孫一帆

摘要:多點(diǎn)觸摸(Multi-touch)是當(dāng)前數(shù)字產(chǎn)品領(lǐng)域最灸手可熱的交互技術(shù)。該文介紹了多點(diǎn)觸摸的基本概念、市場狀況,闡述了多點(diǎn)觸摸技術(shù)的發(fā)展歷史,以及各種多點(diǎn)觸摸的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

關(guān)鍵詞:多點(diǎn)觸摸;人機(jī)界面;交互;紅外;電阻;電容;表面聲波;光學(xué)影像;影像辨識

中圖分類號:TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)34-9801-02

A New Way of Interactive - The Primary Search of Multi-Touch

SUN Yi-fan1,2

(1.School of Art, Soochow University,Suzhou 215021,China; 2.Suzhou Art&Design; Technology Institute,Suzhou 215104,China)

Abstract: Multi-touch is the most popular technology in the interactive domain. This article describes the basic concepts of multi-touch, market conditions, describes the history of multi-touch technology, and a variety of method to apply multi-touch.

Key words: multi-touch; UI; interactive; infrared; resistive; capacitive; SAW; optical imaging; shape recognition

多點(diǎn)觸摸(Multi-touch)無疑是當(dāng)前數(shù)字產(chǎn)品領(lǐng)域最灸手可熱的交互技術(shù)。同我們常見的觸摸顯示屏(手寫筆、銀行ATM 柜員機(jī)等)不同,這些設(shè)備通常只能支持單點(diǎn)輸入。而多點(diǎn)觸摸允許設(shè)備用戶同時通過多個接觸點(diǎn)(手指)來控制圖形界面。

1 多點(diǎn)觸摸概述

自從進(jìn)化為人類,人就開始使用雙手來完成各種操作。隨著不斷進(jìn)化,人的十指越來越靈活,可以完成非常靈巧細(xì)致的動作。像彈鋼琴、用鍵盤打字就是很好的例子。鋼琴的88個琴鍵和鍵盤的數(shù)十個鍵位,都需要十指協(xié)調(diào)同時操作,這實(shí)際上就已隱含了“多點(diǎn)觸摸”的概念。因此,“多點(diǎn)觸摸”是人類最自然、最得心應(yīng)手和最有效率的操作方式之一。UI(人機(jī)界面)引入多點(diǎn)觸摸概念可以說是必然的趨勢。

對于大部分人來說,真正的多點(diǎn)觸摸UI體驗(yàn),是隨著2007年蘋果公司iPhone的面世而親身感受的。iPhone讓我們驚訝地發(fā)現(xiàn):早已習(xí)慣了點(diǎn)按放大鏡圖標(biāo)去縮放圖片,現(xiàn)在用兩個手指隨意拉伸縮放圖片的方式竟是這么自然、順暢。原來除了鼠標(biāo)、手寫筆和導(dǎo)航鍵,我們還能這樣去操控界面。多點(diǎn)觸摸技術(shù)可以說成了iPhone攻城略地的核心競爭優(yōu)勢。并由此引發(fā)了手機(jī)多點(diǎn)觸摸的熱潮——Google的Android、微軟的Windows Mobile、Palm、諾基亞的Maemo等各廠商的下一代手機(jī)操作系統(tǒng),紛紛將多點(diǎn)觸摸技術(shù)作為重點(diǎn)特性引入進(jìn)來。對于桌面系統(tǒng),微軟07年推出基于Vista的全觸摸概念電腦“Surface”已投入市場;Windows7很好地內(nèi)置支持多點(diǎn)觸摸式操作;正在研發(fā)中的Windows 8可能會采用徹底的觸摸式輸入方式——用戶所有的操作均由觸摸操作完成;蘋果在下一代Mac OS操作系統(tǒng)中也將加強(qiáng)多點(diǎn)觸摸功能?？梢哉f我們的人機(jī)界面交互方式已經(jīng)進(jìn)入了一個“多點(diǎn)觸摸”時代。

2 多點(diǎn)觸摸技術(shù)發(fā)展歷史

其實(shí)多點(diǎn)觸摸并非蘋果的iPhone的首創(chuàng)。我們來回顧一下在iPhone之前多點(diǎn)觸摸技術(shù)的歷史足跡。

1) 早在1983年,就有科學(xué)家首次嘗試將鍵盤跟觸控板聯(lián)在一起同時操作,或是用兩只手控制同一塊觸控面板。這些突發(fā)奇想的實(shí)驗(yàn)開啟多點(diǎn)觸摸的研究之路。

2) 1992年,Sun Microsystems制作了一段科幻片,假想12年后的2004年將出現(xiàn)的新科技,其中就有類似多點(diǎn)觸摸的技術(shù)。這對于技術(shù)的發(fā)展也具有高度的啟發(fā)性。

3) 1992年后的一段時間,仍舊是技術(shù)發(fā)展積累階段,包括觸控面板、大型平面顯示器等,各種新技術(shù)都仍在醞釀成熟的過程中。

4) 1999年,Alias Wavefront首先推出一個叫做Portfolio Wall的產(chǎn)品原型。Portfolio Wall采用了大尺寸的觸控屏幕,配合滑動與點(diǎn)選兩種手勢操作,就可以及時瀏覽大量的圖像與影片。概念跟操作都很簡單,但是這已經(jīng)算是當(dāng)時最接近商品化的研究案之一。

5) 2001年,多點(diǎn)觸摸技術(shù)有了巨大進(jìn)展。三菱電子實(shí)驗(yàn)室為了解決多人同時操作計算機(jī)時的互動問題,著手進(jìn)行一項(xiàng)稱為DiamondTouch的研究計劃。這項(xiàng)研究奠定了不少多點(diǎn)觸摸硬件方面的技術(shù)基礎(chǔ),包括多點(diǎn)觸控、多人同時操作,以及潮濕高溫等極端環(huán)境下的操作可行性,都在這個研究當(dāng)中實(shí)踐了。

6) 2002年,一向嗅覺敏銳的好萊塢也注意到了這個科技新動向,在《少數(shù)派報告(Minority Report)》這部電影中,“多點(diǎn)觸摸”成為了重要的科幻橋段。為多點(diǎn)觸摸技術(shù)造勢不少。

7) 2005年,當(dāng)大家都專注在觸控面板的技術(shù)研發(fā)時,微軟的技術(shù)人員另辟蹊徑,以投影畫面以及影像辨識技術(shù),發(fā)展出一種實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸技術(shù)的新機(jī)制。即不需使用任何觸控面板,只要在一個普通桌面上架起投影機(jī)以及攝像頭,通過捕捉定位手指在桌面上的陰影,來實(shí)現(xiàn)實(shí)時多點(diǎn)觸摸?；谶@個原理,界面大小可以任意調(diào)整,再也不會受限于觸控面板的尺寸與分辨率。除此之外,他們也嘗試了很多新的互動方式,像是將相機(jī)放在一個如水晶球般的透明盆子里,照片就會自動倒出來,使用者只要將手指伸進(jìn)去盆子里拖動,就可以隨心所欲地移動復(fù)制這些照片。這些還處在實(shí)驗(yàn)室中的有趣而新穎的概念,正是兩年后微軟推出的“Surface”的雛形。

8) 2006年,是多點(diǎn)觸摸發(fā)展重要的一年。在年度的TED論壇中,來自NYU的教授Jeff Han演示了他們在多點(diǎn)觸摸技術(shù)應(yīng)用上的創(chuàng)新進(jìn)展。Jeff Han在現(xiàn)場用他的十指演示了多點(diǎn)觸摸的多種應(yīng)用,整個操作過程流暢自然,非常有吸引力,引起了現(xiàn)場的轟動。這次里程碑式的實(shí)際演示,標(biāo)志著多點(diǎn)觸摸技術(shù)可以進(jìn)入成熟的商用階段。并且研發(fā)重心已經(jīng)從硬件技術(shù),轉(zhuǎn)向了軟件應(yīng)用。

9) 2007年5月,微軟正式發(fā)布了“Surface”概念電腦。兩年前實(shí)驗(yàn)室里的創(chuàng)新想法變成現(xiàn)實(shí)。這是一臺沒有鼠標(biāo)鍵盤,只是通過人的手勢,觸摸和其他外在物體進(jìn)行交互的桌型電腦。它改變了人和信息之間的交互方式,模糊了物理和虛擬世界之間的邊線。比如你在餐館就餐時,當(dāng)你將你的飲料放在Surface上時,它的所有信息就會在上面呈現(xiàn)出來,比如相應(yīng)的甜點(diǎn)的菜單,需要的話只要手指一點(diǎn)。微軟相信Surface將改變?nèi)藗冑徫?就餐,娛樂和生活的習(xí)慣。

10)2007年6月,蘋果公司的iPhone上市。蘋果用他們極強(qiáng)的前瞻性和執(zhí)行力,把創(chuàng)新的概念和技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室拿來,以成熟的產(chǎn)品、合理的價格,可靠的質(zhì)量,放到消費(fèi)者面前。在上市后相當(dāng)長的一段時間里,iPhone一直是市面上唯一可以買得到的多點(diǎn)觸摸技術(shù)量產(chǎn)消費(fèi)品。

3 多點(diǎn)觸摸實(shí)現(xiàn)技術(shù)比較

“多點(diǎn)觸摸”按字面意思可以理解為“多點(diǎn)”和“觸摸”兩層含義。“多點(diǎn)”顧名思義就是可識別一個以上的定位輸入;“觸摸”是指這一個以上的定位點(diǎn)是通過直接接觸的方式輸入的,而非通過鼠標(biāo)、鍵盤等間接輸入。這一層面一般指硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù),主要有以下幾種:

3.1 紅外線式(Infrared)

利用紅外線矩陣組成縱橫序列掃描線,當(dāng)有物體遮斷光路時,便可判斷位置。這種技術(shù)是最早使用的技術(shù),缺點(diǎn)是容易受外界光線影響,存在遮罩問題;另外由于受紅外線LED體積限制,解析度無法做高;這種技術(shù)逐步被光學(xué)影像式所取代。

3.2 電阻式(Resistive)

兩層不同導(dǎo)電值的表面層疊在一起但保持間隙,當(dāng)表面受壓力而使兩者表面接觸,因而影響阻抗值變化。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)門檻低因而曾被大量使用。但這種技術(shù)存在反應(yīng)速度不高,而且隨著時間增長材料會逐漸損耗而造成誤差。因此如今基本已被其它技術(shù)取代。

3.3 電容式(Capacitive)

電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極,在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個低電壓交流電場。在觸摸屏幕時,由于人體電場,手指與導(dǎo)體層間會形成一個耦合電容,四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點(diǎn),而電流強(qiáng)弱與手指到電極的距離成正比,位于觸摸屏幕后的控制器便會計算電流的比例及強(qiáng)弱,準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。目前小尺寸觸摸屏大量使用這種技術(shù),受技術(shù)限制目前還無法在大尺寸應(yīng)用上取得突破。

3.4 表面聲波式(SAW)

表面聲波,超聲波的一種,在介質(zhì)(例如玻璃或金屬等剛性材料)表面淺層傳播的機(jī)械能量波。通過楔形三角基座(根據(jù)表面波的波長嚴(yán)格設(shè)計),可以做到定向、小角度的表面聲波能量發(fā)射。發(fā)射換能器發(fā)出表面聲波,當(dāng)手指或其它能夠吸收或阻擋聲波能量的物體觸摸屏幕時,接收器便能計算出接觸位置。它的優(yōu)點(diǎn)是透光率高、耐用性好(相對于電阻、電容等有表面鍍膜)、反應(yīng)靈敏、外界干擾小、沒有漂移,目前在公共場所使用較多。缺點(diǎn)是成本高,需要經(jīng)常維護(hù),因?yàn)槠帘砻娴奈圹E,都會影響表面音波的傳導(dǎo),從而影響觸摸屏的正常使用。

3.5 光學(xué)影像式(Optical Imaging)

透過兩組以上CIR(CMOS/CCD)由側(cè)邊觀測物體的影子后計算出位置。這技術(shù)隨著CMOS/CCD的技術(shù)成熟和成本下降而越來越被廣泛使用,現(xiàn)在微型CIR已經(jīng)可以做到每秒鐘輸出一百張以上的畫面,因此目前來說是反應(yīng)速度最快的一種技術(shù),當(dāng)然隨著CIR分辨率越來越高,處理速度越來越快,感光能力越來越好,且可以判斷影子大小,所以可以做出越來越多變化性之應(yīng)用,其缺點(diǎn)則是較容易受到外部光線影響。光學(xué)影像識別技術(shù)將會在未來中大尺寸及多點(diǎn)觸摸的發(fā)展中扮演重要角色。

3.6 電磁式(Electromagnetic)

利用線圈產(chǎn)生磁場改變經(jīng)由接收天線產(chǎn)生之電流變化計算位置。這是早期數(shù)字板或是繪圖板使用的技術(shù),后來Tablet PC也大多采用此技術(shù)。其缺點(diǎn)是一定要使用一個帶電的筆(Wacom則有獨(dú)家感應(yīng)技術(shù)可從天線端感應(yīng)生電,不需要電池),早期電磁式抗干擾能力不強(qiáng),很多手寫板放在金屬桌面的桌子上便無法使用,現(xiàn)在則不會有這個問題。

3.7 影像辨識式(Shape Recognition)

原理是通過攝像頭(CMOS/CCD)從正面或是背面捕捉接觸面的影像變化,由操作平臺從影像中識別出定位點(diǎn)。微軟的Surface便是使用類似技術(shù)。為了避免受可見光干擾,一般都采用紅外線光源。這項(xiàng)技術(shù)有好幾種實(shí)現(xiàn)方式,例如Jeff Han發(fā)明的受抑全內(nèi)反射多點(diǎn)觸摸技術(shù)(FTIR);微軟Surface采用的散射光照明多點(diǎn)觸摸技術(shù)(DI);激光平面多點(diǎn)觸摸技術(shù)(LLP);散射光平面照明多點(diǎn)觸摸技術(shù)(DSI)等等。這類技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以判別出接觸物體的形體,進(jìn)而由操作平臺做出靈活的應(yīng)用,最重要的是由于這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本比較低,效果理想,所以非常適合DIY。因此目前此項(xiàng)技術(shù)的研究和實(shí)踐比較熱門。

4 結(jié)束語

隨著多點(diǎn)觸摸風(fēng)潮的興起,越來越多的廠商和科研人員將投入其中進(jìn)行研發(fā),技術(shù)將越來越成熟,而實(shí)現(xiàn)成本將不斷降低。多點(diǎn)觸摸必然在很多場合代替?zhèn)鹘y(tǒng)輸入方式,而變得越來越普及。

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