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2.7.3 摄像光学触控技术(编号11)

《实感交互:人工智能下的人机交互技术》第2章触觉感知,本章试图为应用于人机交互界面的触控技术提供一个明确的定义。本节为大家介绍摄像光学触控技术(编号11)。

作者:温秀颖 译来源:机械工业出版社|2019-02-03 20:59

2.7.3 摄像光学触控技术(编号11)

尽管摄像光学触控仅于2009年随着Windows7的发布才问世,但该项技术已经存在30余年之久。1979年,SperryRand集团首度定义了使用两个红外线性图像传感器[它们那时还是电荷耦合组件(CCD)]来定位显示器表面的触碰位置的概念,并获得了该项技术的专利。加拿大的SMARTTechnologies和新西兰的NextWindow在2000年前后独立2018送彩金的娱乐网站了首个商业用途的基于光学ThuchSystem的互补金属氧化物半导体(CMOS)。十年间,SMART将该技术应用于一部分自有产品,但直到2010年,该技术一直没有广泛使用。

惠普是第一个在桌面产品中使用光学触控技术的商家,它于2007年发布了TouchSmartTM一体化电脑附带NextWindow触控技术。2009年4月,SMART状告NextWindow侵犯其专利,并于2009年6月许可Pixart使用该项技术。Pixart很快开始向Quanta供应光学传感器以应对2009年10月发布的Windows7。Quanta成为了NextWindow的主要竞争对手。SMART在次年4月收购了NextWindow,于是中止了诉讼并缓解了Quanta作为竞争对手的经济冲击。融合两家公司的光学触控的知识产权比起一个公司的专利被另一个公司贬值(可能的诉讼结果)要明智得多。

摄像光学是一种遮光红外触控(此处“摄像” 是指包括图像传感器、透镜、红外滤光片、外壳以及数据线的常规装配集合)。在最普通的摄像光学触屏形式中(见图228a),屏幕角落有一个通过红外LED提供的外围背光源,屏幕周边有一个反射器(反射器是一种能把光从其射入的方向折射回去的材料,无论入射角角度)。由于反射器的作用,从屏幕边缘射出的光穿过屏幕表面CMOS线路扫描或区域成像器(相机) 被安装在屏幕的两个或更多的角落;当手指触碰屏幕时,边缘光受遮挡,其阴影被相机捕捉。

要注意的是,尽管相机使用的是区域成像器而不是单像素线路扫描成像器,其仍然无法看见触碰手指的灰度图像;它只能辨别有光或者无光。控制器处理来自相机的数据,并用三角测距来确定触碰手指的位置。

图228b展示了通过一个512像素光学传感器看到的光强度图。图中像素为358的急速下降是手指触碰屏幕的结果(即所有边缘背光都被遮挡的时点)。在250像素左右的缓慢下降是屏幕两个边缘的交点(即下边和右边边缘,从左上边的相机角度看去);这是距离相机最远的点。270像素左右的高峰出现在反射器把光原路射回相机的时候。

2009~2012年应用在桌面产品中的多数摄像光学触摸屏仅有两个CMOS传感器,这主要是考虑到成本问题。使用三角测距需要两个相机,这才能计算单个触点的X和Y位置。如果两个同时出现的触点能够被两个相机捕捉(即每个相机都能看到两个明显的阴影),那么就可能会出现四个触点———两个真正的触点和两个“重影” 触点(指在位置上关联真正的触点)。这是在自电容投射电容、传统红外和单点触控表面声波中也同样存在的问题———所有只能通过双轴获取信息的触控系统均是如此。在光学触控中区分真正的触点和重影需要有能够操纵多套触点的复杂算法。

高级算法还在另一种情况下彰显重要性———当同时出现的双触点无法被照相机分清时(即一个触点被另一个遮挡)。图229A和B展示了重影点和遮挡的情况。

在一个双相机光学触控系统中的触摸屏控制器有大部分的处理时间是用在运行算法以消除重影点和弥补遮光。实际上,多点触控体验的质量在双相机光学触控系统中是取决于算法的复杂程度,而不是硬件的质量。因此,一些大型的(大于30in) 光学触摸屏使用四个相机来提供更多的数据来源。四相机能够带来两个清晰的触点,除了一种特殊情况,即当两个触点都位于相机间的一个对角线上时,两个相机看到的是被遮挡的物体。

前面描述了由红外LED在屏幕角落生成的背光被反射的系统。这被称作“被动” 背光系统,因为相机感应到的阴影是由反射光生成的。然而背光也可“主动”,也就是说,它可以直接发射光。构建主动背光主要有两种方法。一种常用的方法是把大量的红外发射LED装置在触摸屏的四周边缘,这些可以直接发射被触碰物体阻挡的光。这种方法的主要优势是更高强度的光生成更高的触控系统信噪比,从而增强触控功能的稳定性。该方法的主要缺点是元件的增加成本和周围的印制电路板。

在第二种方法(由于知识产权的问题仅由Lumio使用过) 中,呈管状分布在屏幕周边的光导重新指引了红外光的方向,该红外光由位于每个波导段末端的LED生成,因此得以分散至屏幕表面。该方法的主要优势是较低的成本和非常低的横截面高度(3~4mm对比以往的6~10mm);主要的劣势则是其较低的光强度和单一来源的本质。

2013年的摄像光学触控应用主要在以下两个主要领域发展:

1)桌面多合一触控电脑和触控显示器。

2)大屏交互信息系统、数码广告牌、会议和培训室,以及在教育应用中使用大型交互LCD替代白板书写。

桌面应用系统的发展主要由于微软的Windows7TouchLogo的规范是基于摄像光学编写的,它在当时是成本最低的可支持双点触控的技术。而Windows8TouchLogo的规范则是围绕投射电容编写的,具有最低五个同时触点的要求。NextWindow已经能够通过使用六个相机来满足Windows8TouchLogo的规范———每个角落各一个,另外两个在三等分屏幕的顶边。目前,没有其他摄像光学供应商(除了SMARTTechnologies,即NextWindow的母公司,仅在出售完整的系统而不是触摸屏)声称拥有可以满足Windows8TouchLogo规范的产品。

由于投射电容在桌面尺寸(15~30in)的成本较高,摄影光学被看作是Windows8消费产品的理想替代品。但是PCOEM/ODM总体上更青睐多元资源,这样直到有除了NextWindow之外的供应商出现,否则让摄影光学进入Windows8桌面产品的可能性将十分有限。摄影光学技术在大屏显示器应用方面的主要对手是传统红外线;其他的竞争者还包括有线投射电容、表面声波和3M出品的色散信号技术(后两项技术局限在尺寸约为52in内)。

摄像光学比起传统红外的主要优势是其可延展性,这有助于它用在更大触摸屏时仍然保持较低成本。任何尺寸的传统红外触摸屏必须要在屏幕周边布满印制电路板,但是摄像光学触摸屏只要使用可连接到塑料或金属托架上的印制逆反射器即可。后者的成本要低很多。摄像光学技术的另一个优势是其高于传统红外的分辨率和速度。

在大画幅应用中,光学触控和传统红外触控均有各自优势,因此两者皆可能在今后数年继续出现在大画幅市场中。随着时间的推移,摄影光学技术将取代传统红外,因为其硬件要更简单,而更多的性能可通过软件增加。摄影光学触控技术的优缺点在表213中做了总结。

表213 摄像光学触控技术的优缺点


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