精准侦测触碰动作　触控萤幕打造直觉操作介面

某些搭载触控萤幕的手机相当出色，可让使用者忘记自己使用的不是键盘而是一片玻璃。本文将说明触控产品设计上各种潜在的错误来源，其中包括假触碰、错失触碰以及定位不准等，此外，也将阐述各种效能要求、标准测试以及常见的错误模式。
多点触控萤幕市场持续快速成长，Windows 7与iPad引发各界对大萤幕的兴趣，但市场的主力仍集中在手机市场，原因在于手机每年仍占极为可观的出货量。根据南韩市调机构Displaybank的报告，搭载触控萤幕的手机，其市占率将从2010年的20%成长至2012年的30%，大多数的成长动力来自投射式电容(Projected Capacitive)触控萤幕，这也是唯一能侦测多只手指(多点触控)的常见触控萤幕类型。

增进手势感测精准判断线性度测试为关键

当你的手指靠近或接触到触控萤幕时，投射式电容触控萤幕会侦测出电容的变化。变化的幅度通常不到1pF，然而系统中的其他电容值却远大于此。适当地侦测这项讯号，然后转换成手指的位置，是项相当困难的工作。有几项量测方法如精准度、线性度、持续性、手指间隔、反应时间、更新率、手指电容、系统杂讯底线、讯噪比(SNR)等，能协助研判系统是否运作得宜。

精准度定义为“在预先定义的触控萤幕区域内，最大的定位误差，其值为手指实际位置与通报手指位置之间的直线距离”。举例来说，若实际位置为(50,60)，而通报的位置为(51,62)，则该点的精准度就是SQRT((51-50)2+(62-60))像素。之后再把这个值转换成公厘，以在不同面板上有相同的量测单位。

要正确的测量出精准度并非易事。这种测试通常是用正交座标机械臂(Cartesian Robot)来进行，这种机具外观像是一部用模拟手指代替笔的X/Y轴平面绘图机。手机必须置于已知的位置，之后手指必须移至面板上的某个精准定位位置。若装置本身的边缘平坦而且没有凸出的按钮，则可将装置置于机械手臂工作区的边缘，让手机和机械手臂之间能精准对位。但若装置本身有弯曲边缘或凸出按钮，则对位就可能不精确。从数学层面来说，移除对位误差是可能的，但会引入不确定性：究竟误差是来自置放位置不精准，或是真正的精准度问题(图1)。


图1 精准度与线性度
Moto Design在2010年被思科(Cisco)购并前曾发表一部影片，展示如何快速测试触控萤幕的效能。其方法相当简单：在萤幕上画多条线，然后看线条是直线或波浪扭曲状。画对角线是因为电容式触控感测器采用一组网状排列的感测器，与X/Y轴向对位，因此画对角线对系统产生的考验压力会高于垂直与水平线。这种测试法真正测试的是线性度。

线性度定义为“通报结果与所有通报结果回归直线的差异”。但这个定义可能低估了使用者看到误差的幅度。若通报的位置在某个方向上偏移0.25毫米(mm)，则该点在反方向偏移了0.25毫米，线性度与精准度的评分都得到这是一个0.25毫米的误差。但当使用者看萤幕时，他们看到的是位置偏移了0.5毫米，因此或许另一个专有名词更适合用来描述这种误差。

其中一种方式是把持续性定义为线条的“跳跃性”。持续性是量测位置的短距变化，其定义为“通报位置变化与实际位置变化之间的最大差距，沿着第一个通报位置与第二个通报位置之间的直线量测”。举例来说，若第一点实际位置为(50,0)，通报位置为(49,0)，第二点实际位置为(100,0)，通报位置为(101,0)，则持续性误差为(101-49)-(100-50)=2画素。此值再转换成距离值，以使在不同面板上有相同的量测单位。

在电容式触控萤幕的生命周期内，上述三种量测数值都会维持不变。这是投射式电容触控萤幕另一个胜过电阻式触控萤幕的优点。电阻式触控萤幕的许多属性会随时间和不同的环境条件而改变，正由于它们是一个单一大型感测器，因此任何误差都会影响整个面板。

建构灵活触控系统手指间隔/反应时间至关重要

在知道手指的位置后，还有另一项效能量测数值能用来改善使用者体验。其中之一就是手指间隔。手指间隔不佳的元件，当两只手指同时触碰萤幕时，通常在键盘中间部分会出现通报错误的状况。要测试手指间隔，方法相当直接，就是同时把两只模拟的手指置于面板上，然后持续靠拢两只手指，直到系统通报一只手指为止。若没有良好的手指间隔机制，就不能建构真正的多点触控解决方案。

手指间隔定义为“当两只手指置于触控萤幕上，且触控萤幕控制器仍通报为两只不同手指时，两者中心点之间的最小距离”。一些触控萤幕供应商标示的手指间隔为边缘与边缘的距离，有些则是中心点之间的距离。以10毫米机械手指测得10毫米的手指间隔，可能意谓手指相互接触，或两只手指相距10毫米，实际情况端看触控控制器的规格标示方法而定。

反应时间定义为“在触控萤幕上发生手指触碰事件与触控萤幕控制器产生岔断讯号之间相隔的时间”。要测得这个时间，可用电子脉冲刺激触控萤幕，藉此模拟手指或把模拟手指移到萤幕上。反应时间较长的系统，在拨打号码或输入时会有迟缓的现象。较长的反应时间，会让系统错失快速的轻击触碰，像是点击(Tap)或双点按手势的其中一次触碰。 触控萤幕的反应时间，是侦测与定位手指时，所有扫描与处理时间的总和。触控萤幕控制器内部的执行步骤如下：

·X/Y轴扫描

触控控制器扫描与量测感测器电容变化所需的时间。

·手指侦测

比较面板的电容变化以及预先定义的手指门槛。若变化超过手指的门槛，代表已侦测到手指。

·手指定位

解译多个感测器结果，判断手指的实际位置。

·手指追踪

当超过一个手指置于感测器时，系统必须辨识出每个手指，并指派给一个独一无二的识别代号。

触控萤幕的反应时间还要加入其他多个元素，才能评估最终使用者实际的整体系统反应时间：

·岔断延迟

主控端上岔断指示与岔断服务之间的延迟。在大多数系统中，延迟不到100微秒(μs)，但在某些系统中，则可能高达10毫秒(ms)。

·通讯

一般系统采用400KHz的I2C或1MHz的串列周边介面(SPI)来和主控端进行通讯。

·触碰处理

当触碰资料已传入系统时，系统必须做出反应。

·使用者回馈
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系统可透过一些指示讯息，代表触碰动作已被辨识。包括声响、视觉输出、或触觉回馈。

更新率定义为“当手指出现在触控萤幕上时，在资料缓冲区中，触控萤幕资料的两个连续画格之间的时间”。在许多系统中，最大的反应时间是更新率的两倍，因为触控动作可能在该萤幕区域刚被扫描后就发生。

低更新率会让曲线看似由许多线段组成，而不是平滑的曲线。低更新率的系统，会将单一画动手势以多个较小手势表现，甚至以多个触碰点表现。

若触控面板拥有高更新率，则能提供更多的资料点，让系统解读出平顺或完整的形状或动作。如赛普拉斯(Cypress)TrueTouch产品等的智慧型触控萤幕控制器，能调整其更新率，以配合系统的功耗与反应时间等要求。

尽管描绘或手写应用，需要快速的更新率，但手机拨号键盘则仅须在按钮被按下或释放时及时向主控端发出岔断即可。

量测功耗并不像表面想像的简单，因为在不同模式下，运作功耗会随之改变，因此必须量测每种模式下的功耗，并根据每种模式所占的时间比率，再算出加权后的平均功耗。电脑制造商与手机制造商已研究这个问题许多年，其可以在以萤幕低亮度阅读PDF档时量测笔电的电池续航力，也可在观看动作片DVD光碟时量测电池续航力。更可以在靠近或远离基地台的地方量测手机的通话时间。

在设计一个电容式触控萤幕系统时，系统设计人员必须注意其他几项重要参数。如手指与感测器元件之间测得的电容。手指电容是用实际的手指而非金属模拟手指所测得的电容，以确保测得符合实际的数据。影响CF的因素包括上覆镜片的厚度，以及上覆镜片材质的介电常数。而系统杂讯底线则为相较于转换器的输入值(电容)，在电容至数位转换器的输出端所测得的杂讯值。

此外，一个感测器测得的手指讯号，除以观测到的量测杂讯。不同厂商量测杂讯的方法不同，因此必须了解他们采用的量测方法。在图2中，峰对峰杂讯为10，但均方根(RMS)杂讯则约为3。这意谓着峰对峰的SNR杂讯会好上三倍，但实际上SNR并没有改变，只是描述方式改变而已。

图2 Peak to Peak与RMS杂讯的通报数据
而赛普拉斯TrueTouch系列元件的可编程解决方案，在滤除杂讯方面提供绝佳的机制。可编程类比元件可设定用来长时间整合各个讯号，藉以滤除杂讯。包括展频与伪随机频率等不同讯号频率，都能用来避免电磁干扰。标准的数位滤波器可消除1～2位元的讯号抖动，或提供类似无限脉冲响应(IIR)的低通滤波器功能。智慧型数位滤波器可比较面板上相邻采样点的数据，然后剔除“不寻常”的样本。智慧型滤波器唯一的限制，就是系统设计人员的创造力。

有许多因素会影响触控萤幕的效能，开发一个成功的触控萤幕产品，必须注意每一项因素。若产品的每个部分都符合这些规范，触控萤幕就可拥有符合使用者期盼的直觉化操作介面。

(本文作者任职于赛普拉斯)