如何解決大型電容式觸控螢幕輸入問題?無源手寫筆帶來自然操控體驗

如何解決大型電容式觸控螢幕輸入問題？無源手寫筆帶來自然操控體驗

Todd Severson 發表於 2013-10-29 10:11:38

　　作者：賽普拉斯半導體公司Todd Severson

　　行動裝置生產商希望為消費者提供自然易用的用戶界面，就好像使用紙和筆一樣方便自如，同時還要具備電腦的高度靈活性，這樣的高級特性可幫助生產商實現產品差異化。帶手掌誤動作排除功能的小型尖頭無源手寫筆讓製造商能夠提供支持手寫、編輯、籤名捕獲、精確導航等各種新應用功能的低成本解決方案。然而，上述功能的實現也面臨一些挑戰，無源手寫筆的開發人員必須滿足更大型觸控螢幕上電容式感應技術的一系列性能要求。具體來說，需要採用高級算法和感應方法來檢測手寫筆發出的很小的信號，同時還要排除用戶手掌造成的較大的無用信號。此外，設備還必須能夠動態地在手寫筆和多點觸摸輸入之間來回切換，同時保持一定的速度、精確度和響應性，從而確保理想的用戶體驗。

　　隨著電容式觸控螢幕的尺寸越來越大，類似於紙和筆一樣的使用寫入設備變得更加直觀方便。製造商支持手寫筆功能的最常見方法就是採用有源手寫筆或無源手寫筆。有源手寫筆採用電子組件，需要一個電源，並向主機設備發射信號。採用有源手寫筆能支持顯示屏上懸停、壓力感應、按鍵支持、擦寫等高級特性。無源手寫筆則採用導電性材料，相當於用戶身體的延伸。用戶手部的電容耦合支持無源手寫筆觸碰屏幕時發送信號，手寫筆和主機平臺之間不存在有源通信，因此如何區分手指和無源手寫筆是一個難題。

　　在許多情況下，如果說有源手寫筆和無源手寫筆都能實現相同的特性，則無需為系統增加額外的成本。有源手寫筆額外的組件和電源要求使它很難打開銷路，而無源手寫筆的性能較差以及/或頭大笨重則會帶來不自然的手寫體驗。因此，如果無源手寫筆的筆頭為1到2毫米，用戶手寫時手掌能擱在屏幕上，同時保持足夠的速度和準確度，並確保接觸點剛好就是「墨水」的「著墨之處」，則可提高無源手寫筆的用戶體驗。

　　為了創建一款切實可行的實現方案，其可同時支持手指和無源手寫筆操作，必須考慮多種不同的使用情況。例如，開發人員應考慮系統要在檢測手指和手寫筆輸入之間的切換速度。同樣，他們還要定義手寫筆在手指/手掌之前、之後或者同時觸控螢幕幕時系統的反應情況。其它重要因素還包括配置手寫筆距離手多近時就不再檢測到手寫筆信號。圖1給出了手寫筆用例下的狀態機進程實例。

　　

　　圖1 無源手寫筆用例下的狀態機使用實例

　　手寫筆的悖論

　　無源手寫筆檢測對於觸摸操控工程師而言是一個複雜的問題。問題的根源在於「手寫筆悖論」。所謂「手寫筆悖論」，是指無源手寫筆的信號比正常手指觸摸輸入要小得多，而用戶則認為手寫筆的筆尖這麼細，應該比手指更加精確。

　　精確度和線性度與系統的信噪比成正比。由於噪聲底限不會隨輸入而改變，因此信號減弱會對信噪比造成較大影響。電容式觸控螢幕的信號電平基本取決於觸摸輸入的覆蓋面積。這就是說，2毫米無源手寫筆的信號強度比典型的10毫米手指觸摸時的信號強度小25倍。這種信號強度的差距給觸控工程師造成了許多問題。即使在有較大觸摸信號的情況下，固件也必須能檢測到較小的手寫筆信號，這往往需要採用不同的傳感器掃描模式，而抗噪性和刷新率都要受到影響。此外，無源手寫筆最適合搭配較大的觸摸板使用，但大型觸摸板本來就刷新率低，或是要採用較大的間距傳感器，這二者都會影響系統的性能指標。

　　從根本上說，應對信號強度差距需要解決兩個問題。第一，儘管信號強度極低，也必須首先檢測到手寫筆。第二，一旦檢測到手寫筆，就必須進行準確報告。這兩大問題各有難點。從概念上講，最合理的手寫筆檢測方法是最大限度地提高傳感器信號。一般通過最大限度地減少傳感器到信號電平（非常接近預期信號電平）的動態範圍，或者甚至通過採用軟體乘法和濾波等方法，來解決有關問題。但是，高增益系統通過正常手指觸摸等較大輸入很容易達到飽和，所以必須認真處理正常觸摸和較小的手寫筆信號。一個常見的方法就是在每個預期的信號電平進行兩次獨立的掃描，從而從手寫筆輸入中區分出正常觸摸。

　　

　　圖2 觸摸及手寫筆簡介

　　這種模式切換容易受到錯誤檢測的影響，因此必須過濾掉錯誤檢測的情況。手指靠近或離開觸控螢幕就是一個典型的例子。當手指靠近時，其信號電平很低（在無源手寫筆區），而離開時信號電平同樣也很低，所以必須採用其它判斷器來確認任何已檢測到的手寫筆輸入。

　　死區的管理

　　檢測到手寫筆後，必須準確進行報告。與典型的手指觸摸不同，無源手寫筆的尖筆頭使用戶能夠精確地看到其放置到LCD的確切位置。因此，儘管信噪比顯著降低，但用戶對手寫筆操控的精確度卻有著更高的預期。此外，線性度也是一個關鍵因素，因為手寫筆通常用於書寫。

　　無源手寫筆與精確度和線性度相關的關鍵問題就是「死區」。「死區」是指觸控螢幕上即使在輸入刺激轉移到新位置時報告信號電平也不發生改變的區域。例如，2毫米的無源手寫筆筆尖在觸控螢幕上可由典型的5毫米傳感器完全包圍。

　　

　　圖3 手寫筆筆尖死區

　　手寫筆在傳感器中心位置的微小移動很難被檢測到，但對於傳感器而言，輸入通常被量化到元件的中心，因此，當手寫筆的移動限於傳感器範圍內時，會被報告為處於固定位置，這就是所謂的死區。

　　解決此問題的一般性方法就是分析所有周圍的傳感器，並用其創建查找表索引，以此來校正報告位置，從而更好地掌握筆尖所在的實際位置。因此，無源手寫筆的精確度和線性度問題歸根結底就是要通過極具創意的方法來生成上述位置索引，或者設計出更先進的查找表，因為死區通常是一個無法克服的物理問題，因此必須找出適當的校正辦法。

　　觸摸誤動作排除的必要性

　　早期無源手寫筆的實現方案一次僅支持一個單一的輸入類型，正常的手指觸摸享有更高的優先級。如果屏幕上出現包括手寫時手握手機或平板電腦的邊緣、或手掌擱在屏幕上等正常的手指觸摸，那麼手寫筆系統將無法正常工作。然而，這兩種情況在大屏幕上使用手寫筆時及其常見。為了便於使用，當手寫筆在屏幕上工作時，必須排除這類誤觸誤動作，從而提高用戶的滿意度。

　　觸控螢幕幕對手寫筆性能造成影響的原因同樣取決於信號差距。觸控螢幕幕會導致其信號擴散到多個傳感器，而外圍傳感器通常在信號電平的手寫筆區域。正常觸摸的信號電平要遠遠高於手寫筆的信號電平。這就好像在黑暗的房間裡有兩隻手電筒，一隻很亮，一隻很暗。手電筒光越強，就越難以看到較暗的手電筒。此外，正常觸摸也會產生共模噪聲。所以，如果噪聲較大的觸摸和手寫筆共享相同的傳感器接收器，那麼手寫筆的輸入將很難檢測到。

　　這些共模噪聲問題是另外一大領域的問題。通常情況下，我們可通過僅掃描所關心的特定傳感器以隔離無源手寫筆的所需信號來解決這個問題。這時我們假設最初能檢測到手寫筆，並跟蹤手寫筆在屏幕上的移動，因而使手寫筆的第一次觸摸最為薄弱。然而，一旦傳感器子集跟蹤到手寫筆，大多數令人煩擾的觸摸問題就都能迎刃而解。

　　雖然上述大多數問題似乎很難解決，但目前觸摸控制器的發展使我們擁有的產品不但具備足以檢測小型尖頭無源手寫筆的敏感度、而且還具備過濾屏幕上噪聲和其它幹擾對象的智能功能。從用戶角度上講，智能觸摸控制器能處理檢測和跟蹤觸摸對象的眾多輸入相關問題。從系統層面上講，成功的關鍵在於開發出相關應用，讓用戶能夠更好地在自己的設備上使用、創建和控制程序，從而提高工作效率，帶來更加自然的操控體驗。

——本文選自電子發燒友網10月《觸控技術特刊》「透視新設計欄目」，轉載請註明出處，違者必究！
 

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