中心議題：

• 電容感測的物理原理
• 手指位置的偵測和判別方法
• 雙指捏放手勢與螢?zāi)豢s放之間的設(shè)計技術(shù)

多點觸控已是當(dāng)今觸控技術(shù)開發(fā)者最熱衷的研究課題。看似簡單的觸控動作，其實背后隱藏著錯綜復(fù)雜的運作過程，包括將觸控動作轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號，并推算觸碰位置，然后和主控端進(jìn)行通訊并執(zhí)行解譯等步驟，每一個設(shè)計環(huán)節(jié)都將影響最終效能的呈現(xiàn)。

本文將對追蹤觸碰動作進(jìn)行全面的闡述，從電容感測的物理原理，一直到螢?zāi)坏淖罱K動作。包括介紹系統(tǒng)如何偵測到手指的位置，以及判讀手指位置的各種方法，并介紹手機(jī)的軟體堆疊，說明應(yīng)用程式的設(shè)計方法，最后再揭露雙指捏放手勢與螢?zāi)豢s放之間的設(shè)計內(nèi)幕。

電容感測的物理原理及手指位置判別

大部分的智慧型手機(jī)觸控螢?zāi)欢寄軐κ种鸽娙莓a(chǎn)生反應(yīng)，觸控螢?zāi)粌?nèi)有許多排列整齊的感測器，會偵測出因手指移動所導(dǎo)致的電容變化。當(dāng)你的手指觸碰到螢?zāi)粫r，就會影響這些感測器的自容（Self-capacitance），以及彼此之間的互容（Mutual Capacitance）。大多數(shù)智慧型手機(jī)都是感測互容而不是自容。由于互容是反映一對感測器之間的互動關(guān)系，因此可用來收集有關(guān)螢?zāi)簧厦總€位置的資訊（X×Y個感測點）；自容則僅能用來偵測每個感測器的反應(yīng)（X+Y個樣本），而不是每個點。

電容感測含有數(shù)個層：頂層是玻璃或塑膠材質(zhì)，接者依序是一個光學(xué)透明膠（OCA）層、觸控感測器及平面液晶顯示器（LCD）。觸控感測器是由許多感測元件所排列而成的網(wǎng)格，尺寸通常為5毫米×5毫米。

這些感測器采用氧化銦錫（ITO）制成。 ITO具有許多特別的屬性，為制作觸控螢?zāi)坏慕^佳材質(zhì)：超過90%透明度并具有導(dǎo)電性。有些設(shè)計采用鉆石狀圖紋，不會和LCD的紋線重疊，視覺觀感較佳，其他則采用較簡單的「直條與橫條」圖案設(shè)計。如果在充分的光照下，以正確的角度觀察你的裝置，并關(guān)閉液晶螢?zāi)?，就能看到ITO感測器的線紋。

圖1 互容基本原理

基本上，感測互容的原理（圖1）和感測自容完全不同。感測自容通常是量測含有感測器的電阻-電容（RC）電路之時間常數(shù)；感測互容的程序則包括量測X軸與Y軸感測器之間的互動。系統(tǒng)會感測經(jīng)過每個X軸與Y軸的訊號，借此偵測感測器之間的耦合值（圖2）。耐人尋味的是，手指的觸碰動作會降低互容耦合值，但手指觸碰動作卻會增加自容的值。

圖2 互容偵測反應(yīng)

不論是哪一種方法，光量測電容是不夠的，系統(tǒng)必須回應(yīng)的是電容的變化，而不是個別的電容值。系統(tǒng)會對每個感測器設(shè)定一個基準(zhǔn)值，這個基準(zhǔn)值是經(jīng)過長時間溫度與其他因素變化后求出的訊號長期平均值，讓系統(tǒng)允許訊號在各種狀況下產(chǎn)生些微的波動。在建構(gòu)觸控螢?zāi)幌到y(tǒng)時面臨其中一項挑戰(zhàn)，就是建立適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)值。例如，當(dāng)手指觸碰到螢?zāi)?，系統(tǒng)必須能適當(dāng)?shù)貑印．?dāng)沾水的手指或手掌碰到螢?zāi)粫r，系統(tǒng)也必須能啟動。
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當(dāng)感測到的電容減去基準(zhǔn)值時，就得到一個訊號值陣列，代表圖3所示的手指觸碰狀況。有許多種方法可根據(jù)這項資訊來判斷手指的位置，其中最簡單的方法是計算質(zhì)心--質(zhì)量中心（Centriod），計算出一維或二維軸向感測數(shù)值的加權(quán)平均值。運用一維質(zhì)心計算法，根據(jù)上述例子的X軸數(shù)據(jù)，可算出（5×1+15×2+25×3+10×4）/（5+15+25+10）=150/55= 2.73。接著以液晶螢?zāi)坏慕馕龆葹闃?biāo)準(zhǔn)，將這個位置值適當(dāng)?shù)乜s放，以便和螢?zāi)恢丿B。若ITO感測器的圖案超出液晶螢?zāi)坏倪吘?，則必須進(jìn)行一些轉(zhuǎn)換計算。

圖3 由個別的電容值判定手指位置

接觸范圍的邊緣，讓手指位置的問題變得更復(fù)雜。舉上述的陣列為例，若面板的邊緣處碰到這些線條區(qū)，采用上述的簡單質(zhì)心推算法，當(dāng)左側(cè)下移時，右側(cè)就會開始被「上拉」。為解決這個問題，必須用特別的邊緣處理技巧來檢查剩下訊號的形狀，再推測手指沒有接觸到螢?zāi)槐砻娴牟糠帧?br />
CPU/USB助陣 觸控感測功能升級

當(dāng)一個有效的觸碰訊號出現(xiàn)，且觸碰動作的X/Y軸座標(biāo)被偵測到之后，主控端中央處理器（CPU）就可以得到要處理的資料。嵌入式觸控螢?zāi)辉高^I2C介面或串列周邊介面（SPI）來進(jìn)行通訊。較大尺寸的觸控螢?zāi)煌ǔ捎猛ㄓ眯蛄袇R流排（USB）介面，因為包括Windows、Mac OS以及Linux等作業(yè)系統(tǒng)，都有內(nèi)建USB介面的人機(jī)介面裝置（HID）支援功能。

雖然采用多個不同的介面，作業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動程式到最后做的事卻大致類似，以Android的驅(qū)動程式為例，由于Android與MeeGo都以Linux為開發(fā)基礎(chǔ)，因此這三種作業(yè)系統(tǒng)都使用類似的驅(qū)動程式。

觸控螢?zāi)或?qū)動程式的岔斷觸發(fā)器是一個岔斷服務(wù)函式（Interrupt Service Routine， ISR），負(fù)責(zé)作業(yè)執(zhí)行緒的排程。 ISR中并沒有執(zhí)行任何作業(yè)來維護(hù)岔斷的延遲以及避免優(yōu)先權(quán)倒置。當(dāng)作業(yè)系統(tǒng)呼叫作業(yè)執(zhí)行緒，會啟動一個通訊交易，從裝置讀取資料，然后切換至睡眠模式。當(dāng)通訊交易完成后，主控端驅(qū)動程式就得到自己要處理的資料。

主控端驅(qū)動程式會把裝置制造商采用的資料格式，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式。在Linux環(huán)境中，驅(qū)動程式會透過一連串的次函式（Subroutine）呼叫來復(fù)制事件區(qū)域，接著再透過一個最終呼叫來傳送事件資料。例如，要建立一個單一觸碰Linux輸入事件，整段程式可寫成：

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

提升觸控效能　Android不可或缺

這個觸控事件之后交給作業(yè)系統(tǒng)來處理，如Android會把事件的歷史資料儲存在手勢處理緩沖區(qū)，然后把事件傳遞給View這個類別。有多款觸控螢?zāi)辉?，如賽普拉斯（Cypress）TrueTouch產(chǎn)品已經(jīng)支援硬體手勢處理功能（圖4）。硬體手勢處理功能可紓解主控端作業(yè)系統(tǒng)的負(fù)荷，分擔(dān)手勢處理的工作，還能依照不同情況免去處理所有觸控資料的負(fù)擔(dān)，一直到看到手勢為止。

圖4 手勢觸控類型

舉例來說，若你正開發(fā)相片瀏覽器，主控端不必處理數(shù)十或數(shù)百個觸控事件的封包，就能讓使用者翻閱下一張相片，直到使用者實際翻閱下一張相片之前，不會出現(xiàn)任何岔斷。

感測/回應(yīng)Android View/Widget至關(guān)重要

Android的View類別會判斷觸控事件發(fā)生時系統(tǒng)正執(zhí)行哪些應(yīng)用，在螢?zāi)簧巷@示的每個應(yīng)用，都有至少一個View類別。這個類別中含有許多方法負(fù)責(zé)處理使用者的輸入，其中包括OnTouchListener，負(fù)責(zé)處理從輸入驅(qū)動器收到的資訊，以及MotionEvent中的額外資訊。

如果你曾寫過Windows環(huán)境下能接收滑鼠事件的程式，就會驚訝地發(fā)現(xiàn)滑鼠事件與觸控介面之間的差異。 MotionEvent這個類別內(nèi)含許多方法，包括WM_LBUTTONDOWN常見到的方法，例如GetX與GetY，以及處理觸控的位置還有手指停留在面板上的時間。

當(dāng)應(yīng)用看到事件后，就會對觸控動作做出回應(yīng)，這種回應(yīng)通常是由微程式（Widget）來執(zhí)行，而不是由應(yīng)用程式來負(fù)責(zé)。 Android的Widget內(nèi)含一些簡單項目，像是按鈕等，還有包括許多復(fù)雜的介面，像是資料挑選器（Data Picker），以及附有取消鈕的進(jìn)度顯示條視窗。

應(yīng)用程式也可直接處理與回應(yīng)觸控動作。繪圖程式可選擇混用兩種方法，在繪圖區(qū)使用直接觸控輸入功能，并搭配Widget負(fù)責(zé)處理選單與按鈕的操作功能。

Windows /Android手勢辨認(rèn)各擅勝場

Windows Touch處理功能與Android之間的一項差別，就是解譯手勢。 Android提供為數(shù)眾多的手勢創(chuàng)作工具，但沒有提供任何內(nèi)建的手勢定義。每個設(shè)計者都可自由創(chuàng)作自己的手勢，包括像手寫辨識等復(fù)雜的手勢。這種方法催生出許多應(yīng)用，像是字符辨識的搜尋功能，但意謂在兩個不同的Android平臺上，同樣的手勢動作啟動的是不一樣的功能。

至于Windows則提供一組固定且眾所周知的手勢，并支援作業(yè)系統(tǒng)層級應(yīng)用，包括GID_PAN、GID_ZOOM、GID_ROTATE、GID_PRESSANDTAP及GID_TWOFINGERTAP。這些手勢動作在任何程式都啟動相同的動作，這點讓使用者能快速學(xué)會使用新程式。兩種方法都各自有其優(yōu)點。

觸控設(shè)計邁向未來的過程中會遇到技術(shù)層面的挑戰(zhàn)，還得應(yīng)付許多層面之間的互動問題。從選擇材料、制造到電子，都是觸控感測必須面臨的議題。當(dāng)系統(tǒng)把觸控動作轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號后，還必須推算其位置和主控端進(jìn)行通訊以及執(zhí)行解譯等步驟。如今這些問題都已被克服，軟體研發(fā)業(yè)者必須在這些基礎(chǔ)上開發(fā)令人驚艷的應(yīng)用。