1 概 述

電子紙顯示屏是一種全新顯示屏，具有功耗低、閱讀舒適等優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型顯示屏技術(shù)，電子紙顯示屏催生了眾多創(chuàng )新性移動(dòng)應用，比如電子書(shū)、電子報紙、電子顯示牌等。S1D13521是Epson公司和E Ink公司2008年聯(lián)合推出的一款電子紙顯示控制器，具有多種全新特性，為E Ink電子紙顯示屏提供了強大的技術(shù)支持。如何充分利用S1D13521的特性，為新一代電子紙顯示屏提供更佳的人機交互體驗已成為一個(gè)有待研究與解決的問(wèn)題。本文以津科V30型手持閱讀器為實(shí)例，介紹一些實(shí)際開(kāi)發(fā)中的設計經(jīng)驗和實(shí)現技術(shù)。

2 S1D13521及開(kāi)發(fā)平臺

2.1 S1 D13521簡(jiǎn)介

S1D13521提供多種主機處理功能，極大地減輕了主機負載，提升了系統整體性能；支持2 048×1 536的分辨率(50 Hz)，最大支持4 096×4 096分辨率(低于50 Hz)，支持32灰度級顯示；支持多區域并行顯示刷新，提高了電子紙顯示屏的響應速度。使用這種控制器，電子紙顯示屏最多可同時(shí)執行16個(gè)區域的局部擦寫(xiě)。顯示屏響應速度的大幅提升使觸摸屏式的用戶(hù)交互方式成為可能，并帶來(lái)響應式手寫(xiě)筆輸入、下拉菜單等一系列新的應用。這一技術(shù)為提升電子紙用戶(hù)界面體驗提供了強大支持。

S1D13521系統結構如圖1所示。S1D13521顯示控制器在主機與電子紙顯示屏之間，用于控制電子紙的顯示刷新。


2.2 S1D13521顯示控制原理

電子紙顯示屏具有獨特的顯示刷新機制。不同于CRT和TFT等顯示屏的動(dòng)態(tài)主動(dòng)刷新方式，電子紙顯示屏只有當數據更新時(shí)才會(huì )刷新，相對而言是一種靜態(tài)被動(dòng)刷新。

基于電子紙顯示屏這種特性，S1D13521主要向上層提供2種功能，即貼圖和刷屏。貼圖功能是把內存中的一塊區域復制到顯存中；刷屏功能是把顯存中的一塊區域刷新到電子紙顯示屏。刷屏分為全屏幕刷新和部分矩形區域的塊刷新。塊刷又可分為多級灰度塊刷和黑白兩級塊刷，其中黑白兩級塊刷具有更高的響應速度。

2.3開(kāi)發(fā)平臺簡(jiǎn)介

本文的開(kāi)發(fā)平臺使用津科V30型手持閱讀器。該設備采用S1D13521顯示控制器，配置6英寸E Ink電子紙顯示屏，分辨率為600×800。本文程序運行于應用程序層，經(jīng)底層驅動(dòng)封裝的S1D13521編程接口如下：


3 電子紙人機交互設計

3.1 電子紙人機交互結構模型

S1D13521大幅度提升了電子紙的響應速度，從而加速了顯示屏對用戶(hù)操作的反饋，使動(dòng)態(tài)的視覺(jué)反饋效果成為可能�；�于這種特性與優(yōu)勢，本文設計了一種控制-反饋人機交互結構模型，如圖2所示。


模型中最核心的兩部分是動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋和觸摸屏輸入。通過(guò)簡(jiǎn)單的觸摸屏操作手勢，用戶(hù)可以方便直觀(guān)地操控設備；系統根據觸摸屏輸入及時(shí)給出動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋，以指導用戶(hù)操控；當用戶(hù)得到反饋信息，隨即根據感官獲取而改變操控動(dòng)作。這就是一個(gè)控制-反饋的循環(huán)過(guò)程，這一動(dòng)態(tài)交互過(guò)程極大地提升了用戶(hù)交互體驗。

3.2操控手勢及界面布局

基于上述模型，本文針對津科V30型手持閱讀器設計了7種基本操控手勢，并以此為基礎設計了合理界面布局，如圖3所示。


這種設計可以通過(guò)幾種簡(jiǎn)單的操控手勢實(shí)現所有閱讀器的基本功能，很好地遵循了人機交互設計的一致性和界面簡(jiǎn)潔性原則；同時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋給予用戶(hù)及時(shí)響應，從而實(shí)現整個(gè)交互功能。

4電子紙人機交互實(shí)現

在電子紙人機交互的實(shí)現中，充分利用S1D13521的特性，對各種操作及時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋，可達到直觀(guān)、易用的人機交互效果。

4.1簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)反饋的實(shí)現

動(dòng)態(tài)反饋的實(shí)現依賴(lài)于顯示器快速刷屏響應，而S1D13521的一個(gè)重要特性就是可以加速塊刷。相對于傳統800 ms的塊刷時(shí)間，S1D13521可以把黑白兩級塊刷時(shí)間降為300 ms。充分利用這一特性，可實(shí)現多種簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)反饋效果。

實(shí)現的一般過(guò)程是，首先計算每一幀顯示屏變化區域大小，然后調用快速塊刷函數GrFastPartialPrint完成對變化區域的顯示刷新，這樣就能以3幀／s的速率實(shí)現動(dòng)態(tài)效果。這一技術(shù)的關(guān)鍵是計算合適的塊刷區域，從而保證有效的刷屏速度。

津科V30型閱讀器人機交互的翻轉、退出、撤銷(xiāo)3種操作就是使用這一技術(shù)實(shí)現的。這里以退出操作的卷簾效果為例說(shuō)明。退出操作是從閱讀狀態(tài)返回書(shū)架，當用戶(hù)從屏幕上方下向下劃動(dòng)，書(shū)架隨之以卷簾效果展開(kāi)。圖4展示了書(shū)架的卷簾效果及顯示刷新過(guò)程。其中，框出區域為每幀塊刷區域。


4.2即時(shí)響應動(dòng)態(tài)交互的實(shí)現

為了增強人機交互的易用性和趣味性，需要進(jìn)一步設計即時(shí)響應的動(dòng)態(tài)反饋效果。這就要求，在使用快速塊刷技術(shù)的基礎上，綜合運用幾種針對電子紙的實(shí)現技巧。

4.2.1 效果展示

津科V30型閱讀器人機交互的翻頁(yè)、跳頁(yè)操作就是即時(shí)響應的動(dòng)態(tài)交互。這里以翻頁(yè)操作為例。圖5展示了翻頁(yè)操作，以三角形簡(jiǎn)單模擬翻起的頁(yè)角，同時(shí)在翻起的區域顯示下一頁(yè)部分內容，翻起頁(yè)角隨用戶(hù)觸摸移動(dòng)而變化，視覺(jué)即時(shí)響應觸覺(jué)。


4.2.2實(shí)現技術(shù)

(1)即時(shí)響應的實(shí)現技術(shù)

用戶(hù)觸摸移動(dòng)會(huì )觸發(fā)MouseMove事件。即時(shí)響應要求對觸發(fā)事件作及時(shí)處理，而電子紙塊刷時(shí)間是300 ms，其刷新速率無(wú)法跟上事件觸發(fā)速度，所以即時(shí)響應實(shí)現的一個(gè)很重要策略是舍棄一部分MouseMove事件。每次在OnMouseMove事件處理函數中，刷屏后調用DropMouseEvent函數，從而在本次處理之后舍棄一小部分觸發(fā)事件。DropMouseEvent函數實(shí)現如下：


因為舍棄事件的速度大于用戶(hù)觸發(fā)事件的速度，所以舍棄一些MouseMove事件后隊列變空，之后會(huì )再次響應用戶(hù)動(dòng)作。

(2)高頻刷屏中的填充處理

在即時(shí)響應的高頻刷屏中，容易出現滯留現象，即會(huì )有上一幀的殘留。尤其是翻頁(yè)動(dòng)畫(huà)中存在填充區域，這種現象非常明顯。這是由于電子紙的刷屏特性導致的，電子紙的像素在由黑(白)反白(黑)時(shí)，耗時(shí)長(cháng)且易出現刷屏殘留。

基于這一原理，可以在填充時(shí)采用固定格式的隔像素填充技術(shù)。具體做法是，每4個(gè)像素為固定一組，左上角填黑，其他3個(gè)像素填白。這樣，從整體看呈現了隔行隔列填充的效果。從局部看，排列是固定的，當填充區域變化時(shí)減少了由黑(白)反白(黑)的像素個(gè)數，基本可以去除殘留現象，也起到了加速的作用。具體實(shí)現采用查表技術(shù)，每填充一個(gè)像素之前，調用GetPointColor函數查表判斷是否填充該像素。GetPointColor(int x，int y)函數實(shí)現如下：



4.3 16通道技術(shù)的應用

16通道技術(shù)是S1D13521的另一個(gè)重要特性。其原理是當多塊不重疊區域連續塊刷時(shí)，S1D13521可以提供16個(gè)并行通道，使每個(gè)塊刷時(shí)間降為300／16 ms。充分利用這一技術(shù)，可以實(shí)現更為流暢的動(dòng)態(tài)效果。

以百葉窗動(dòng)畫(huà)為例說(shuō)明16通道技術(shù)的使用。還是調用GrFastPartialPrint函數，當連續塊刷的區域均不重疊時(shí)，SlD13521會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟16通道。百葉窗的實(shí)現是把整屏圖分為m塊，每一塊分為n條，按一定次序依次顯示其中一條區域。程序實(shí)現如下：



需注意，塊刷區域長(cháng)寬必須是4的倍數，才能正確使用16通道。否則，S1D13521會(huì )認為區域有重疊，把多個(gè)區域一起刷出，無(wú)法顯示動(dòng)畫(huà)效果。

4.4 實(shí)現結果

通過(guò)使用上述技術(shù)，在津科V30型閱讀器上實(shí)現了各種操控手勢的動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現了所有基本閱讀功能人機交互。撤銷(xiāo)操作類(lèi)似于退出操作，也是以卷簾效果動(dòng)態(tài)反饋。跳頁(yè)操作是拖拽出若干條等間隔區域，表示當前文件頁(yè)號列表，并在頂角處標以頁(yè)號，當前頁(yè)用黑色區域標記。翻轉操作是在屏幕中間以小圖標轉動(dòng)響應用戶(hù)動(dòng)作。

結 語(yǔ)

與傳統的電子紙用戶(hù)界面相比，基于S1D13521顯示控制器的電子紙人機交互更具人性化，更為易用。作為新一代顯示控制器，S1D13521的強大功能還有待進(jìn)一步挖掘，以推動(dòng)新一代電子紙顯示屏的發(fā)展與應用。