投影式電容觸摸屏柔性振動(dòng)觸覺(jué)反饋研究
路翔，羅挺
(1.后勤工程學(xué)院后勤信息工程系，重慶401311；2.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶401311)

摘要：良好的觸覺(jué)反饋是普通觸摸屏人機(jī)界面友好性的重要體現(xiàn)。基于現(xiàn)有觸覺(jué)反饋方式，以投影式電容觸摸屏為研究對(duì)象，提出了柔性振動(dòng)技術(shù)，分析了觸摸屏各種輸入方式的觸覺(jué)反饋實(shí)現(xiàn)方式。與采用其他觸覺(jué)反饋技術(shù)的情況相比，采用柔性振動(dòng)技術(shù)的觸覺(jué)反饋擬真度較高，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，具有更好的人機(jī)界面友好性。

關(guān)鍵詞：柔性振動(dòng)、投影式電容觸摸屏、 觸覺(jué)反饋、人機(jī)界面

中圖分類(lèi)號(hào):TN141． 8;TP391． 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    觸摸感應(yīng)技術(shù)的飛速發(fā)展，讓用戶可以完全拋開(kāi)物理按鍵和電位器的束縛，直接在顯示屏上圖形化操作電子設(shè)備，極大地改善了人機(jī)界面的友好性［1 － 2］。但基于屏幕的物理特性，觸摸屏輸入方式具有缺失觸覺(jué)反饋的先天不足［3］，對(duì)輸入行為的提示，只能以聲音、圖像或文字視覺(jué)、整機(jī)單一振動(dòng)等反饋方式予以彌補(bǔ)，無(wú)形中增加了設(shè)備使用對(duì)環(huán)境的要求。此外，由于缺少物理按鍵和電位器優(yōu)良的觸覺(jué)反饋體驗(yàn)，觸摸屏輸入方式增大了漏輸入和誤輸入的幾率［4］，特別是投影式電容觸摸屏，這種現(xiàn)象尤為明顯。基
于以上分析，本文以投影式電容觸摸屏輸入為研究對(duì)象，嘗試以柔性振動(dòng)方式對(duì)用戶輸入進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以期提升觸摸屏輸入的友好性，減少漏輸入和誤輸入的發(fā)生。

1 投影式電容觸摸屏

1． 1 觸摸感應(yīng)技術(shù)

    觸摸感應(yīng)技術(shù)是以捕捉手指的觸摸動(dòng)作信息為基本出發(fā)點(diǎn)，將手指觸摸動(dòng)作的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并加以判斷識(shí)別，使之與傳統(tǒng)物理輕觸按鍵的“按壓”和釋放動(dòng)作等價(jià)。觸摸感應(yīng)技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)單按鍵的檢測(cè)，而且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多按鍵的檢測(cè)。借助于軟件程序，可以將觸摸屏上的按鍵設(shè)計(jì)成各種形狀，比如普通按鍵、滑塊、撥盤(pán)，實(shí)現(xiàn)各種不可見(jiàn)的操作方式( 諸如畫(huà)面縮放、多維旋轉(zhuǎn)等) 。從這個(gè)層面來(lái)看，觸摸感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)可以在功能上替代普通的物理按鍵和電位器。

1． 2 觸摸屏

    觸摸屏是觸摸感應(yīng)技術(shù)的主要應(yīng)用成果之一。觸摸屏由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器兩部分組成。根據(jù)觸摸感應(yīng)原理，可以將觸摸屏劃分為電阻式觸摸屏、紅外線觸摸屏、聲表面波觸摸屏、表面電容觸摸屏和投影式電容觸摸屏幾種。

圖1 投影式電容觸摸屏工作原理
 

1． 3 投影式電容觸摸屏

    目前觸摸屏市場(chǎng)雖然由電阻式觸摸屏占據(jù)絕大部分份額，但根據(jù)近幾年技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，投影式電容技術(shù)才真正代表觸摸感應(yīng)技術(shù)發(fā)展方向，它也成為目前電子產(chǎn)品的首選觸控解決方案。投影式電容觸摸屏是通過(guò)檢測(cè)電極間的電容變化進(jìn)行觸摸位置偵測(cè)，支持多點(diǎn)觸控。這種觸摸屏面板一般都選擇玻璃作為基板，采用單片或者雙片組合并于基板上鍍上氧化銦錫( indium tin oxides，ITO)。目前常見(jiàn)的ITO 形狀有鉆石結(jié)構(gòu)與矩陣式結(jié)構(gòu)，除了蘋(píng)果手持設(shè)備屏幕采用矩陣式結(jié)構(gòu)，其他電容式感應(yīng)組件一般都屬于鉆石結(jié)構(gòu)，感應(yīng)方式都是通過(guò)手指接近或碰觸玻璃表面導(dǎo)致電荷變化形成電流信號(hào)源，經(jīng)過(guò)控制電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與DSP 電路計(jì)算判斷手指碰觸點(diǎn)。其多點(diǎn)觸控的工作原理見(jiàn)圖1，利用手指碰觸感應(yīng)造成電荷量的變化，形成電流信號(hào)源，從感應(yīng)發(fā)射端通過(guò)X /Y 軸掃描以及接收端接受信號(hào)后，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器參照與周?chē)�相鄰感�?yīng)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重來(lái)計(jì)算判斷觸控位置，將原始X /Y 坐標(biāo)傳輸給MCU 與DSP，作移動(dòng)速度與手勢(shì)判斷等處理。

2 觸覺(jué)反饋實(shí)現(xiàn)方式分析

    盡管投影式電容觸摸屏的觸控功能可以給用戶帶來(lái)友好的人機(jī)界面，但同時(shí)也產(chǎn)生了新的問(wèn)題: 從用戶體驗(yàn)角度來(lái)看，由于目前觸摸屏的觸按，一般只能通過(guò)音效或虛擬按鍵圖示的變化呈現(xiàn)反饋效果，不會(huì)得到傳統(tǒng)物理按鍵或電位器滑塊的力反饋操作體驗(yàn)，從而導(dǎo)致實(shí)際的使用效益降低。

    目前，觸覺(jué)反饋的具體實(shí)現(xiàn)方式主要有單級(jí)振動(dòng)，觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合，以及柔性振動(dòng)。

2． 1 單級(jí)振動(dòng)

    單級(jí)振動(dòng)是絕大多數(shù)觸摸屏設(shè)備實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋的基本方式。觸摸屏的虛擬按鍵在觸按時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，以反饋給使用者該次輸入行為有效［14］。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉，在微型手持設(shè)備( 如移動(dòng)電話機(jī)) 中普及率高，但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn): 振動(dòng)感覺(jué)生硬，頻繁振動(dòng)導(dǎo)致使用者滿意率迅速降低，故只能用于普通微型手持設(shè)備。對(duì)于小型以上的設(shè)備，特別是大型設(shè)備，這種局部或者整體的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致零部件松動(dòng)、短路、損壞，甚至其他更為嚴(yán)重的事故。

2． 2 觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合

    單級(jí)振動(dòng)效果與物理按鍵的體驗(yàn)感覺(jué)具有本質(zhì)的差異，要從根本上消除這種差異，最終的解決方法是將觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊搭配整合起來(lái)。例如諾基亞公司最近開(kāi)發(fā)的一種新技術(shù)，能讓觸摸屏上的某一處區(qū)域產(chǎn)生振動(dòng); 蘋(píng)果公司也在幾年前申請(qǐng)了一項(xiàng)柔軟觸摸屏專(zhuān)利，該產(chǎn)品在屏幕下方墊一層透明觸點(diǎn)，用戶在按鍵時(shí)能夠獲得如同接觸真正鍵盤(pán)的觸感。

    此外，微軟公司也申請(qǐng)了一項(xiàng)專(zhuān)利，使用一種新材料，能夠根據(jù)受輻射的紫外線波長(zhǎng)改變其表面形狀。根據(jù)這項(xiàng)專(zhuān)利所述，微軟公司將這種形狀記憶體做成和觸摸屏像素相同，覆蓋在觸摸屏表面，然后利用安裝在屏幕下的攝像頭判斷出用戶手指即將接觸屏幕的位置，通過(guò)向相應(yīng)位置射出特定波長(zhǎng)的紫外線，令用戶的手指感受到類(lèi)似石頭、木材、玻璃等的表面觸感。

    這些新材料和新工藝雖然能夠產(chǎn)生較為理想的觸覺(jué)反饋，但基于成本和通用性考慮，觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合的理念仍然停留在實(shí)驗(yàn)階段。

2． 3 柔性振動(dòng)

    單級(jí)振動(dòng)的觸覺(jué)反饋效果機(jī)械而又生硬，但是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉; 而觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合的觸覺(jué)反饋效果良好，近似于物理按鍵，但因涉及新材料與新工藝，加之高成本、低效益，當(dāng)前，這種觸覺(jué)反饋實(shí)現(xiàn)方式并不具備可操作性。針對(duì)投影式電容觸摸屏的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合單級(jí)振動(dòng)和觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合這兩種方式各自的優(yōu)勢(shì)，本文提出了柔性振動(dòng)的觸覺(jué)反饋方式。柔性振動(dòng)是在單級(jí)振動(dòng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)觸摸屏的虛擬按鍵與滑塊所對(duì)應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。柔性振動(dòng)不是單級(jí)振動(dòng)中的普通機(jī)械振動(dòng)，其特點(diǎn)是可以通過(guò)改變振動(dòng)的頻率、波形、幅度和周期，令用戶感受到近似于物理反饋的觸覺(jué)效果。

圖2 柔性振動(dòng)觸覺(jué)反饋實(shí)現(xiàn)流程
 

3 柔性振動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式

    柔性振動(dòng)觸覺(jué)反饋實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。整個(gè)柔性振動(dòng)系統(tǒng)由多個(gè)微型振動(dòng)器組成，它們均勻分布在觸摸屏下方。當(dāng)用戶的手指在觸摸屏上做出一個(gè)動(dòng)作，例如點(diǎn)擊或者滑動(dòng)，觸摸屏控制器A 就根據(jù)觸點(diǎn)定位的坐標(biāo)以及觸摸的力度與方向，分析用戶的操作意圖，將所要執(zhí)行的命令發(fā)送至相應(yīng)的應(yīng)用程序MCU，執(zhí)行下一步任務(wù); 同時(shí)，根據(jù)用戶的操作意圖，調(diào)用相關(guān)反饋方案，對(duì)屏幕下方的多個(gè)振動(dòng)器，分別采用不同頻率、波形、幅度和周的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋。

圖3 振動(dòng)器位置分布
 

3． 1 點(diǎn)擊動(dòng)作的柔性振動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式

    以觸摸屏含5 個(gè)微型振動(dòng)器為例，如圖3 所示。設(shè)X 點(diǎn)在振動(dòng)器A 正上方，振動(dòng)器A 的振動(dòng)反饋力為N，則用戶點(diǎn)擊圖3 所示X 點(diǎn)時(shí)，振動(dòng)器A 的振動(dòng)反饋力為αN，振動(dòng)器B 的振動(dòng)反饋力為βN，振動(dòng)器C 的振動(dòng)反饋力為γN，振動(dòng)器D 的振動(dòng)反饋力為δN，振動(dòng)器E 的振動(dòng)反饋力為εN。其中α，β，γ，δ 和ε 均為反饋力系數(shù)，且根據(jù)振動(dòng)器與X 點(diǎn)的距離呈非線性下降趨勢(shì)，距離越遠(yuǎn)，系數(shù)越小。當(dāng)X 點(diǎn)無(wú)限接近A 處，B，C，D 和E 4 處的振動(dòng)反饋力接近于零。

3． 2 滑動(dòng)動(dòng)作的柔性振動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式

    滑動(dòng)動(dòng)作較點(diǎn)擊動(dòng)作稍顯復(fù)雜。在普通機(jī)械滑塊中，滑塊從初始狀態(tài)開(kāi)始，需要克服靜摩擦力; 一旦開(kāi)始滑動(dòng)，由于加速度的產(chǎn)生，動(dòng)摩擦力減小; 在結(jié)束滑動(dòng)之前，速度降為零，力反饋較強(qiáng)。因此，在滑動(dòng)動(dòng)作的觸覺(jué)反饋設(shè)計(jì)上，需要真實(shí)反映滑動(dòng)的3 個(gè)階段。仍然以觸摸屏含5 個(gè)微型振動(dòng)器為例，如圖3 所示。當(dāng)手指在觸摸屏上從X 點(diǎn)滑向Y 點(diǎn)，首先判斷該項(xiàng)動(dòng)作是連續(xù)點(diǎn)擊還是連續(xù)滑動(dòng)。以固定時(shí)間τ 為界，當(dāng)任意2 次點(diǎn)擊時(shí)間t ＜ τ，則判定為滑動(dòng)動(dòng)作;84 后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)2011 年而當(dāng)2 次點(diǎn)擊時(shí)間t≥τ，則判定為2 次點(diǎn)擊。當(dāng)判定為滑動(dòng)，由X 點(diǎn)至Y 點(diǎn)滑動(dòng)時(shí)，振動(dòng)器A 的振動(dòng)反饋力為α'αN，其中α'是動(dòng)態(tài)參數(shù)，在滑動(dòng)剛開(kāi)始時(shí)其值較大，而后保持恒定，最后在動(dòng)作停止時(shí)再次增大。

3． 3 投影式電容觸摸屏中實(shí)現(xiàn)柔性振動(dòng)存在的問(wèn)題

    投影式電容觸摸屏的工作原理是基于互電容的檢測(cè)方式，而不是基于自電容的檢測(cè)方式。互電容的檢測(cè)方式是檢測(cè)行列交叉處互電容( 也就是耦合電容Cm) 的變化，當(dāng)行列交叉通過(guò)時(shí)，行列之間會(huì)產(chǎn)生互電容( 包括行列感應(yīng)單元之間的邊緣電容和行列交叉重疊處產(chǎn)生的耦合電容) ，有手指存在時(shí)互電容會(huì)減小，由此即可判斷觸摸存在，并且準(zhǔn)確判斷每一個(gè)觸摸點(diǎn)的位置［7］。相比于自電容的檢測(cè)方式，互電容的檢測(cè)方式更易受到外部噪聲的干擾。

    柔性振動(dòng)技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)需要引入多個(gè)微型振動(dòng)器，而多個(gè)微型振動(dòng)器同時(shí)工作，會(huì)對(duì)觸摸屏控制器判斷每一個(gè)觸摸點(diǎn)的動(dòng)作產(chǎn)生較大影響，從而增大誤判的產(chǎn)生。此外，觸摸屏控制器本身也會(huì)因其他多個(gè)傳感器如加速度傳感器、重力感應(yīng)傳感器、距離傳感器、光線感應(yīng)傳感器等的存在，從而受到內(nèi)部噪聲干擾。用戶手指上的汗、油、膏和污漬，也會(huì)對(duì)觸摸位置和觸摸動(dòng)作的判定產(chǎn)生干擾。這些方面的問(wèn)題，都需要在柔性振動(dòng)技術(shù)投入使用之前認(rèn)真研究解決。

4 結(jié)語(yǔ)

    投影式電容觸摸屏具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景，它代表觸摸屏發(fā)展的方向。觸覺(jué)反饋是其應(yīng)用研究熱點(diǎn)之一，觸覺(jué)反饋的擬真度直接影響觸摸屏人機(jī)界面的友好性。相較于單級(jí)振動(dòng)的簡(jiǎn)單觸覺(jué)反饋和觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合的理想觸覺(jué)反饋，柔性振動(dòng)的觸覺(jué)反饋實(shí)現(xiàn)方式克服了前兩者先天存在的不足，也兼?zhèn)鋬烧咭恍﹥?yōu)勢(shì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，將觸控屏幕搭配整合觸覺(jué)反饋模塊，再利用系統(tǒng)底層的互動(dòng)設(shè)計(jì)，模擬達(dá)到近似原有實(shí)體按鍵的操作體驗(yàn)，以改善人機(jī)界面的友好性。

    目前，柔性振動(dòng)的觸覺(jué)反饋雖然會(huì)導(dǎo)致硬件成本的增加和整個(gè)觸摸屏裝置體積增大，但隨著各種手持裝置或固定裝置的觸控面板趨于增大，虛擬鍵盤(pán)應(yīng)用比例逐漸增加，這個(gè)問(wèn)題也會(huì)逐漸得到解決。

參考文獻(xiàn)

［1］KIM J，PARK J，KIM H K， et al． HCI( Human computer interaction) using multi-touch tabletop display［C］/ /IEEE Pacific Rim Conference on Communications，Computers and Signal Processing Conference Proceedings，2007． Victoria，Canada: University of Victoria，2007: 391 － 394．

［2］FORLINES C，WIGDOR D，SHEN C， et al． Direct-touch vs mouse input for tabletop displays［C］/ /Proceedings of the Computer /Human Interaction 2007 Conference． California: the Association for Computing Machinery，2007: 647 － 656．

［3］DE KORTE E M，DE KRAKER H，BONGERS P M， et al． Effects of a feedback signal in a computer mouse on movement behavior，muscle load，productivity， comfort and user friendliness［J］． Ergonomics，2008，51( 11) : 1757 － 1775．

［4］FOEHRENBACH S，K�ZNIG W A，GERKEN J， et al． Tactile feedback enhanced hand gesture interaction at large，high-resolution displays［J］．Journal of Visual Languages ＆ Computing， 2009，20( 5) : 341 － 351．

［5］ 翁小平． 觸摸感應(yīng)技術(shù)及其應(yīng)用: 基于CapSense［M］． 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社， 2010: 2 － 3．

［6］WILSON A D． Play anywhere: A compact interactive tabletop projection-vision system［C］/ /Proceedings of the 18th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology． Washington DC: the Association for Computing Machinery， 2005: 83 － 92．

［7］ 程子華，陽(yáng)勝峰． 視頻學(xué)工控: 觸摸屏應(yīng)用技術(shù)［M］． 北京: 人民郵電出版社， 2010: 1 － 6．

［8］ 葉以雯，錢(qián)金維． 壓電式多點(diǎn)觸控技術(shù)的原理與優(yōu)勢(shì)分析［J］． 現(xiàn)代顯示，2009( 8) : 47 － 52．

［9］BENKO H，WILSON A D，BAUDISCH P． Precise selection techniques for multi-touch screens［C］/ /Proceedings of the Computer /Human Interaction 2006 Conference on Human Factors in Computing Systems． Québec: the Association for Computing Machinery，2006: 1263 － 1272．

［10］WU M，SHEN C，RYALL K， et al． Gesture registration， relaxation， and reuse for multi-point direct-touch surfaces［C］/ /Proceedings of the 1st IEEE International Workshop on Horizontal Interactive Human-computer Systems． Washington DC: IEEE， 2006: 181 － 192．

［11］51Touch． 觸控技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì): 觸控解決方案多元化［EB/OL］．［2011 － 06 － 02］． http: / /www． 51touch． com/touchscreen /news /focus /201103 /07 － 9329． html．

［12］DIETZ P H，LEIGH D L． Diamond touch: A multi-user touch technology［C］/ /MARKS J，MYNATT E D． Proceedings of the 14th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology． New York: ACM Press，2001: 219 － 226．

［13］DIRJISH M． Displays and capacitors leap forward［J］． Electronic Design， 2007，55( 27) : 26 － 29．

［14］LIN C J，LIU C N，CHAO C J， et al． The performance of computer input devices in a vibration environment［J］． Ergonomics， 2010， 53( 4) : 478 －490．

［15］BREWSTER S A，CHOHAN F，BROWN L． Tactile feedback for mobile interactions［C］/ /Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems CHI’07． New York: ACM Press，2007: 159 － 162．