Технології сучасних тачскрінів, принцип роботи тачскріна
Управління будь-яким пристроєм без допомоги сторонніх маніпуляторів є чи не самим природним для людини. Воно й не дивно — всі дії проводяться не з допомогою всяких сторонніх предметів (миші або стилуса) і управляемго ними курсору, а безпосередньо руками, як ніби ми натискаємо фізичні клавіші або гортаємо справжні сторінки. Думки про такий технології можна побачити у роботах Ніколо Тесли або в романах Жуля Верна. Але тільки в наші дні це дійсно стало можливим. Сьогодні тачскріни знайшли собі досить широке застосування, починаючи від кишенькових гаджетів і закінчуючи високоточною медичною технікою, включаючи вуличні сенсорні кіоски та автомати самообслуговування. Але не всі екрани однакові. Залежно від використовуваних технологій вони можуть володіти різним ступенем захищеності, вандалостійкості, довговічності, мати різні якість картинки, чутливість, так і з боку зручності використання є деякі відмінності. Деякі екрани реагують виключно на точні натискання певними предметами (наприклад, стилусами), з іншими можна «спілкуватися» за допомогою чого завгодно: просто пальцями.
Початок почав
Перший сенсорний екран з'явився в далекому 1972 році в США. Біля витоків цього технологічного нововведення стояла компанія Elo TouchSystems в особі якогось Семюеля Херста, який був ідейним натхненником розробки. Саме його стараннями в 1971 році з'явився своєрідний прототип сучасних тачскрінів — элограф, що представляє собою графічний планшет, який діяв за чотірьохпровідному резистивного принципом. Однак йому поки не можна було знайти толкового практичного застосування, адже винахід було непрозорим, а значить інформація, що відображається на ньому, залишалася слабо читається. Трьома роками пізніше того ж Хьорсту вдалося виправити цю проблему, а ще через деякий час з'явилася пятипроводная технологія, що дозволяє досягти більш точного відгуку системи.
У тандемі з Siemens компанії вдалося зробити на світло перший пристрій з застосуванням сенсорного дисплея. Ним став телевізор з опуклим екраном, представлений на спеціалізованій виставці в 1982 році. Звичайно, можна згадати ще й комп'ютерну систему PLATO IV, з'явилася на десять років раніше. Але там застосовувався сенсорний екран, заснований на ІК-технології, що складається з сітки в 16х16 блоків. Таке низьке дозвіл обмежувало можливості користувача і висувало деякі вимоги до інтерфейсу — на ньому можна було розмістити багато елементів, і вони повинні були бути досить великих розмірів, щоб дисплей правильно функціонував.
Прилад Elograph був, швидше, дигитайзером і викорис зовал так званий резистивний принцип визначен ня координат
На даний момент існує чотири основні типи тачскріна. Резистивна технологія
Історично першою була резистивна технологія. Екран, на її основі складається з чотирьох елементів: скляній або акрилової панелі, розташованої знизу та відіграє роль каркасу; пластикової мембрани, злегка прогинається під тиском; власне резистивних покриттів, нанесених на обидві частини, і микроизоляторов, що заповнюють весь простір і запобігають контакт проводять покриттів в звичайному стані. Таким чином, при натисканні струмопровідні покриття мембрани і панелі стикаються один з одним, а спеціальний перетворювач обчислює координати дотику. У найпростішому випадку використовується 4-дротова схема, яка досить проста і дешева. Кілька більш надійні, довговічні і точні екрани, побудовані за 5-провідний технології AccuTouch. Перевагами резистивних екранів є те, що вони досить дешеві у виробництві, добре реагують на будь-який дотик, будь то рука, кредитна карта, стилус або що-небудь ще. Однак вони не позбавлені недоліків: у них гірше прозорість і нижче довговічність, ніж у представників інших технологій. Щоб захистити їх від швидкого зносу, доводиться купувати спеціальні захисні плівки, що наклеюються на поверхню таких екранів.
Екрани, виготовлені за ємнісною технологією, являють собою скляну панель, вкриту проводять матеріалом. По краях скла розташовані тонкі електроди, рівномірно розподіляють низьковольтне електричне поле за проводить покриттю.
Проекційно-ємнісна технологія
При дотику до екрану утворюється ємнісний зв'язок між пальцем і екраном, що викликає імпульс струму в точці контакту. Оскільки сила електричного струму з кожного кута екрану пропорційна відстані до точки дотику, контролеру досить просто, порівнявши ці струми, визначити місце торкання. Такі екрани дозволяють розпізнати навіть силу натиснення, адже чим ближче провідник до панелі, тим менше її опір, а отже, сила струму більше. Завдяки цьому ємнісні тачскріни широко використовуються в графічних планшетах і шкільних інтерактивних дошках. Перевага даних дисплеїв їх висока міцність і довговічність — вони витримують близько 200 млн натиснень в одну точку. Також вони володіють високою прозорістю і практично нечутливі до забруднень. До недоліків відноситься те, що вони реагують тільки на натискання предметами, які проводять струм, або рукою. Але якщо рука буде в рукавичці, нічого не вийде.
Подальшим розвитком цієї технології стала проекційно-ємнісна, в якій сітка електродів нанесене на внутрішню сторону екрану. Електроди разом з тілом людини утворюють конденсатор, а електроніка вимірює ємність цього конденсатора, подаючи імпульс струму і вимірюючи напругу. Такі екрани досить довговічні і вандалоустойчивы, оскільки в них можна застосувати скло до 18 мм товщиною. Вони розпізнають дотик руки в рукавичці, але недоліком є складна електроніка, обробляє натискання, і не дуже висока точність.
Принцип роботи екрану з використанням ємнісної технології Розпізнавання дотику
Процесор і програмне забезпечення є основними елементами, интерпретирующими інформацію сенсорного екрану на вході. При цьому обробляються вихідні дані як у вигляді команд, так і жестів. Ось як це відбувається, наприклад, у знаменитому iPhone.
Послідовність обробки дотики до екрану iPhone
Після того, як екран зафіксував дотик у вигляді електричних імпульсів, формується матриця даних у вигляді плями. Процесор, використовуючи програму аналізу даних, усуває шум і визначає властивості кожного дотику, включаючи розмір, форму плями контакту, виділяючи в ній області з різним тиском і в підсумку координати зони впливу на екрані. У деяких випадках процесор групує торкання зі схожими властивостями в групи. Наприклад, коли палець рухається, процесор обчислює різницю між точкою початку і кінцевою точкою дотику. При цьому процесор використовує програму інтерпретації жестів, щоб визначити, який рух ви вчинили. Він з'єднує ваш фізичний рух з інформацією про програму, якими ви скористалися, а також, що робило це додаток, коли ви доторкнулися до екрану. Якщо дані не збігаються ні з одним відповідним жестом або командою, телефон розпізнає їх як сторонній дотик. Аналогічна технологія була використана в телефоні LG Arena, але в ньому екран має більш високий дозвіл (480×800), що дозволяє переглядати на ньому навіть DivX/Xvid Video. Застосування ультразвуку
Наступний тип сенсорних екранів використовує технології IntelliTouch поверхневих акустичних хвиль. У трьох кутах монітора розташований набір п'єзоелектричних випромінювачів, на які подається електричний сигнал частотою 5 МГц. Виникають ультразвукові коливання з допомогою відбивачів, вмонтованих в рамку, поширюються по всій поверхні екрана, а спеціальні рефлектори фокусують ультразвук і направляють його на приймальний датчик, який знову перетворює отримане ним акустичне коливання в електричний сигнал. Прикоснновение до екрану в будь-якій його точці спричиняє активне поглинання хвиль, завдяки чому картина поширення ультразвуку по поверхні дещо змінюється. Керуюча програма порівнює прийнятий від датчиків змінився сигнал з зберігається в пам'яті комп'ютера картою екрану, і обчислює координату дотику, причому значення координати вираховується для вертикальної і горизонтальної осі незалежно. Істотною перевагою ультразвукових дисплеїв є їх висока прозорість, досягає 100%. Це пов'язано з тим, що тут відсутні якісь додаткові покриття. Крім того, ці тачскріни, також як і ємнісні, здатні реагувати на силу натискання і мають високий запас міцності. Недоліків у таких дисплеїв кілька. Не кажучи вже про великі габарити, можна відзначити, по-перше, погану реакцію на тверді предмети, які не поглинають ультразвук. У побутових умовах це зводиться до того, що впливати на них можна тільки рукою. По-друге, такий екран складно герметизувати, тому їх застосування можливе лише в закритих приміщеннях там, де точність зображення має вкрай важливе значення, наприклад, у медичних установах. По-третє, будь-який сторонній предмет, випадково прилип до екрану, зашкодить його роботі. Таким чином, подібні екрани вимагає акуратності і особливого до них ставлення. Об'ємний сенсорний екран
Прагнення зробити сенсорні екрани в мобільних пристроях більш «чутливими» до дій користувача призвело до появи в них вібрації та звукових сигналів. Проте вчені з Університету Карнегі Меллон у Пенсільванії пішли далі і розробили дисплей, здатний робити кнопки на ньому об'ємними. Кріс Харрісон і Скотт Хадсон створили сенсорний екран на основі латексу, здатний робити кнопки, на ньому зображені, виступаючими або, навпаки, потопають. Їх фізична форма визначається потоком повітря, що протікає під екраном, чия інтенсивність і напрямок регулюється насосом. Створений прототип являє собою клавіатуру банкомату з цифровими і кнопками, які можуть бути як опуклими, так і увігнутими. Інфрачервоні хвилі
Подібно ультразвукового функціонує і інфрачервоний тачскрін. Тільки випромінювачі, розташовані по його краях, випускають не ультразвук, а невидимі людському оку інфрачервоні промені. Спрямовані вони як в горизонтальному, так і у вертикальному напрямках. В результаті на поверхні екрана формується ІЧ-сітка. Навпаки випромінювачів змонтовані датчики, що вловлюють промені і перетворюють їх в електричний сигнал. Коли при торканні будь-яким предметом окремі лінії сітки перериваються, контролер визначає координати і передає їх процесору. Ці екрани мають високу прозорість і забезпечують якісне зображення, добре реагують на будь-які прикасающиеся предмети. Поскольку контакт с поверхностью здесь не является обязательным, то и износостойкость из высока, абсолютно не нужна калибровка, обязательная в других технологиях, проще, а следовательно, и дешевле, контроллер. Однако экраны этого типа не столь компактны, как первые два, очень хрупкие и чувствительны к загрязнениям. Кроме того, у них невысокое разрешение сенсора и иногда могут возникать ложные срабатывания от посторонней засветки. Основные сферы применения — большие экраны, используемые в медицине и военном деле. Подводя итог, следует сказать, что в сенсорных экранах можно встретить и целый ряд других технологий (матричную, оптическую, тензометрическую и индукционную), но в таких портативных устройствах, как телефоны и КПК доминируют именно резистивная и емкостная, которые постоянно совершенствуются и не перестают нас удивлять своими возможностями. Среди них наиболее нашумевшей является MultiTouch, позволяющая распознавать одновременно несколько прикосновений и движений. Наприклад, у більшості подібних пристроїв, розсовуючи пальці, що стосуються екрана, можна збільшити зображення, а зрушуючи, навпаки, зменшити.
Початок почав
Перший сенсорний екран з'явився в далекому 1972 році в США. Біля витоків цього технологічного нововведення стояла компанія Elo TouchSystems в особі якогось Семюеля Херста, який був ідейним натхненником розробки. Саме його стараннями в 1971 році з'явився своєрідний прототип сучасних тачскрінів — элограф, що представляє собою графічний планшет, який діяв за чотірьохпровідному резистивного принципом. Однак йому поки не можна було знайти толкового практичного застосування, адже винахід було непрозорим, а значить інформація, що відображається на ньому, залишалася слабо читається. Трьома роками пізніше того ж Хьорсту вдалося виправити цю проблему, а ще через деякий час з'явилася пятипроводная технологія, що дозволяє досягти більш точного відгуку системи.
У тандемі з Siemens компанії вдалося зробити на світло перший пристрій з застосуванням сенсорного дисплея. Ним став телевізор з опуклим екраном, представлений на спеціалізованій виставці в 1982 році. Звичайно, можна згадати ще й комп'ютерну систему PLATO IV, з'явилася на десять років раніше. Але там застосовувався сенсорний екран, заснований на ІК-технології, що складається з сітки в 16х16 блоків. Таке низьке дозвіл обмежувало можливості користувача і висувало деякі вимоги до інтерфейсу — на ньому можна було розмістити багато елементів, і вони повинні були бути досить великих розмірів, щоб дисплей правильно функціонував.
Прилад Elograph був, швидше, дигитайзером і викорис зовал так званий резистивний принцип визначен ня координат
На даний момент існує чотири основні типи тачскріна. Резистивна технологія
Історично першою була резистивна технологія. Екран, на її основі складається з чотирьох елементів: скляній або акрилової панелі, розташованої знизу та відіграє роль каркасу; пластикової мембрани, злегка прогинається під тиском; власне резистивних покриттів, нанесених на обидві частини, і микроизоляторов, що заповнюють весь простір і запобігають контакт проводять покриттів в звичайному стані. Таким чином, при натисканні струмопровідні покриття мембрани і панелі стикаються один з одним, а спеціальний перетворювач обчислює координати дотику. У найпростішому випадку використовується 4-дротова схема, яка досить проста і дешева. Кілька більш надійні, довговічні і точні екрани, побудовані за 5-провідний технології AccuTouch. Перевагами резистивних екранів є те, що вони досить дешеві у виробництві, добре реагують на будь-який дотик, будь то рука, кредитна карта, стилус або що-небудь ще. Однак вони не позбавлені недоліків: у них гірше прозорість і нижче довговічність, ніж у представників інших технологій. Щоб захистити їх від швидкого зносу, доводиться купувати спеціальні захисні плівки, що наклеюються на поверхню таких екранів.
Екрани, виготовлені за ємнісною технологією, являють собою скляну панель, вкриту проводять матеріалом. По краях скла розташовані тонкі електроди, рівномірно розподіляють низьковольтне електричне поле за проводить покриттю.
Проекційно-ємнісна технологія
При дотику до екрану утворюється ємнісний зв'язок між пальцем і екраном, що викликає імпульс струму в точці контакту. Оскільки сила електричного струму з кожного кута екрану пропорційна відстані до точки дотику, контролеру досить просто, порівнявши ці струми, визначити місце торкання. Такі екрани дозволяють розпізнати навіть силу натиснення, адже чим ближче провідник до панелі, тим менше її опір, а отже, сила струму більше. Завдяки цьому ємнісні тачскріни широко використовуються в графічних планшетах і шкільних інтерактивних дошках. Перевага даних дисплеїв їх висока міцність і довговічність — вони витримують близько 200 млн натиснень в одну точку. Також вони володіють високою прозорістю і практично нечутливі до забруднень. До недоліків відноситься те, що вони реагують тільки на натискання предметами, які проводять струм, або рукою. Але якщо рука буде в рукавичці, нічого не вийде.
Подальшим розвитком цієї технології стала проекційно-ємнісна, в якій сітка електродів нанесене на внутрішню сторону екрану. Електроди разом з тілом людини утворюють конденсатор, а електроніка вимірює ємність цього конденсатора, подаючи імпульс струму і вимірюючи напругу. Такі екрани досить довговічні і вандалоустойчивы, оскільки в них можна застосувати скло до 18 мм товщиною. Вони розпізнають дотик руки в рукавичці, але недоліком є складна електроніка, обробляє натискання, і не дуже висока точність.
Принцип роботи екрану з використанням ємнісної технології Розпізнавання дотику
Процесор і програмне забезпечення є основними елементами, интерпретирующими інформацію сенсорного екрану на вході. При цьому обробляються вихідні дані як у вигляді команд, так і жестів. Ось як це відбувається, наприклад, у знаменитому iPhone.
Послідовність обробки дотики до екрану iPhone
Після того, як екран зафіксував дотик у вигляді електричних імпульсів, формується матриця даних у вигляді плями. Процесор, використовуючи програму аналізу даних, усуває шум і визначає властивості кожного дотику, включаючи розмір, форму плями контакту, виділяючи в ній області з різним тиском і в підсумку координати зони впливу на екрані. У деяких випадках процесор групує торкання зі схожими властивостями в групи. Наприклад, коли палець рухається, процесор обчислює різницю між точкою початку і кінцевою точкою дотику. При цьому процесор використовує програму інтерпретації жестів, щоб визначити, який рух ви вчинили. Він з'єднує ваш фізичний рух з інформацією про програму, якими ви скористалися, а також, що робило це додаток, коли ви доторкнулися до екрану. Якщо дані не збігаються ні з одним відповідним жестом або командою, телефон розпізнає їх як сторонній дотик. Аналогічна технологія була використана в телефоні LG Arena, але в ньому екран має більш високий дозвіл (480×800), що дозволяє переглядати на ньому навіть DivX/Xvid Video. Застосування ультразвуку
Наступний тип сенсорних екранів використовує технології IntelliTouch поверхневих акустичних хвиль. У трьох кутах монітора розташований набір п'єзоелектричних випромінювачів, на які подається електричний сигнал частотою 5 МГц. Виникають ультразвукові коливання з допомогою відбивачів, вмонтованих в рамку, поширюються по всій поверхні екрана, а спеціальні рефлектори фокусують ультразвук і направляють його на приймальний датчик, який знову перетворює отримане ним акустичне коливання в електричний сигнал. Прикоснновение до екрану в будь-якій його точці спричиняє активне поглинання хвиль, завдяки чому картина поширення ультразвуку по поверхні дещо змінюється. Керуюча програма порівнює прийнятий від датчиків змінився сигнал з зберігається в пам'яті комп'ютера картою екрану, і обчислює координату дотику, причому значення координати вираховується для вертикальної і горизонтальної осі незалежно. Істотною перевагою ультразвукових дисплеїв є їх висока прозорість, досягає 100%. Це пов'язано з тим, що тут відсутні якісь додаткові покриття. Крім того, ці тачскріни, також як і ємнісні, здатні реагувати на силу натискання і мають високий запас міцності. Недоліків у таких дисплеїв кілька. Не кажучи вже про великі габарити, можна відзначити, по-перше, погану реакцію на тверді предмети, які не поглинають ультразвук. У побутових умовах це зводиться до того, що впливати на них можна тільки рукою. По-друге, такий екран складно герметизувати, тому їх застосування можливе лише в закритих приміщеннях там, де точність зображення має вкрай важливе значення, наприклад, у медичних установах. По-третє, будь-який сторонній предмет, випадково прилип до екрану, зашкодить його роботі. Таким чином, подібні екрани вимагає акуратності і особливого до них ставлення. Об'ємний сенсорний екран
Прагнення зробити сенсорні екрани в мобільних пристроях більш «чутливими» до дій користувача призвело до появи в них вібрації та звукових сигналів. Проте вчені з Університету Карнегі Меллон у Пенсільванії пішли далі і розробили дисплей, здатний робити кнопки на ньому об'ємними. Кріс Харрісон і Скотт Хадсон створили сенсорний екран на основі латексу, здатний робити кнопки, на ньому зображені, виступаючими або, навпаки, потопають. Їх фізична форма визначається потоком повітря, що протікає під екраном, чия інтенсивність і напрямок регулюється насосом. Створений прототип являє собою клавіатуру банкомату з цифровими і кнопками, які можуть бути як опуклими, так і увігнутими. Інфрачервоні хвилі
Подібно ультразвукового функціонує і інфрачервоний тачскрін. Тільки випромінювачі, розташовані по його краях, випускають не ультразвук, а невидимі людському оку інфрачервоні промені. Спрямовані вони як в горизонтальному, так і у вертикальному напрямках. В результаті на поверхні екрана формується ІЧ-сітка. Навпаки випромінювачів змонтовані датчики, що вловлюють промені і перетворюють їх в електричний сигнал. Коли при торканні будь-яким предметом окремі лінії сітки перериваються, контролер визначає координати і передає їх процесору. Ці екрани мають високу прозорість і забезпечують якісне зображення, добре реагують на будь-які прикасающиеся предмети. Поскольку контакт с поверхностью здесь не является обязательным, то и износостойкость из высока, абсолютно не нужна калибровка, обязательная в других технологиях, проще, а следовательно, и дешевле, контроллер. Однако экраны этого типа не столь компактны, как первые два, очень хрупкие и чувствительны к загрязнениям. Кроме того, у них невысокое разрешение сенсора и иногда могут возникать ложные срабатывания от посторонней засветки. Основные сферы применения — большие экраны, используемые в медицине и военном деле. Подводя итог, следует сказать, что в сенсорных экранах можно встретить и целый ряд других технологий (матричную, оптическую, тензометрическую и индукционную), но в таких портативных устройствах, как телефоны и КПК доминируют именно резистивная и емкостная, которые постоянно совершенствуются и не перестают нас удивлять своими возможностями. Среди них наиболее нашумевшей является MultiTouch, позволяющая распознавать одновременно несколько прикосновений и движений. Наприклад, у більшості подібних пристроїв, розсовуючи пальці, що стосуються екрана, можна збільшити зображення, а зрушуючи, навпаки, зменшити.
Інші статті
