多點(diǎn)觸控已是當今觸控技術(shù)開(kāi)發(fā)者最熱衷的研究課題�？此坪�(jiǎn)單的觸控動(dòng)作，其實(shí)背后隱藏著(zhù)錯綜復雜的運作過(guò)程，包括將觸控動(dòng)作轉成數位訊號，并推算觸碰位置，然后和主控端進(jìn)行通訊并執行解譯等步驟，每一個(gè)設計環(huán)節都將影響最終效能的呈現。

　　本文將對追蹤觸碰動(dòng)作進(jìn)行全面的闡述，從電容感測的物理原理，一直到螢幕的最終動(dòng)作。包括介紹系統如何偵測到手指的位置，以及判讀手指位置的各種方法，并介紹手機的軟體堆疊，說(shuō)明應用程式的設計方法，最后再揭露雙指捏放手勢與螢幕縮放之間的設計內幕。

　　電容/系統設置到位觸控操作更靈活

　　大部分的智慧型手機觸控螢幕都能對手指電容產(chǎn)生反應，觸控螢幕內有許多排列整齊的感測器，會(huì )偵測出因手指移動(dòng)所導致的電容變化。當你的手指觸碰到螢幕時(shí)，就會(huì )影響這些感測器的自容（Self-capacitance），以及彼此之間的互容（Mutual Capacitance）。大多數智慧型手機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(dòng)關(guān)系，因此可用來(lái)收集有關(guān)螢幕上每個(gè)位置的資訊（X×Y個(gè)感測點(diǎn)）；自容則僅能用來(lái)偵測每個(gè)感測器的反應（X+Y個(gè)樣本），而不是每個(gè)點(diǎn)。

　　電容感測含有數個(gè)層：頂層是玻璃或塑膠材質(zhì)，接者依序是一個(gè)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，為制作觸控螢幕的絕佳材質(zhì)：超過(guò)90%透明度并具有導電性。有些設計采用鉆石狀圖紋，不會(huì )和LCD的紋線(xiàn)重疊，視覺(jué)觀(guān)感較佳，其他則采用較簡(jiǎn)單的「直條與橫條」圖案設計。如果在充分的光照下，以正確的角度觀(guān)察你的裝置，并關(guān)閉液晶螢幕，就能看到ITO感測器的線(xiàn)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(shí)間常數；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(dòng)。系統會(huì )感測經(jīng)過(guò)每個(gè)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(dòng)作會(huì )降低互容耦合值，但手指觸碰動(dòng)作卻會(huì )增加自容的值。

　　圖2 互容偵測反應

　　不論是哪一種方法，光量測電容是不夠的，系統必須回應的是電容的變化，而不是個(gè)別的電容值。系統會(huì )對每個(gè)感測器設定一個(gè)基準值，這個(gè)基準值是經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間溫度與其他因素變化后求出的訊號長(cháng)期平均值，讓系統允許訊號在各種狀況下產(chǎn)生些微的波動(dòng)。在建構觸控螢幕系統時(shí)面臨其中一項挑戰，就是建立適當的基準值。例如，當手指觸碰到螢幕，系統必須能適當地啟動(dòng)。當沾水的手指或手掌碰到螢幕時(shí)，系統也必須能啟動(dòng)。

　　當感測到的電容減去基準值時(shí)，就得到一個(gè)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這項資訊來(lái)判斷手指的位置，其中最簡(jiǎn)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值的加權平均值。運用一維質(zhì)心計算法，根據上述例子的X軸數據，可算出（5×1+15×2+25×3+10×4）/（5+15+25+10）=150/55= 2.73。接著(zhù)以液晶螢幕的解析度為標準，將這個(gè)位置值適當地縮放，以便和螢幕重疊。若ITO感測器的圖案超出液晶螢幕的邊緣，則必須進(jìn)行一些轉換計算。

　　圖3 由個(gè)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(wèn)題變得更復雜。舉上述的陣列為例，若面板的邊緣處碰到這些線(xiàn)條區，采用上述的簡(jiǎn)單質(zhì)心推算法，當左側下移時(shí)，右側就會(huì )開(kāi)始被「上拉」。為解決這個(gè)問(wèn)題，必須用特別的邊緣處理技巧來(lái)檢查剩下訊號的形狀，再推測手指沒(méi)有接觸到螢幕表面的部分。

　　CPU/USB助陣 觸控感測功能升級

　　當一個(gè)有效的觸碰訊號出現，且觸碰動(dòng)作的X/Y軸座標被偵測到之后，主控端中央處理器（CPU）就可以得到要處理的資料。嵌入式觸控螢幕元件會(huì )透過(guò)I2C介面或串列周邊介面（SPI）來(lái)進(jìn)行通訊。較大尺寸的觸控螢幕通常會(huì )采用通用序列匯流排（USB）介面，因為包括Windows、Mac OS以及Linux等作業(yè)系統，都有內建USB介面的人機介面裝置（HID）支援功能。

　　雖然采用多個(gè)不同的介面，作業(yè)系統的驅動(dòng)程式到最后做的事卻大致類(lèi)似，以Android的驅動(dòng)程式為例，由于A(yíng)ndroid與MeeGo都以L(fǎng)inux為開(kāi)發(fā)基礎，因此這三種作業(yè)系統都使用類(lèi)似的驅動(dòng)程式。

　　觸控螢幕驅動(dòng)程式的岔斷觸發(fā)器是一個(gè)岔斷服務(wù)函式（Interrupt Service Routine， ISR），負責作業(yè)執行緒的排程。 ISR中并沒(méi)有執行任何作業(yè)來(lái)維護岔斷的延遲以及避免優(yōu)先權倒置。當作業(yè)系統呼叫作業(yè)執行緒，會(huì )啟動(dòng)一個(gè)通訊交易，從裝置讀取資料，然后切換至睡眠模式。當通訊交易完成后，主控端驅動(dòng)程式就得到自己要處理的資料。

　　主控端驅動(dòng)程式會(huì )把裝置制造商采用的資料格式，轉換成標準格式。在Linux環(huán)境中，驅動(dòng)程式會(huì )透過(guò)一連串的次函式（Subroutine）呼叫來(lái)復制事件區域，接著(zhù)再透過(guò)一個(gè)最終呼叫來(lái)傳送事件資料。例如，要建立一個(gè)單一觸碰Linux輸入事件，整段程式可寫(xiě)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(gè)觸控事件之后交給作業(yè)系統來(lái)處理，如Android會(huì )把事件的歷史資料儲存在手勢處理緩沖區，然后把事件傳遞給View這個(gè)類(lèi)別。有多款觸控螢幕元件，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)系統的負荷，分擔手勢處理的工作，還能依照不同情況免去處理所有觸控資料的負擔，一直到看到手勢為止。

　　圖4 手勢觸控類(lèi)型

　　舉例來(lái)說(shuō)，若你正開(kāi)發(fā)相片瀏覽器，主控端不必處理數十或數百個(gè)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(shí)際翻閱下一張相片之前，不會(huì )出現任何岔斷。

　　感測/回應Android View/Widget至關(guān)重要

　　Android的View類(lèi)別會(huì )判斷觸控事件發(fā)生時(shí)系統正執行哪些應用，在螢幕上顯示的每個(gè)應用，都有至少一個(gè)View類(lèi)別。這個(gè)類(lèi)別中含有許多方法負責處理使用者的輸入，其中包括OnTouchListener，負責處理從輸入驅動(dòng)器收到的資訊，以及MotionEvent中的額外資訊。

　　如果你曾寫(xiě)過(guò)Windows環(huán)境下能接收滑鼠事件的程式，就會(huì )驚訝地發(fā)現滑鼠事件與觸控介面之間的差異。 MotionEvent這個(gè)類(lèi)別內含許多方法，包括WM_LBUTTONDOWN常見(jiàn)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(shí)間。

　　當應用看到事件后，就會(huì )對觸控動(dòng)作做出回應，這種回應通常是由微程式（Widget）來(lái)執行，而不是由應用程式來(lái)負責。 Android的Widget內含一些簡(jiǎn)單項目，像是按鈕等，還有包括許多復雜的介面，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。

　　應用程式也可直接處理與回應觸控動(dòng)作。繪圖程式可選擇混用兩種方法，在繪圖區使用直接觸控輸入功能，并搭配Widget負責處理選單與按鈕的操作功能。

　　Windows /Android手勢辨認各擅勝場(chǎng)

　　Windows Touch處理功能與Android之間的一項差別，就是解譯手勢。 Android提供為數眾多的手勢創(chuàng )作工具，但沒(méi)有提供任何內建的手勢定義。每個(gè)設計者都可自由創(chuàng )作自己的手勢（圖5），包括像手寫(xiě)辨識等復雜的手勢。這種方法催生出許多應用，像是字符辨識的搜尋功能，但意謂在兩個(gè)不同的Android平臺上，同樣的手勢動(dòng)作啟動(dòng)的是不一樣的功能。

　　圖5 Google通用公共授權Android標志

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

　　觸控設計邁向未來(lái)的過(guò)程中會(huì )遇到技術(shù)層面的挑戰，還得應付許多層面之間的互動(dòng)問(wèn)題。從選擇材料、制造到電子，都是觸控感測必須面臨的議題。當系統把觸控動(dòng)作轉成數位訊號后，還必須推算其位置和主控端進(jìn)行通訊以及執行解譯等步驟。如今這些問(wèn)題都已被克服，軟體研發(fā)業(yè)者必須在這些基礎上開(kāi)發(fā)令人驚艷的應用。