触控动作运作过程阐释

本文将对追踪触碰动作进行全面的阐述，从电容感测的物理原理，一直到萤幕的最终动作。包括介绍系统如何侦测到手指的位置，以及判读手指位置的各种方法，并 介绍手机的软体堆叠，说明应用程式的设计方法，最后再揭露双指捏放手势与萤幕缩放之间的设计内幕。

电容感测的物理原理及手指位置判别

大部分的智慧型手机触控萤幕都能对手指电容产生反应，触控萤幕内有许多排列整齐的感测器，会侦测出因手指移动所导致的电容变化。当你的手指触碰到萤幕时， 就会影响这些感测器的自容（Self-capacitance），以及彼此之间的互容（Mutual Capacitance）。大多数智慧型手机都是感测互容而不是自容。由于互容是反映一对感测器之间的互动关系，因此可用来收集有关萤幕上每个位置的资讯 （X×Y个感测点）；自容则仅能用来侦测每个感测器的反应（X+Y个样本），而不是每个点。

电容感测含有数个层：顶层是玻璃或塑胶材质，接者依序是一个光学透明胶（OCA）层、触控感测器及平面液晶显示器（LCD）。触控感测器是由许多感测元件 所排列而成的网格，尺寸通常为5毫米×5毫米。

这些感测器采用氧化铟锡（ITO）制成。 ITO具有许多特别的属性，为制作触控萤幕的绝佳材质：超过90%透明度并具有导电性。有些设计采用钻石状图纹，不会和LCD的纹线重叠，视觉观感较佳， 其他则采用较简单的「直条与横条」图案设计。如果在充分的光照下，以正确的角度观察你的装置，并关闭液晶萤幕，就能看到ITO感测器的线纹。

图1 互容基本原理

基本上，感测互容的原理（图1）和感测自容完全不同。感测自容通常是量测含有感测器的电阻-电容（RC）电路之时间常数；感测互容的程序则包括量测 X轴与Y轴感测器之间的互动。系统会感测经过每个X轴与Y轴的讯号，借此侦测感测器之间的耦合值（图2）。耐人寻味的是，手指的触碰动作会降低互容耦合 值，但手指触碰动作却会增加自容的值。

图2 互容侦测反应

不论是哪一种方法，光量测电容是不够的，系统必须回应的是电容的变化，而不是个别的电容值。系统会对每个感测器设定一个基准值，这个基准值是经过长 时间温度与其他因素变化后求出的讯号长期平均值，让系统允许讯号在各种状况下产生些微的波动。在建构触控萤幕系统时面临其中一项挑战，就是建立适当的基准 值。例如，当手指触碰到萤幕，系统必须能适当地启动。当沾水的手指或手掌碰到萤幕时，系统也必须能启动。

 

当感测到的电容减去基准值时，就得到一个讯号值阵列，代表图3所示的手指触碰状况。有许多种方法可根据这项资讯来判断手指的位置，其中最简单的方法是计算 质心--质量中心（Centriod），计算出一维或二维轴向感测数值的加权平均值。运用一维质心计算法，根据上述例子的X轴数据，可算出 （5×1+15×2+25×3+10×4）/（5+15+25+10）=150/55= 2.73。接着以液晶萤幕的解析度为标准，将这个位置值适当地缩放，以便和萤幕重叠。若ITO感测器的图案超出液晶萤幕的边缘，则必须进行一些转换计算。

图3 由个别的电容值判定手指位置

接触范围的边缘，让手指位置的问题变得更复杂。举上述的阵列为例，若面板的边缘处碰到这些线条区，采用上述的简单质心推算法，当左侧下移时，右侧就 会开始被「上拉」。为解决这个问题，必须用特别的边缘处理技巧来检查剩下讯号的形状，再推测手指没有接触到萤幕表面的部分。

CPU/USB助阵 触控感测功能升级

当一个有效的触碰讯号出现，且触碰动作的X/Y轴座标被侦测到之后，主控端中央处理器（CPU）就可以得到要处理的资料。嵌入式触控萤幕元件会透过I2C 介面或串列周边介面（SPI）来进行通讯。较大尺寸的触控萤幕通常会采用通用序列汇流排（USB）介面，因为包括Windows、Mac OS以及Linux等作业系统，都有内建USB介面的人机介面装置（HID）支援功能。

虽然采用多个不同的介面，作业系统的驱动程式到最后做的事却大致类似，以Android的驱动程式为例，由于Android与MeeGo都以Linux为 开发基础，因此这三种作业系统都使用类似的驱动程式。

触控萤幕驱动程式的岔断触发器是一个岔断服务函式（Interrupt Service Routine， ISR），负责作业执行绪的排程。 ISR中并没有执行任何作业来维护岔断的延迟以及避免优先权倒置。当作业系统呼叫作业执行绪，会启动一个通讯交易，从装置读取资料，然后切换至睡眠模式。 当通讯交易完成后，主控端驱动程式就得到自己要处理的资料。

主控端驱动程式会把装置制造商采用的资料格式，转换成标准格式。在Linux环境中，驱动程式会透过一连串的次函式（Subroutine）呼叫来复制事 件区域，接着再透过一个最终呼叫来传送事件资料。例如，要建立一个单一触碰Linux输入事件，整段程式可写成：

input_report_abs（ts->input， ABS_X， t->st_x1）; // Set X location
input_report_abs（ts->input， ABS_Y， t->st_y1）; // Set Y location
input_report_abs（ts->input， ABS_PRESSURE， t->st_z1）; // Set Pressure
input_report_key（ts->input， BTN_TOUCH， CY_TCH）; // Finger is pressed
input_report_abs（ts->input， ABS_TOOL_WIDTH， t->tool_width）;// Set width
input_sync（ts->input）;// Send event

提升触控效能　Android不可或缺

这个触控事件之后交给作业系统来处理，如Android会把事件的历史资料储存在手势处理缓冲区，然后把事件传递给View这个类别。有多款触控萤幕元 件，如赛普拉斯（Cypress）TrueTouch产品已经支援硬体手势处理功能（图4）。硬体手势处理功能可纾解主控端作业系统的负荷，分担手势处理 的工作，还能依照不同情况免去处理所有触控资料的负担，一直到看到手势为止。

图4 手势触控类型

举例来说，若你正开发相片浏览器，主控端不必处理数十或数百个触控事件的封包，就能让使用者翻阅下一张相片，直到使用者实际翻阅下一张相片之前，不 会出现任何岔断。

 

感测/回应Android View/Widget至关重要

Android的View类别会判断触控事件发生时系统正执行哪些应用，在萤幕上显示的每个应用，都有至少一个View类别。这个类别中含有许多方法负责 处理使用者的输入，其中包括OnTouchListener，负责处理从输入驱动器收到的资讯，以及MotionEvent中的额外资讯。

如果你曾写过Windows环境下能接收滑鼠事件的程式，就会惊讶地发现滑鼠事件与触控介面之间的差异。 MotionEvent这个类别内含许多方法，包括WM_LBUTTONDOWN常见到的方法，例如GetX与GetY，以及处理触控的位置还有手指停留 在面板上的时间。

当应用看到事件后，就会对触控动作做出回应，这种回应通常是由微程式（Widget）来执行，而不是由应用程式来负责。 Android的Widget内含一些简单项目，像是按钮等，还有包括许多复杂的介面，像是资料挑选器（Data Picker），以及附有取消钮的进度显示条视窗。

应用程式也可直接处理与回应触控动作。绘图程式可选择混用两种方法，在绘图区使用直接触控输入功能，并搭配Widget负责处理选单与按钮的操作功能。

Windows /Android手势辨认各擅胜场

Windows Touch处理功能与Android之间的一项差别，就是解译手势。 Android提供为数众多的手势创作工具，但没有提供任何内建的手势定义。每个设计者都可自由创作自己的手势，包括像手写辨识等复杂的手势。这种方法催 生出许多应用，像是字符辨识的搜寻功能，但意谓在两个不同的Android平台上，同样的手势动作启动的是不一样的功能。

至于Windows则提供一组固定且众所周知的手势，并支援作业系统层级应用，包括GID_PAN、GID_ZOOM、GID_ROTATE、 GID_PRESSANDTAP及GID_TWOFINGERTAP。这些手势动作在任何程式都启动相同的动作，这点让使用者能快速学会使用新程式。两种 方法都各自有其优点。

触控设计迈向未来的过程中会遇到技术层面的挑战，还得应付许多层面之间的互动问题。从选择材料、制造到电子，都是触控感测必须面临的议题。当系统把触控动 作转成数位讯号后，还必须推算其位置和主控端进行通讯以及执行解译等步骤。如今这些问题都已被克服，软体研发业者必须在这些基础上开发令人惊艳的应用。