多點(diǎn)觸控已是當(dāng)今觸控技術(shù)開(kāi)發(fā)者最熱衷的研究課題。看似簡(jiǎn)單的觸控動(dòng)作，其實(shí)背后隱藏著錯(cuò)綜復(fù)雜的運(yùn)作過(guò)程，包括將觸控動(dòng)作轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號(hào)，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(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都將影響最終效能的呈現(xiàn)。
本文將對(duì)追蹤觸碰動(dòng)作進(jìn)行全面的闡述，從電容感測(cè)的物理原理，一直到螢?zāi)坏淖罱K動(dòng)作。包括介紹系統(tǒng)如何偵測(cè)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(shuō)明應(yīng)用程式的設(shè)計(jì)方法，最后再揭露雙指捏放手勢(shì)與螢?zāi)豢s放之間的設(shè)計(jì)內(nèi)幕。
電容/系統(tǒng)設(shè)置到位觸控操作更靈活
大部分的智慧型手機(jī)觸控螢?zāi)欢寄軐?duì)手指電容產(chǎn)生反應(yīng)，觸控螢?zāi)粌?nèi)有許多排列整齊的感測(cè)器，會(huì)偵測(cè)出因手指移動(dòng)所導(dǎo)致的電容變化。當(dāng)你的手指觸碰到螢?zāi)粫r(shí)，就會(huì)影響這些感測(cè)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(cè)互容而不是自容。由于互容是反映一對(duì)感測(cè)器之間的互動(dòng)關(guān)系，因此可用來(lái)收集有關(guān)螢?zāi)簧厦總€(gè)位置的資訊（X×Y個(gè)感測(cè)點(diǎn)）；自容則僅能用來(lái)偵測(cè)每個(gè)感測(cè)器的反應(yīng)（X+Y個(gè)樣本），而不是每個(gè)點(diǎn)。
電容感測(cè)含有數(shù)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(cè)器及平面液晶顯示器（LCD）。觸控感測(cè)器是由許多感測(cè)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(cè)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(guò)90%透明度并具有導(dǎo)電性。有些設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。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?zāi)唬湍芸吹絀TO感測(cè)器的線(xiàn)紋。
圖1 互容基本原理
基本上，感測(cè)互容的原理（圖1）和感測(cè)自容完全不同。感測(cè)自容通常是量測(cè)含有感測(cè)器的電阻-電容（RC）電路之時(shí)間常數(shù)；感測(cè)互容的程序則包括量測(cè)X軸與Y軸感測(cè)器之間的互動(dòng)。系統(tǒng)會(huì)感測(cè)經(jīng)過(guò)每個(gè)X軸與Y軸的訊號(hào)，借此偵測(cè)感測(cè)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(cè)反應(yīng)
不論是哪一種方法，光量測(cè)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(gè)別的電容值。系統(tǒng)會(huì)對(duì)每個(gè)感測(cè)器設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)值，這個(gè)基準(zhǔn)值是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間溫度與其他因素變化后求出的訊號(hào)長(zhǎng)期平均值，讓系統(tǒng)允許訊號(hào)在各種狀況下產(chǎn)生些微的波動(dòng)。在建構(gòu)觸控螢?zāi)幌到y(tǒng)時(shí)面臨其中一項(xiàng)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)唬到y(tǒng)必須能適當(dāng)?shù)貑?dòng)。當(dāng)沾水的手指或手掌碰到螢?zāi)粫r(shí)，系統(tǒng)也必須能啟動(dòng)。
當(dāng)感測(cè)到的電容減去基準(zhǔn)值時(shí)，就得到一個(gè)訊號(hào)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(xiàng)資訊來(lái)判斷手指的位置，其中最簡(jiǎn)單的方法是計(jì)算質(zhì)心--質(zhì)量中心（Centriod），計(jì)算出一維或二維軸向感測(cè)數(shù)值的加權(quán)平均值。運(yùn)用一維質(zhì)心計(jì)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(gè)位置值適當(dāng)?shù)乜s放，以便和螢?zāi)恢丿B。若ITO感測(cè)器的圖案超出液晶螢?zāi)坏倪吘墸瑒t必須進(jìn)行一些轉(zhuǎn)換計(jì)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(fù)雜。舉上述的陣列為例，若面板的邊緣處碰到這些線(xiàn)條區(qū)，采用上述的簡(jiǎn)單質(zhì)心推算法，當(dāng)左側(cè)下移時(shí)，右側(cè)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(hào)的形狀，再推測(cè)手指沒(méi)有接觸到螢?zāi)槐砻娴牟糠帧?/p>
CPU/USB助陣 觸控感測(cè)功能升級(jí)
當(dāng)一個(gè)有效的觸碰訊號(hào)出現(xiàn)，且觸碰動(dòng)作的X/Y軸座標(biāo)被偵測(cè)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?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?zāi)煌ǔ?huì)采用通用序列匯流排（USB）介面，因?yàn)榘╓indows、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(gè)不同的介面，作業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程式到最后做的事卻大致類(lèi)似，以Android的驅(qū)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(chǔ)，因此這三種作業(yè)系統(tǒng)都使用類(lèi)似的驅(qū)動(dòng)程式。
觸控螢?zāi)或?qū)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(fù)責(zé)作業(yè)執(zhí)行緒的排程。 ISR中并沒(méi)有執(zhí)行任何作業(yè)來(lái)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(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(dāng)通訊交易完成后，主控端驅(qū)動(dòng)程式就得到自己要處理的資料。
主控端驅(qū)動(dòng)程式會(huì)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(dòng)程式會(huì)透過(guò)一連串的次函式（Subroutine）呼叫來(lái)復(fù)制事件區(qū)域，接著再透過(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(tǒng)來(lái)處理，如Android會(huì)把事件的歷史資料儲(chǔ)存在手勢(shì)處理緩沖區(qū)，然后把事件傳遞給View這個(gè)類(lèi)別。有多款觸控螢?zāi)辉缳惼绽梗–ypress）TrueTouch產(chǎn)品已經(jīng)支援硬體手勢(shì)處理功能（圖4）。硬體手勢(shì)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(shì)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(shì)為止。
圖4 手勢(shì)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(shù)十或數(shù)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(xiàn)任何岔斷。
感測(cè)/回應(yīng)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(tǒng)正執(zhí)行哪些應(yīng)用，在螢?zāi)簧巷@示的每個(gè)應(yīng)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(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(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(xiàn)滑鼠事件與觸控介面之間的差異。 MotionEvent這個(gè)類(lèi)別內(nèi)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(dāng)應(yīng)用看到事件后，就會(huì)對(duì)觸控動(dòng)作做出回應(yīng)，這種回應(yīng)通常是由微程式（Widget）來(lái)執(zhí)行，而不是由應(yīng)用程式來(lái)負(fù)責(zé)。 Android的Widget內(nèi)含一些簡(jiǎn)單項(xiàng)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(dòng)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(shì)辨認(rèn)各擅勝場(chǎng)
Windows Touch處理功能與Android之間的一項(xiàng)差別，就是解譯手勢(shì)。 Android提供為數(shù)眾多的手勢(shì)創(chuàng)作工具，但沒(méi)有提供任何內(nèi)建的手勢(shì)定義。每個(gè)設(shè)計(jì)者都可自由創(chuàng)作自己的手勢(shì)（圖5），包括像手寫(xiě)辨識(shí)等復(fù)雜的手勢(shì)。這種方法催生出許多應(yīng)用，像是字符辨識(shí)的搜尋功能，但意謂在兩個(gè)不同的Android平臺(tái)上，同樣的手勢(shì)動(dòng)作啟動(dòng)的是不一樣的功能。
圖5 Google通用公共授權(quán)Android標(biāo)志
至于Windows則提供一組固定且眾所周知的手勢(shì)，并支援作業(yè)系統(tǒng)層級(jí)應(yīng)用，包括GID_PAN、GID_ZOOM、GID_ROTATE、GID_PRESSANDTAP及GID_TWOFINGERTAP。這些手勢(shì)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(shè)計(jì)邁向未來(lái)的過(guò)程中會(huì)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(dòng)問(wèn)題。從選擇材料、制造到電子，都是觸控感測(cè)必須面臨的議題。當(dāng)系統(tǒng)把觸控動(dòng)作轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號(hào)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(wèn)題都已被克服，軟體研發(fā)業(yè)者必須在這些基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)令人驚艷的應(yīng)用。