Touch, MultiTouch и кое-что ещё

MultiTouch — стремительно набирающая популярность технология, позволяющая таким устройствам как сенсорные панели и экраны распознавать несколько касаний одновременно. Многие считают её технологией будущего, которая выведет пользовательский интерфейс на качественно новый уровень взаимодействия. Первым массовым mutlitouch устройством, стал Apple IPhone, выпущенный в 2007 году.
Но не iPhone единым жив мульти-тач, в этой статье я хочу рассказать о разных подходах к реализации Touch-интерфейсов с технической стороны, но не углубляясь в сверхсложные и непонятные простому человеку нюансы.

Чуток истории

Но далеко не Apple изобрели MultiTouch, работы в этом направлении велись с середины 80х годов. В 1984 году Bell Labs разработали мульти-тач экран на котором можно было манипулировать изображениями при помощи более чем одной руки, но эта разработка так и не увидела будущего.
В 1999 году компания FingerWorks выпустила несколько MultiTouch устройств, таких как внешний жестовый тачпад iGesture Pad и весьма экзотичная клавиатура TouchStream. После нескольких лет пребывания в собственной нише продукции, FingerWorks были приобретены Apple.

Технологическая сторона

Для простого пользователя, все во что можно тыкать пальцем-стилусом — есть тач, а то во что можно тыкать несколькомя пальцами одновременно — мульти-тач. Но вот с технической точки зрения, к реализации сенсорных поверхностей есть множество совершенно разных подходов.

Резистивная технология

Технология относительно старая, и становящаяся уже «немодной». Тачпад состоит фактически из двух частей: гибкого слоя сверху (тонкая полиэфирная пленка и т.п.), и нижнего жёсткого слоя (как правило стекло), оба слоя являются проводниками, и имеют электрическое сопротивление. Они разделены воздухом или другим диэлектриком. Палец касаясь верхнего слоя, прогибает его так, что тот контактирует с нижней подкладкой. Напряжение в точке контакта измеряется и вычисляются координаты касания.
Поверхности могут быть прозрачны и использоваться в тач-скринах, кпк и т.п. Для большей точности нажатия можно использовать стилус, или любой стилусо-подобный предмет.

У этой технологии множество недостатков, таких как невысокая чувствительность, механический износ, относительно большие физические размеры, подверженность случайным касаниям.
Но, Nokia, используя резистивную технологию у своих тач-концептах и новой модели 5800 добились тактильного фидбека от экрана. То-есть, по ощущениям нажатие кнопки на таком экране сходно с нажатием реальной физической кнопки.

Ёмкостная технология

Взаимная ёмкость

Сенситивная поверхность наносится подобно обыкновенным печатным платам. Она состоит из верхнего изоляционного слоя и сетки дорожек-проводников под ним. Когда палец касается поверхности, он изменяет электрическую ёмкость между соседними дорожками, исходя из чего возможно вычислить его положение и площадь касания.

Этот подход эффективнее резистивного, более долговечен из-за отсутствия подвижных частей, более точен, и благодаря технологии изготовления, может быть нанесён практически на любую поверхность. Большинство современных производителей (Synaptics, Apple, другие) используют именно её. Проводниковые дорожки могут быть изготовлены из прозрачных материалов, что позволяет также использовать ёмкостную технологию в тач-скринах. Так же, технология позволяет распознавать несколько касаний одновременно, но реагирует только на человеческие пальцы (и другие объекты со сходными электрическими характеристиками). Использование классических стилусов, или подручных средств в их качестве — невозможно, но на рынке присутствуют специальные стилусы, по сути имитирующие свойства человеческого пальца.

Собственная ёмкость

Технология подобна предыдущей, но вместо двух отдельных слоев проводников, используется один слой электродов, подсоединённых к емкостно-чуствительной цепи.

Технология может обладать более высокой точностью по сравнению со взаимно-емкостной, но она плохо применима для устройств с большой площадью тач-поверхности из-за высокой восприимчивости к паразитным ёмкостям, появляющимся на самих электродах.
В IPhone по неподтверждённым данным используются оба подхода.
Технология DuoSense™, представленная компанией N-Trig для продуктов Microsoft является по сути все той же взаимно-емкостной технологией, с поддержкой мультитач и специальных стилусов (продукты Apple впрочем, тоже.).

Другие подходы к MultiTouch

Рассеивание полного внутреннего отражения

Этот подход с очень уж заумным названием, весьма перспективен к созданию MultiTouch-поверхностей большой площади.
На акриловый экран проецируется изображение, с помощью проекторов, расположенных с противоположной к пользователю стороны. Когда к поверхности прикасается какой-либо объект, свет излучаемый светодиодами, размещёнными по периметру экрана рассеивается в точке соприкосновения и попадает на датчики отражений, при помощи которых, программными методами рассчитывается местоположение точки касания.

Инфракрасный свет распространяется внутри акрила, не выходя наружу, но если палец касается поверхности, свет рассеивается от него и попадает на сенсоры. Использование гибкого материала для покрытия экрана позволит измерять силу нажатия, следя за изменением характера рассеивания лучей.

Microsoft Surface использует подобный подход, но источник инфракрасного света расположен рядом с проектором, а преломления распознаются инфракрасными камерами.

Другие, менее распостранённые технологии

Инфракрасное позиционирование

Есть два принципиально различных метода:

Первый

опирается на изменение электрического сопротивления поверхности в последствии изменения температуры. Этот метод неточен, медленен и требует тёплых рук.

Второй

состоит в размещении сетки инфракрасных излучателей и сенсоров по периметру, перед экраном. При касании, объект заслоняет собою лучи и тем самым даёт определить позицию. Этот метод применяется в военных приложениях, требующих сенсорной панели.

Распознавание поверхностных акустических волн

По тач-поверхности распространяются ультразвуковые волны, при касании её сторонним предметом, они искажаются и исходя из этого просчитывается положение касания.

Тензиометры

Тензиометр — прибор для определения механических деформаций в твёрдом теле и преобразования их в электрические импульсы. При совмещении такого устройства с экраном получается недорогой, неточный, но прочный и надёжный тач-скрин. Используются в аппаратах продающих билеты, счето-пополнителях и т.п. из-за своей вандалостойкости.

Оптическое распознавание

Относительно новый и перспективный подход. Два или больше оптических сенсора размещаются по краям экрана (чаще по углам). С противоположных сторон, в зоне видимости камер — инфракрасная подсветка. При соприкосновении стороннего тела с экраном, возникает тень от подсветки, камеры с разных углов снимают её. Информация сопоставляется, и позволяет вычислить местоположение.

Дисперсия сигнала

Точка касания вычисляется датчиками относительно вибраций и деформаций в стекле. Заявляется, что эта технология устойчива к пыли, грязи и царапинам. Так же, из-за малого количества дополнительных приспособлений, она может быть применена на обычных стеклах (окнах, столешницах и т.п.). Но поскольку отслеживаются механические вибрации, эта система не может опознать недвижимый объект.

Акустическое распознавание

Технология подобна методу дисперсии сигнала, но механические колебания конвертируются в аудио-сигнал и сравниваются с предзаписаными профилями каждой точки экрана. Преимущества и недостатки те же, что и в дисперсионного метода.

Пиксель-сенсорные дисплеи

Компания Sharp анонсировала сверхчуствительные Touch-экраны. Суть новинки в том, что каждый пиксель экрана включает в себя оптический сенсор. Таким образом нет нужды в дополнительном покрытии поверх экрана, и можно добиться более чистого изображения, по сравнению с другими сенсорными дисплеями. Такой экран может отслеживать касания, передвижение, а так же использоваться в качестве сканера.
(Данную инфу предоставил krmolot)

---

Текст собран из разных источников, написан голыми руками в PyRoom , размечен в Vim и финально типографирован в Типографе.
^{Решил и я закосить под рекламу в конце поста:)}