手指、筆、多元化觸控輸入技術與應用發展
觸控螢幕技術最早源自於1965~1967年,由英國皇家雷達研究院(RRE)的強生(E.A. Johnson)所發明,採電容式觸控面板技術,並於1968年發表其應用在航空管制(ATC)的文獻。後來1971年,有「觸控之父」之稱的赫斯特(Sam Hurst)博士發明了電阻式觸控感測器,並於1974年推出了半透明觸控螢幕,正式開啟了觸控新紀元。
觸控技術早期應用在科學與軍事用途,直到1980年代,觸控技術移轉至民間使用後,便開啟了以觸控技術為主的各式產品應用,如自動櫃員機(ATM)、導覽機(Kiosk)、POS機、車用電子…等等。自1982年開始,多倫多大學發明了可感應食指指壓的「多點觸控(Multi-touch)」螢幕技術,1983年貝爾實驗室發表了首份探討觸控技術的學術文獻。
1983年惠普(HP)發表的HP-150 Touchscreen觸控PC(配備Intel 8088 CPU,執行MS-DOS 2.x系統),採用紅外線式觸控技術,是世界首款商用觸控電腦。之後,1993年蘋果推出世界首部以觸控筆來輸入的個人數位助理(PDA)—Newton,雖然當時沒有成功,但卻開啟了「可攜式電子產品」採觸控輸入的先河。
隨後IBM在1994年正式販售第一台沒有實體按鍵的觸控式手機—Simon,具行事曆、通訊錄、世界時鐘、計算器、記事本、電子郵件及遊戲等PDA功能。而Palm公司則是在1996年進入PDA市場,採用先進的電阻式觸控技術,推出Pilot系列產品,成為PDA市場的領導廠商之一。
近期的觸控技術應用發展
到了2002年,微軟推出了Windows XP Tablet PC Edition,搭配眾PC廠商推出琳瑯滿目的Tablet PC產品,採用電磁感應筆技術,試圖以手寫輸入來改變許多人習慣已久的鍵盤+滑鼠輸入方式。由於重量不輕、售價稍高,使Tablet PC總銷售量到了2005年仍不足100萬,僅占全筆電銷售量的1.5%。加上2006年掀起的超可攜電腦(Ultra Mobile PC;UMPC)風潮,與隨後2007年華碩帶動的小筆電(Netbook)風潮,逐漸讓微軟平板電腦失焦。
而2007年蘋果iPhone智慧型手機的正式推出,採用多點觸控輸入技術、搭配手勢命令,以及其全新直覺式的作業系統(OS)與使用者介面(UI),成為市場焦點;隨後更在2010年推出的iPad平板電腦,影響整個資訊?通訊產業生態極深。
另一方面,Google後續推出開放架構的Android作業系統,搭配各ICT大廠推出的智慧手機?平板電腦,讓整個PC生態完全改寫。也促使微軟加緊推出可支援觸控操作的Windows 8,結合眾ICT大廠們一同發表Windows 8觸控電腦,試圖挽救日益衰落的PC出貨量。
當今的觸控技術種類與應用
觸控面板技術發展約40多年以來,經由不斷的改進,發展出各種不同觸控技術,以及其應用的產品,可分成以下幾類:
1.電阻式(Resistive):又可分成類比或數位式,採偵測電壓的原理,解析度高,可透過手寫輸入,或用筆寫輸入,戴手套亦可輸入。由於發展最早,擁有最高的市佔率,早期PDA、GPS、手機、平板電腦皆屬於這種。後來數位電阻式從單點進步到多點,可符合Windows 7多點觸控Logo認證。至今仍有使用此技術的產品。
2.電容式(Capacitive):分成表面電容和投射電容,採人體靜電感應電容變化的原理,須用手指或其他介質(如橡膠材質的電容筆)。支援多點觸控,符合新世代觸控OS的需求。當今主流的智慧型手機、平板、觸控筆電等皆採用此技術。而投射電容式,依需求可做到5~10點的多點觸控(蘋果iPhone即採用此技術),成為當紅的主流觸控技術,市佔率也節節上升。
3.光學式(Optical):又分成紅外線或CMOS影像等。皆採光訊號遮斷原理,可用任何可擋光的介質來操作(如手、筆),前者的結構,是在螢幕四邊的x、y軸裝設紅外線發射器和接收器,接觸時利用光遮斷的座標計算出觸控的位置,屬於最早的光學式觸控技術。前述的HP-150即採此種觸控技術。
後者CMOS影像式結構,則改成透過兩個角落的CMOS攝影機,偵測觸控物體所形成的陰影,經由三角定位找出觸控的位置,成本較低。這兩類光學式經過後來的改良,目前可以做到多點觸控。但由於感測模組體積問題,解析度不若電容、電阻技術那樣精細,適合往大尺寸市場發展(如電子白板等)。
4.電磁式(ElectroMagnetic):主要應用在繪圖板(Digitizer)產品,原理是利用電磁筆在操作時,和板子下的感應線產生磁場變化來判斷其動作,解析度高,反應速度快,亦可應用在螢幕面板,直接在螢幕上書寫。微軟早期的Tablet PC大多採用此技術,由於僅能透過筆寫,在當今以「手觸」為主流的行動裝置市場下,顯得有點不符潮流,於是就有廠商加上電磁式或電阻式的雙重架構設計,讓消費者可以「手寫」和「筆寫」,如三星推出的Note、S2/S3/S4系列、華碩Fonepad系列等產品。
此外,電磁筆的控制功能較其他觸控技術還豐富,其他技術僅能做到偵測到按壓(或模擬滑鼠左鈕按壓),無法偵測到接近。而電磁筆的筆上可增加「按鈕」當功能鍵(可模擬滑鼠右鈕、功能選單),可偵測到「筆壓」、「筆傾斜角度」(能模擬筆痕的粗細),當筆接近螢幕時,其「近距離」感測(可模擬滑鼠的游標移動)的功能,可以做到一般電腦的游標停在功能選單時,顯示出提示訊息,而像三星手機則運用在Air View(懸浮預覽?懸停開啟)的功能。
5.音波式(Acoustic):又分成表面音波式(Surface Acoustic Wave;SAW)、聲學脈衝波辨識式(Acoustic Pulse Recognition;APR)、震波擴散訊號技術(Dispersive Signal Technology;DST)。前者SAW技術是以發射超音波方式,在面板的X、Y軸上置放超音波發射器與接受器,並計算接收強度來標定相對位置,在兆赫頻率範圍下,觸碰介質(如手指、鉛筆、橡皮擦等)在接觸到表面時會產生表面聲波,以偵測觸控位置與壓力。缺點是小的介質(指甲或信用卡邊緣)接觸力道較無法偵測到。
APR技術,則算是SAW的改良,面板四角的傳感器錄下介質觸碰時的音波,接著利用聲音辨識技術,與預錄好的聲紋做比對,得到觸控時的座標,可提升超小型介質觸控的靈敏度。
DST類似AFR,屬彎曲波(Bending Wave)偵測,原理採類似地震震波的擴散,當手指觸控螢幕時,震波以非表面地向四面八方擴散出去,當震波擴散到面板4個角上的感壓元件後,DST處理器就能反向計算出震央位置(即觸碰點)。可做到多點觸控,適合大尺寸應用。
以上各種音波式技術的解析度高,可偵測到各式各樣介質與觸碰的壓力,並能承受較粗暴的觸碰,適合公共場所的應用(如導覽機、ATM、POS機)。
各觸控技術各有其擅長領域
從上述可知,各觸控技術皆有其優缺與其所應用的範圍,例如類比電阻式與表面電容式,其多點觸控上無法滿足市場需求,而當紅的投射式電容技術(PCAP),無法應用在大尺寸…因此觸控類的應用產品,在設計時就應選擇最適合的技術。例如公共場所使用就可選音波式,要有筆寫就要加入電磁式,要手指多點觸控就考慮投射電容式,要更輕薄就考慮內嵌式,讓產品能提供最佳的觸控體驗。