(yùn)動(dòng)，在觸摸屏上繪制圖形，黑色直線的末端與觸摸筆之間是有距離差的，這個(gè)距離差就是延遲的距離，再除以觸摸筆移動(dòng)的速度，就是觸摸產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間。

圖11 測(cè)試結(jié)果圖

4)觸摸高度

觸摸高度主要是針對(duì)紅外觸摸產(chǎn)品提出的測(cè)量項(xiàng)目。當(dāng)觸摸筆與觸摸屏的距離小于等于某個(gè)值X時(shí)，會(huì)觸發(fā)紅外接收器激活觸摸功能，這個(gè)值即觸摸高度。觸摸高度越低，越不容易造成使用者的誤觸。

測(cè)量觸摸高度時(shí)，應(yīng)使用輔助測(cè)量設(shè)備固定觸摸筆進(jìn)行測(cè)量。如采用手持筆測(cè)量觸摸高度，將無(wú)法解決抖晃問題，需要確保觸摸筆處于靜止?fàn)顟B(tài)，才可以精確測(cè)量出這個(gè)觸摸高度。圖12是觸摸高度測(cè)量的示意圖，在觸摸筆逐漸接近觸摸屏表面的過程中，當(dāng)觸摸筆下降至某高度時(shí)，觸發(fā)觸摸屏的響應(yīng)，此時(shí)保持觸摸筆靜止?fàn)顟B(tài)，并使用游標(biāo)卡尺測(cè)量得到該觸摸屏的觸摸高度。

圖12 觸摸高度測(cè)量示意圖

5)觸摸分辨力

觸摸分辨力與顯示設(shè)備的固有分辨力概念類似，直接影響觸摸產(chǎn)品的觸摸精度。但目前，該項(xiàng)目沒有明確的定義和描述。所以市場(chǎng)上有各種各樣的描述方式，有的采用觸摸器件水平和垂直方向的數(shù)量，有的則通過算法進(jìn)行描述。參考顯示設(shè)備的固有分辨力的概念，觸摸分辨力應(yīng)與實(shí)際采用的觸摸器件的數(shù)量掛鉤，描述成水平方向的數(shù)量×垂直方向的數(shù)量。但觸摸分辨力的測(cè)量方法還需要再研究。

4 觸摸產(chǎn)品的顯示性能測(cè)量探討

觸摸產(chǎn)品選用的顯示設(shè)備大多是液晶顯示。但不同的觸控器件施加在液晶顯示設(shè)備上后，顯示效果會(huì)有所差異。常規(guī)顯示性能的測(cè)量項(xiàng)目，如亮度、對(duì)比度、亮度均勻性、色域覆蓋率等與平板電視的測(cè)量方法差異不大，可參考SJ/T 11348進(jìn)行。有些顯示性能項(xiàng)目是目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不包括的，應(yīng)關(guān)注一下。

電容觸摸產(chǎn)品大多應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等，會(huì)在不同的環(huán)境光條件下使用。由于其本身存在反光現(xiàn)象，所以應(yīng)特別注意產(chǎn)品的環(huán)境光對(duì)比度，以考核該類產(chǎn)品在不同環(huán)境光條件下的顯示清晰度。環(huán)境光對(duì)比度的測(cè)量方法這里不再詳細(xì)描述，可以參考筆者關(guān)于顯示屏環(huán)境光對(duì)比度測(cè)量的討論。

而紅外觸摸產(chǎn)品，應(yīng)特別關(guān)注抗環(huán)境光干擾的性能。測(cè)量時(shí)，應(yīng)選用相關(guān)設(shè)備，如白熾燈、模擬太陽(yáng)光、驗(yàn)證該類產(chǎn)品的觸摸效果是否受到影響。

[1]吳娟. 紅外多點(diǎn)觸摸技術(shù)的關(guān)鍵問題研究[EB/OL].[2014-11-05].http://www.doc88.com/p-0788013187824.html.

[2]陳坤. 基于電容式觸摸技術(shù)的研究與應(yīng)用[EB/OL].[2014-06-01].http://www.doc88.com/p-6009861612478.html.

[3]Society for Information Display. Information display measurement standard:Version 1.03[S/OL].[2014-11-05].http://www.icdmsid.org/downloads/idmsl.html.

責(zé)任編輯：許 盈

Touching Technology and Research for Measurement

LI Qiang, WU Weihua, LI Mo, SUN San

(NationalTesting&InspectionCenterforRadio&TVProductsofChina，Beijing100015,China)

The theory of the electric capacity, resistance and infrared touching technology are introduced.The positioning principle and advantages and disadvantages of different touching technology are analyzed. On the basis of them, the characteristics of different touch products is discussed, which leads to the main methods of measurement for the touch function and touch performance. At last, the article discusses the methods of measurement for display performance of the touch products.

touch technology; measurement; electric capacity; resistance; infrared

TN949.6

A

10.16280/j.videoe.2015.05.030

2014-09-12

【本文獻(xiàn)信息】李強(qiáng)，吳蔚華，李默,等.觸摸技術(shù)及測(cè)量研究[J].電視技術(shù),2015，39(5).