投影式电容触摸屏柔性振动触觉反馈研究
路翔，罗挺
(1.后勤工程学院后勤信息工程系，重庆401311；2.后勤工程学院训练部，重庆401311)
摘要：良好的触觉反馈是普通触摸屏人机界面友好性的重要体现。基于现有触觉反馈方式，以投影式电容触摸屏为研究对象，提出了柔性振动技术，分析了触摸屏各种输入方式的触觉反馈实现方式。与采用其他触觉反馈技术的情况相比，采用柔性振动技术的触觉反馈拟真度较高，结构较为简单，具有更好的人机界面友好性。
关键词：柔性振动、投影式电容触摸屏、 触觉反馈、人机界面
中图分类号:TN141． 8;TP391． 9 文献标志码:A
触摸感应技术的飞速发展，让用户可以完全抛开物理按键和电位器的束缚，直接在显示屏上图形化操作电子设备，极大地改善了人机界面的友好性［1 － 2］。但基于屏幕的物理特性，触摸屏输入方式具有缺失触觉反馈的先天不足［3］，对输入行为的提示，只能以声音、图像或文字视觉、整机单一振动等反馈方式予以弥补，无形中增加了设备使用对环境的要求。此外，由于缺少物理按键和电位器优良的触觉反馈体验，触摸屏输入方式增大了漏输入和误输入的几率［4］，特别是投影式电容触摸屏，这种现象尤为明显。基
于以上分析，本文以投影式电容触摸屏输入为研究对象，尝试以柔性振动方式对用户输入进行标识，以期提升触摸屏输入的友好性，减少漏输入和误输入的发生。
1 投影式电容触摸屏
1． 1 触摸感应技术
触摸感应技术是以捕捉手指的触摸动作信息为基本出发点，将手指触摸动作的信息转化成电信号并加以判断识别，使之与传统物理轻触按键的“按压”和释放动作等价。触摸感应技术不但可以实现单按键的检测，而且可以同时实现多按键的检测。借助于软件程序，可以将触摸屏上的按键设计成各种形状，比如普通按键、滑块、拨盘，实现各种不可见的操作方式( 诸如画面缩放、多维旋转等) 。从这个层面来看，触摸感应技术已经可以在功能上替代普通的物理按键和电位器。
1． 2 触摸屏
触摸屏是触摸感应技术的主要应用成果之一。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器两部分组成。根据触摸感应原理，可以将触摸屏划分为电阻式触摸屏、红外线触摸屏、声表面波触摸屏、表面电容触摸屏和投影式电容触摸屏几种。
图1 投影式电容触摸屏工作原理
1． 3 投影式电容触摸屏
目前触摸屏市场虽然由电阻式触摸屏占据绝大部分份额，但根据近几年技术发展趋势来看，投影式电容技术才真正代表触摸感应技术发展方向，它也成为目前电子产品的首选触控解决方案。投影式电容触摸屏是通过检测电极间的电容变化进行触摸位置侦测，支持多点触控。这种触摸屏面板一般都选择玻璃作为基板，采用单片或者双片组合并于基板上镀上氧化铟锡( indium tin oxides，ITO)。目前常见的ITO 形状有钻石结构与矩阵式结构，除了苹果手持设备屏幕采用矩阵式结构，其他电容式感应组件一般都属于钻石结构，感应方式都是通过手指接近或碰触玻璃表面导致电荷变化形成电流信号源，经过控制电路的模数转换器与DSP 电路计算判断手指碰触点。其多点触控的工作原理见图1，利用手指碰触感应造成电荷量的变化，形成电流信号源，从感应发射端通过X /Y 轴扫描以及接收端接受信号后，再通过模数转换器参照与周围相邻感应节点的权重来计算判断触控位置，将原始X /Y 坐标传输给MCU 与DSP，作移动速度与手势判断等处理。
2 触觉反馈实现方式分析
尽管投影式电容触摸屏的触控功能可以给用户带来友好的人机界面，但同时也产生了新的问题: 从用户体验角度来看，由于目前触摸屏的触按，一般只能通过音效或虚拟按键图示的变化呈现反馈效果，不会得到传统物理按键或电位器滑块的力反馈操作体验，从而导致实际的使用效益降低。
目前，触觉反馈的具体实现方式主要有单级振动，触摸屏与触觉反馈模块整合，以及柔性振动。
2． 1 单级振动
单级振动是绝大多数触摸屏设备实现触觉反馈的基本方式。触摸屏的虚拟按键在触按时产生振动，以反馈给使用者该次输入行为有效［14］。这种方式的优点是实现简单，成本低廉，在微型手持设备( 如移动电话机) 中普及率高，但缺点也显而易见: 振动感觉生硬，频繁振动导致使用者满意率迅速降低，故只能用于普通微型手持设备。对于小型以上的设备，特别是大型设备，这种局部或者整体的振动会导致零部件松动、短路、损坏，甚至其他更为严重的事故。
2． 2 触摸屏与触觉反馈模块整合
单级振动效果与物理按键的体验感觉具有本质的差异，要从根本上消除这种差异，最终的解决方法是将触摸屏与触觉反馈模块搭配整合起来。例如诺基亚公司最近开发的一种新技术，能让触摸屏上的某一处区域产生振动; 苹果公司也在几年前申请了一项柔软触摸屏专利，该产品在屏幕下方垫一层透明触点，用户在按键时能够获得如同接触真正键盘的触感。
此外，微软公司也申请了一项专利，使用一种新材料，能够根据受辐射的紫外线波长改变其表面形状。根据这项专利所述，微软公司将这种形状记忆体做成和触摸屏像素相同，覆盖在触摸屏表面，然后利用安装在屏幕下的摄像头判断出用户手指即将接触屏幕的位置，通过向相应位置射出特定波长的紫外线，令用户的手指感受到类似石头、木材、玻璃等的表面触感。
这些新材料和新工艺虽然能够产生较为理想的触觉反馈，但基于成本和通用性考虑，触摸屏与触觉反馈模块整合的理念仍然停留在实验阶段。
2． 3 柔性振动
单级振动的触觉反馈效果机械而又生硬，但是实现简单，成本低廉; 而触摸屏与触觉反馈模块整合的触觉反馈效果良好，近似于物理按键，但因涉及新材料与新工艺，加之高成本、低效益，当前，这种触觉反馈实现方式并不具备可操作性。针对投影式电容触摸屏的设计特点，结合单级振动和触摸屏与触觉反馈模块整合这两种方式各自的优势，本文提出了柔性振动的触觉反馈方式。柔性振动是在单级振动的基础上，根据触摸屏的虚拟按键与滑块所对应的功能实现振动。柔性振动不是单级振动中的普通机械振动，其特点是可以通过改变振动的频率、波形、幅度和周期，令用户感受到近似于物理反馈的触觉效果。
图2 柔性振动触觉反馈实现流程
3 柔性振动实现方式
柔性振动触觉反馈实现方式如图2所示。整个柔性振动系统由多个微型振动器组成，它们均匀分布在触摸屏下方。当用户的手指在触摸屏上做出一个动作，例如点击或者滑动，触摸屏控制器A 就根据触点定位的坐标以及触摸的力度与方向，分析用户的操作意图，将所要执行的命令发送至相应的应用程序MCU，执行下一步任务; 同时，根据用户的操作意图，调用相关反馈方案，对屏幕下方的多个振动器，分别采用不同频率、波形、幅度和周的振动，实现触觉反馈。
图3 振动器位置分布
3． 1 点击动作的柔性振动实现方式
以触摸屏含5 个微型振动器为例，如图3 所示。设X 点在振动器A 正上方，振动器A 的振动反馈力为N，则用户点击图3 所示X 点时，振动器A 的振动反馈力为αN，振动器B 的振动反馈力为βN，振动器C 的振动反馈力为γN，振动器D 的振动反馈力为δN，振动器E 的振动反馈力为εN。其中α，β，γ，δ 和ε 均为反馈力系数，且根据振动器与X 点的距离呈非线性下降趋势，距离越远，系数越小。当X 点无限接近A 处，B，C，D 和E 4 处的振动反馈力接近于零。
3． 2 滑动动作的柔性振动实现方式
滑动动作较点击动作稍显复杂。在普通机械滑块中，滑块从初始状态开始，需要克服静摩擦力; 一旦开始滑动，由于加速度的产生，动摩擦力减小; 在结束滑动之前，速度降为零，力反馈较强。因此，在滑动动作的触觉反馈设计上，需要真实反映滑动的3 个阶段。仍然以触摸屏含5 个微型振动器为例，如图3 所示。当手指在触摸屏上从X 点滑向Y 点，首先判断该项动作是连续点击还是连续滑动。以固定时间τ 为界，当任意2 次点击时间t ＜ τ，则判定为滑动动作;84 后勤工程学院学报2011 年而当2 次点击时间t≥τ，则判定为2 次点击。当判定为滑动，由X 点至Y 点滑动时，振动器A 的振动反馈力为α'αN，其中α'是动态参数，在滑动刚开始时其值较大，而后保持恒定，最后在动作停止时再次增大。
3． 3 投影式电容触摸屏中实现柔性振动存在的问题
投影式电容触摸屏的工作原理是基于互电容的检测方式，而不是基于自电容的检测方式。互电容的检测方式是检测行列交叉处互电容( 也就是耦合电容Cm) 的变化，当行列交叉通过时，行列之间会产生互电容( 包括行列感应单元之间的边缘电容和行列交叉重叠处产生的耦合电容) ，有手指存在时互电容会减小，由此即可判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点的位置［7］。相比于自电容的检测方式，互电容的检测方式更易受到外部噪声的干扰。
柔性振动技术方案的实现需要引入多个微型振动器，而多个微型振动器同时工作，会对触摸屏控制器判断每一个触摸点的动作产生较大影响，从而增大误判的产生。此外，触摸屏控制器本身也会因其他多个传感器如加速度传感器、重力感应传感器、距离传感器、光线感应传感器等的存在，从而受到内部噪声干扰。用户手指上的汗、油、膏和污渍，也会对触摸位置和触摸动作的判定产生干扰。这些方面的问题，都需要在柔性振动技术投入使用之前认真研究解决。
4 结语
投影式电容触摸屏具有越来越广泛的应用前景，它代表触摸屏发展的方向。触觉反馈是其应用研究热点之一，触觉反馈的拟真度直接影响触摸屏人机界面的友好性。相较于单级振动的简单触觉反馈和触摸屏与触觉反馈模块整合的理想触觉反馈，柔性振动的触觉反馈实现方式克服了前两者先天存在的不足，也兼备两者一些优势。在优化设计方案中，将触控屏幕搭配整合触觉反馈模块，再利用系统底层的互动设计，模拟达到近似原有实体按键的操作体验，以改善人机界面的友好性。
目前，柔性振动的触觉反馈虽然会导致硬件成本的增加和整个触摸屏装置体积增大，但随着各种手持装置或固定装置的触控面板趋于增大，虚拟键盘应用比例逐渐增加，这个问题也会逐渐得到解决。
参考文献
［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?NIG 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． 触摸感应技术及其应用: 基于CapSense［M］． 北京: 北京航空航天大学出版社， 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］ 程子华，阳胜峰． 视频学工控: 触摸屏应用技术［M］． 北京: 人民邮电出版社， 2010: 1 － 6．
［8］ 叶以雯，钱金维． 压电式多点触控技术的原理与优势分析［J］． 现代显示，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． 触控技术的发展应用趋势: 触控解决方案多元化［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．
