原创 手持装置多点触控技术的实现

　　在电子产品市场上，不断有新鲜事发生的，正是手持产品领域。在不久前，大家的注意力还集中在手持产品的无线通信功能，从2G、3G到3.5G，以及与蓝牙、Wi-Fi等技术的整合，并期待下一波加入移动电视(DVB-H、T-DMB技术)或LBS位置服务(A-GPS技术)的新兴应用。不过，现在大家又开始将焦点转移到操作接口上的创新经验开发，这就得导入新的接口控制技术。
　　这波界面革命风潮的始作俑者，正是iPhone。为何iPhone会一炮而红呢？若细看其技术规格，其实和目前市场上其它的智能型手机并没有太大的差异，在通信上的支持甚至略逊一筹(只支持GSM 850/900/1800/1900)，但一推出仍然让市场为之轰动，其主要卖点正在于其创新的接口操作功能。iPhone实现了几乎不用使用按键的创新接口，以触控方式达成用3.5英寸的大屏幕浏览和执行的目的，而在其背后的关键技术正是多点触控(Multi-touch)面板技术。以下将探讨这项技术的优势与设计难度所在。

　　主要触控面板技术

　　目前市场上常见的触控面板技术大致包括表面声波式( SAW)、光学式(Infrared)、电阻式、表面电容式(Surface Capacitive)和投射电容式(Projective Capacitive)等五种，说明如下：

　　表面声波式(SAW)

　　表面声波触控面板在玻璃上安装传送转换器和反射板、接收转换器，以及控制器等组件，在玻璃表面并没有涂上其它的涂料层。其工作原理是表面声波会在玻璃上传送，当其表面被接触时，接触物会吸收超音波而造成衰减，经由控制器比对使用前后的衰减量并计算后得出精确位置。

　　它的优点是因采用纯玻璃做为感测面板，因此耐用度极高，影像质量也极佳；能使用各种软性的笔尖来做触控；透过校正能保持其稳定性。其缺点则包括当有水在表面流动时，会造成系统的误判；在装置安装上也有相当的难度。SAW一般应用在Kiosk或自动售票机上。
光学式

　　光学式触控面板是由玻璃基板、红外线发射源、红外线接收器等组件所组成，其原理是利用光源接收遮断来确定位置。和SAW相似的是，光学式因采用纯玻璃来滤波，因此能得到极佳的影像质量及耐用性；它也能使用各种笔尖。它的缺点是在设计上必须考虑光电组件的高度和边缘的宽度；此外，由于使用的组件较贵，相对成本也会比较高。一般应用在ATM、OA事务机、医疗器材的使用上。

　　电阻式

　　电阻式因在技术上已发展的相当成熟，因此仍是现在手持式设备使用触控面板时的主流技术。电阻触控式屏幕可分为四线、五线、七线或八线等几种形式，最常见的是四线架构。四线电阻触控式屏幕面板的结构从上到下依次是可挠性矩形顶层、透明的导体覆盖层(导体覆盖材料通常由ITO组成)、空气间隙和隔离层、另一个透明的ITO层，最后是一个稳定层的玻璃基板。当触控笔或手指接触面板表面时，所施的压力会让两个ITO层相触，由于其中一层ITO会供电，另一层ITO层可用来检测触控笔的位置。

　　就成本而言，电阻式触控屏幕可说是在所有触控技术中最具优势的，其中又以四线式成本最低。不过，由于必须透过不断对表面施压来确定位置，电阻式使用久了容易造成表面磨损，以四线式来说，其使用寿命大约为一百万次。此外，其透光率较差，平均约在80~85%左右。

　　表面电容式

　　表面电容式的技术作法与电阻式相当类似，设计上较简单，成本也很便宜。在其玻璃面板上会涂上一层ITO(或TAO)导电层，并会在面板的四个角持续发出AC讯号，当面板被手指触控时，就会产生电场的变化，此时控制器会测量四角的电流变化，进而能计算出触控的位置。
表面电容式的优点是只需轻轻碰触即可定位，而且能分辨拖拉(drag)模式的操作。它的缺点是当表面涂料层被括伤时，会影响校正的正确性；在系统建置上，触控面板必须完全与任何金属物进行隔绝，才不会造成干扰；此外，它只能以手指来进行触控，这是很大的限制。

　　c的实现

　　今日的手机及其它手持设备厂商，都想做出和iPhone相似的多点触控式设备，但上述的触控技术都力有未逮。光学式的触控技术虽也有能力做到多点触控，但基于成本及机构问题，并不适合用于手持式的设备上。因此，目前要实现手持设备的多点触控，也就是让用户能以手指的点压、拖拉来操控画面，甚至能透过两指的开合动作来缩放画面，唯有实行投影电容式触控技术。

　　多点触控技术其实并非一项新鲜的发明，其实早在1992年时即已被IBM和Bell South提出，而且陆续有许多可行的技术出现，但当这些技术被推往手机等手持设备市场时，业者大多认为这不是一个吸引人的应用方式，还是偏好键盘或使用Stylus笔尖触控的输入模式。然而，iPhone的上市，一下子将这些看法都推翻掉，业者才发现原来消费者很能接受用自己手指来点选控制的这种接口。

　　其实我们生来习惯使用我们的十指来做各种动作，而当手机中的功能愈来愈复杂，传统的接口只会埋没这些功能，因而发展到可携式接口不得不进行革命的阶段。这时，多点触控的出现即为市场点亮一盏明灯。不过，iPhone推出已有一段时间，但仍未见到市场上接二连三的相似概念产品出现，可见得在技术的实践上确实存在着一道颇高的门坎。

　　投影电容式触控技术在市场上仍属于相当先进且复杂的技术，其实现方式颇多，但要做到多点触控，基本上都得采用矩阵感测的触控面板，才能侦测出不同轴向的多点触击。这类面板的感测元素通常由多行(column)和多列(row)的矩阵(Matrix)扫描模式来组成，当要达到两点以上的触击辨识能力时，甚至得采用三到四个轴向的感测元素。

　　在说明投影电容式技术之前，必须了解多点触控判定的两种基本型式，即多点侦测(Multi-Touch Detect)和多点解析(Multi-Touch Resolve)。这两者的技术差异甚大，前者只需侦测出多点触控的动作，如用两指做放大或缩小的动作，并不需找到两点的正确位置；多点解析则需侦测出每个触控点的正确位置，在实践的难度上高出许多。

　　投影电容式技术又可分为轴交错式(Axis Intersect)和所有触点可定位式(All Points Addressable, APA)两种感测屏幕，说明如下：

　　<A class=contentlabel href="http://www.eepw.com.cn/news/listbylabel/label/<a%20class=" contentlabel?>轴交错式屏幕">轴交错式屏幕

　　在轴交错式触控面板中，控制器会分别扫描水平轴与垂直轴，以侦测是否有触控，其位置则是两轴交会处。以此方式来进行感测，只能正确判读一点触控点的位置；当两点触控时，就会出现另外两个Ghost的假性触控点，系统并无法进行正确的判读，但仍能分辨出两点触控的姿态。

　　APA屏幕

　　APA屏幕又可分为单层的独立矩阵感测元素(Independent-matrix sense elements)和双层的行列交错矩阵感测元素(Intersection-matrix of row and column sense elements)两种。独立矩阵式的布线最为复杂，其每个感测元素都必须各个与控制器进行联机，举例来说，一个10 x 10的矩阵，就需要有100条连接到控制器的感测线。因此，这类的屏幕会需要更大、更快和更复杂的处理器来处理大量的运算，也需要更大容量的RAM内存，此外，扫描的时间也会很长。

　　交错矩阵的方式则利用行与列的感测来解决复杂的绕线问题，不过，由于此方式是逐行和逐列进行扫描，其感测上所需的时间与独立矩阵式是相同的。

　　若比较轴交错式和APA，前者所需的运算资源会少许多，内存不需太小(小于1kB即可)；后者因复杂许多，运算要求也会非常高，内存要求也很高(需数kB)。两者都同样能实现多点触控侦测，但轴交错式较难做到多点解析，除非采用独特的软件后处理技术，相较之下，APA就能做到多点解析的要求(参考表1)。

　　在系统建置上，电容式触控技术有一些相同的设计议题，包括环境影响、自我校正和专利权等问题。就环境因素来看，EMI是常见的设计挑战，在讯号复杂的手机中又显得更为困难；天气的变化也是不容忽视的因素，不同的温度、湿度或下雨状况，都会影响触控感测的正确性。此外，由于电容式是使用手指来触控，设计者也必须考虑使用者的手指大小，在正确性和分辨率之间取得一个平衡点。

　　结语

　　由于投影电容式技术较为复杂，目前市场宣称已掌握此技术的芯片或模块厂商还不多，知名者包括Synaptics、Cypress、义隆电子、Quantum等。如前所述，目前真正实现多点触控接口的手持设备仍屈指可数，由此可见从掌握技术到落实到商业化的产品上，仍然有一段距离。可以肯定的是，当下必然有许多厂商着手于此类设备的开发，但还是有许多设计瓶颈有待突破，如噪声干扰的防治、触控面积的最佳化设计、气候对灵敏度干扰的调校，以及专利权的回避或支付等。

　　看起来这段学习门坎颇高，芯片及系统业者并无法准确地设定其新产品上市的时程。当然，愈早跨越这个门坎的公司，愈有机会尝到先期市场的利润甜头。除了硬件方面的技术问题，软件也需同步配合，例如Window Mobile显示的触控面积太小，目前仍不适合用于电容式的手指触控模式。

　　此外，软件也是设备功能差异化的关键，在这方面，控制芯片的厂商已致力于提供各种功能的开发套件，有助于缩短研发的时程。就长远来看，我们仍得观察触控技术是否会成为手持设备操控接口的主流技术。只要市场驱动力够大，多数的技术问题都将会逐步被解决，少有例外。