多點觸摸簡介

　　顧名思義，多點觸摸（MultiTouch）技術指的是允許計算機用戶同時通過多個手指來控制圖形界面的一種技術。與多點觸摸技術相對應的當然就是單點觸摸，單點觸摸設備已經(jīng)有很多的年頭了，小尺寸的有觸摸式手機，大尺寸最常見的就是銀行里的ATM機和排隊查詢機。多點觸摸設備是由可觸摸設備（例如：計算機顯示器、桌子、墻壁）或者觸摸板組成，通過軟件識別同時發(fā)觸摸行為的點。這與市場上常見的觸摸顯示屏（例如：計算機觸摸板、銀行的ATM柜員機）不同，市場上常見的觸摸顯示屏只能夠識別單或雙點。

多點觸摸百科

　　顧名思義，多點觸摸（MultiTouch）技術指的是允許計算機用戶同時通過多個手指來控制圖形界面的一種技術。與多點觸摸技術相對應的當然就是單點觸摸，單點觸摸設備已經(jīng)有很多的年頭了，小尺寸的有觸摸式手機，大尺寸最常見的就是銀行里的ATM機和排隊查詢機。多點觸摸設備是由可觸摸設備（例如：計算機顯示器、桌子、墻壁）或者觸摸板組成，通過軟件識別同時發(fā)觸摸行為的點。這與市場上常見的觸摸顯示屏（例如：計算機觸摸板、銀行的ATM柜員機）不同，市場上常見的觸摸顯示屏只能夠識別單或雙點。

　　硬件編輯多點觸摸技術帶來了許多驚人的開創(chuàng)，這不僅僅局限在多點觸摸設備，還引發(fā)了更多相關的設備出現(xiàn)。到目前為止，已經(jīng)有五項可以幫助愛好者搭建穩(wěn)定的多點觸摸平臺的技術出現(xiàn)，它們分別是：由Jeff Han 教授開創(chuàng)的受抑全內(nèi)反射多點觸摸技術（FTIR）；微軟Surface采用的背面散射光多點觸摸技術（Rear-DI）；由Alex Popovich 提出的激光平面多點觸摸技術（LLP）； 由Nima Motamedi 提出發(fā)光二極管平面多點觸摸技術（LED-LP）；由Tim Roth 提出的散射光平面多點觸摸技術（DSI）。這五項技術主要基于光學原理和計算機視覺識別，除了這五種主流技術之外，，還有一些其它的技術同樣可以搭建多點觸摸設備，包括聲波器、電容、電阻、動作捕 捉器、定位器、壓力感應條等。通常情況下，這各種感應器結(jié)合起來，就可以搭建一個特別的多點觸摸設備。在這里，我們將和大家探索這五種多點觸摸技術?；诠鈱W的多點觸摸技術基于光學原理（如攝像頭）的多點觸摸技術搭建的設備體積相對較大，但它的可拓展性較強、成本較低以及容易搭建。受抑全內(nèi)反射多點觸摸技術（FTIR），正面和背面散射光多點觸摸技術（Front and Rear DI），激光平面多點觸摸技術（LLP），發(fā)光二極管平面多點觸摸技術（LED-LP），散射光平面多點觸摸技術（DSI），這些都是基于光學原理多點觸摸技術。每個基于光學原理的多點觸摸技術都包含光學感應器（通常為攝像頭或攝像機）、紅外光源以及通過投影儀或者顯示面板顯示的屏幕。因為有這三個相通點，所以在系統(tǒng)探討各項技術前，需要對這三點有個清晰認識和了解。受抑全內(nèi)反射多點觸摸技術JeffHan教授（Han2005）。Han教授的?法是源??個光學的基本現(xiàn)象，叫全內(nèi)反射（?稱全反射），它講述的是在?射??特許的?（Getty，KellerandSkove1989，p.799）?的情況下，光線經(jīng)過兩個不同折射率的介質(zhì)，這個特許的?（稱為臨界?）基于物質(zhì)的折射率?得到的，可以通過Shell法則以數(shù)學?式計算出來。當上述情況發(fā)?時，在物質(zhì)上就不會產(chǎn)?折射，?是所有的光線會反射在內(nèi)部。Han教授通過這個原理把紅外線反射在?塊遵守全內(nèi)反射規(guī)則的壓克?內(nèi)部，當?戶在壓克?表?觸摸時，光線就會被?戶的接觸部位反/折射（通過?膚），在觸摸的地?就會將原本反射在內(nèi)部的紅外線折射回我們在壓克?板?架設的紅外攝像頭（圖1），通過對應的軟件就可以偵測到我們相對應的信息點。這個原理在我們制作多點觸摸顯?設備的時候?常的有?，當光線的反射被我們破壞在對應的區(qū)域，然后折射出來時，架設在下?的紅外攝像頭便能夠清晰地讀取到相對的信息點。

　　散射光照明多點觸摸技術背面散射光照明多點觸摸技術原理圖散射光照明多點觸摸技術會有兩種表達形式：正?散射光照明多點觸摸技術和背?散射光照明多點觸摸技術（如圖2）。兩種表達形式都基于同?個原理——畫?與觸摸在屏幕上?的?指形成對?。

　　激光平面多點觸摸技術紅外激光頭發(fā)射出來的紅外?鋪滿整個屏幕，這個激光紅外?的厚度?概在1mm左右，當?指觸摸屏幕的時候，?指的尖部會作為?個紅外點顯?出來。利?激光平?多點觸摸技術來實現(xiàn)多點觸摸裝置是種簡易以及價格便宜的?法，多數(shù)的裝置需要激光平面多點觸摸技術原理圖兩到四個激光頭，從屏幕的四個?落照射在平?上。激光光線的亮度取決于激光的功率（mw、w），功率越?亮度就越?。

　　散射光平面照明多點觸摸技術散射光平?照明多點觸摸技術是利??種特殊的壓克?來使紅外線照亮整個屏幕的?？梢詤⒄誇TIR裝置的步驟（不需要?到兼容層），把普通的壓克?轉(zhuǎn)成特殊壓克?（如圖3），這種壓克?運?了許許多多的導光粒?作為主材料，就像在壓克???裝滿了許許多多的鏡??樣，當光照射進?內(nèi)部的時候，就會被發(fā)散射光平面照射多點觸摸技術原理圖射從?照明整個屏幕，市場上稱這種壓克?為導光板。這種效果有點類似散射光照明多點觸摸技術（DI），不同的是沒有特別明亮的區(qū)域以及它的設置和FTIR相同。

　　發(fā)光二極管平面多點觸摸技術紅外發(fā)光?極管放置在觸摸屏幕的四周，讓光線更好地分布在表?上。這和激光平?多點觸摸技術類似，?極管平?多點觸摸技術同樣在觸摸屏幕上創(chuàng)造了?個紅外線平?，光線會使放在屏幕上?的物體發(fā)亮?不是觸摸，然后通過軟件（Touchlib、CommunityCoreVision）調(diào)節(jié)濾鏡來設置僅當物體被提起或者接近屏幕的時候被照亮。但這個對于剛開始發(fā)光二極管平面多點觸摸原理圖??極管平?多點觸摸技術來做設備的愛好者來說會是?個挑戰(zhàn)，需要有更多的耐性去調(diào)節(jié)。裝置中建議利??塊擋?（例如圖4所?）放置在?極管的上?，這可以讓更多的光在平?上。

　　軟件編輯多點觸摸輸入編程和其他任何形式的編程一樣，不過在多點觸摸編程中，有一套固定的某些協(xié)議，作法和標準。通過NUIGroup與其他組織和社團的合作，多點觸摸編程已經(jīng)有了針對多種編程語言的開發(fā)框架，這些語言包括ActionScript3，Python，C，C++，C#以及Java。多點觸摸編程分為兩步：首先，從攝像頭或者其他輸出設備讀取和轉(zhuǎn)化輸出的觸點信息，傳遞這些原始的觸點信息通過之前制定的協(xié)議組合，然后編程語言就可以使??勢來讓?個應?程序配合。TUIO（Tangible User Interface Protocol，可觸摸的用戶界面協(xié)議）已經(jīng)成為追蹤觸點信息的專業(yè)標準協(xié)議。

　　觸點追蹤對象追蹤一直是計算機視覺基礎研究領域的?個??。它的創(chuàng)作是跟蹤包括能夠準確的反復識別包含特定對象的?系列視頻幀（估算）。一般來說，這是?個?常困難的問題，因為首先要在所有的幀中發(fā)現(xiàn)對象（?且往往是在雜亂，封閉，或者是不斷變換的照明條件下），以及讓數(shù)據(jù)能夠和幀之間以某種方式聯(lián)系起來以便識別我們所需要的對象?，F(xiàn)在很多的問題已經(jīng)被解決，在追蹤這個問題上最普遍的模式就是“?成模式”（GenerativeModel），這是些諸如Kalman粒過濾器等流解決案的基礎。在大多數(shù)的系統(tǒng)中，?個完善的背景相減算法需要對每幀進?預處理，這確保靜態(tài)或者背景圖像能夠被忽略掉。對于一些光照不穩(wěn)定的視頻流，像“?斯混合模型”（Gaussian Mixture Model）這樣的?適應模型已經(jīng)能夠比較智能的識別出不均勻的動態(tài)背景。把背景過濾掉之后，剩下就是我們需要的前景對象了。我們往往確定這些對象的質(zhì)?，而且這些點會被?幀?幀被追蹤。追蹤算法會根據(jù)這些萃取的質(zhì)?估算在下?幀觸點的位置。

　　手勢識別未來的人機交互將是?然?戶界?（Natural User Interface），當然這個界?還很模糊。隨著便宜并可靠手勢的多點觸摸硬件的不斷發(fā)展，我們相信，在不久的未來，多點觸摸設備不僅僅是在實驗室里了，而是遍布在學習室，繪圖室甚至是廚房里，一切皆有可能。從?義上說，“?勢的概念涵蓋很廣泛，只要是為了讓交流的?的更明確，更引人矚目?采?的?切?體動作，都可以稱作?勢。”通過?勢交流是人類發(fā)展歷程中最古老的形式，當然，這超出了我們的討論范圍。這樣?個基于?勢的界?是社會化，任務協(xié)作，以及藝術性觸摸的最佳候選?案。這個界?是符合自然規(guī)律的、更直觀的用戶界面。然而，現(xiàn)在多點觸摸硬件上所使用的?勢是很少的，仍然存在很大的發(fā)展空間，當然也少不了繼續(xù)探尋?些?手勢2勢的可應?性。多點觸摸界?需要?個全新的?案，?不是?GUI或者WIMP的?法來實現(xiàn)它。?勢的類型決定了不管是多觸摸?戶還是單觸摸多?戶都能進?互動。我們將討論需要的新?勢，發(fā)展?勢識別模塊和?持框架能夠充分利?多點觸摸設備的潛?，?持可定制開發(fā)和易于使?的復雜的多點觸摸應?。

　　PythonPython是一種可用于多種類型軟件開發(fā)的動態(tài)?向?qū)ο缶幊陶Z言，它提供了強?的與其它語言和?具相互協(xié)作?持，擁有廣泛的標準庫，?且你可以在?天之內(nèi)上?。很多Python程序員都反映使?Python獲得了更?的?產(chǎn)?，更強壯的代碼以及更易維護的特性。

　　ActionScript3&Flash在2007年，Adobe收購了Macromedia，新版Flash推出，命名為AdobeFlashCS3。Adobe對ActionScript版本進?了全?的修訂和增改，推出ActionScript3.0。到現(xiàn)在，F(xiàn)lash已經(jīng)是?頁設計師最強?的?具之?，然而，F(xiàn)lash已經(jīng)不僅僅局限于網(wǎng)絡。由于名為AdobeFlex和AdobeAIR的新的編程平臺的出現(xiàn)，開發(fā)者可以?ActionScript3.0去開發(fā)跨平臺（Cross-Platform）的桌?應?程序?，F(xiàn)在，F(xiàn)lash可以來創(chuàng)作多點觸摸應用，通過計算機視覺技術和多點觸摸感測程序，比如Touchlib，CCV和reacTIVision的協(xié)助。

　　NET/C#.NET也為編程界?（API）提供了新功能和開發(fā)?具。這些?新使得程序設計員可以同時進?Windows應?軟件和?絡應?軟件以及元件和服務（webservice）的開發(fā)。.NET提供了?個新的反射性的且?向?qū)ο蟪绦蛟O計編程界?。.NET設計得?夠通?化從?使許多不同?級語?都得以被匯集。

　　分類編輯從可觸摸的點數(shù)上來分，有兩點觸摸（比較適合一個用戶，現(xiàn)在市場上也把兩點觸摸歸到多點觸摸的行列）、真多點觸摸（適合于多個用戶）。從設備尺寸上來分，有小尺寸的個人多點觸摸設備，也有大尺寸的適合多人的多點觸摸設備。通常以20英寸作為個人設備和多人設備的分界點，顯然太小的設備多人用起來也不方便。

　　構(gòu)成編輯按照馮·諾依曼的計算機構(gòu)成原理，一臺計算機應由運算器、存儲器、控制器、輸入-輸出設備組成。傳統(tǒng)計算機的輸入設備是鍵盤和鼠標，輸出設備是顯示器，而多點觸摸計算機與傳統(tǒng)計算機不同之處就在于它的輸入與輸出全都集中到了顯示器上，你在顯示器上輸入指令，同時計算機就將結(jié)果反應在顯示器上。 在現(xiàn)有技術下，多點觸摸技術所使用的顯示設備主要有液晶顯示器、背投顯示器等。諸如全息顯示器之類的設備還停留在科幻電影和科學家的實驗室里。

　　運用編輯很多人以為多點觸摸僅限于放大縮小功能。其實，放大縮小只是多點觸摸的實際應用樣例之一。有了多點觸摸技術，怎么應用就可以通過無限想象來無限擴展。程序員可以把多點觸摸應用到很多方面，從一定程度上改變或者創(chuàng)新出更多的操作方式來。典型的應用是，在硬玻璃上彈琴成為現(xiàn)實。如果把你的手機屏幕變成琴鍵，那么哄哄小女孩還是很有趣的。另一個典型的例子是蘋果手機上的PS模擬器，通過多點觸摸技術，實現(xiàn)了同時進行方向鍵和其他按鈕的組合輸入。

　　單點觸控和多點觸控的區(qū)別

　　單點觸摸屏

　　觸摸屏的功能發(fā)展由簡及繁，最初的產(chǎn)品只支持最簡單的操 ［LU4］ 控，就是一個手指觸摸屏幕上的一點來實現(xiàn)操控。比如我們每天在附件超市的 POS 終端機，或者在機場的 check-in 終端上進行的操作。以前，我們只能通過屏幕周邊的機械按鈕進行操控，單點觸摸屏在此基礎上實現(xiàn)了用戶界面方面的一大進步。當然，機械和新型電容式觸摸感應按鈕在我們的家庭、辦公室及其他地方無所不在：手機、固定電話、遙控器、電視、電腦及其各種外設、游戲機、電冰箱、微波爐、烤箱，以及無線電和空調(diào)等車內(nèi)電子控制設備等等?，F(xiàn)在， 單點觸摸屏在顯示屏上直接集成了用戶控制界面，因此再也不需要傳統(tǒng)的機械按鈕了。

　　這種屏幕為用戶界面帶來兩大好處，一是設備設計空間得到優(yōu)化，特別有利于小型設備，因其能在同一區(qū)域內(nèi)同時 “安裝”屏幕和按鈕 ; 二是由于按鈕能綁定于操作系統(tǒng)中的任意應用，所以設備使用的“按鈕”可以達到無限多個。上述功能主要建立在電阻式觸摸屏技術基礎之上，在消費電子產(chǎn)品、機場報刊亭、食品雜貨店 POS 終端和車載 GPS 系統(tǒng)等各種應用中都得到了廣泛推廣。

　　多點觸摸屏 ——識別手指方向

　　盡管單點觸摸屏和電阻式觸摸屏技術很令人吃驚并頗具革命意義，但其還是有兩大缺點，一是電阻式技術依賴于觸摸屏的物理運動 ［LU5］ ，盡管影響 ［LU6］ 不大，但經(jīng)過正常的磨損老化后，性能就會下降 ; 二是這種技術只支持單點觸摸，也就是一次只能用一個手指在屏幕的某個區(qū)域做單一動作。為什么用戶與設備的互動只能局限于一根手指呢 ？ 蘋果公司為用戶界面革命做出了不可估量的貢獻，其推出的 iPhone 采用了感應電容式觸摸屏。即使在智能電話等小型化設備中，要想充分發(fā)揮應用和操作系統(tǒng)的功能，也需要多個手指才能實現(xiàn)最佳的可用性。因為有了蘋果公司，用戶現(xiàn)在已經(jīng)很難設想過去是怎么在不支持兩個手指的手勢動作的情況下，完成照片縮放，以及相冊、網(wǎng)頁視圖的方位改變等相關操作的。

　　其他技術革新者正在多種設備系統(tǒng)上繼續(xù)沿用這種多點觸摸技術，其中包括 GoogleG-1 和 BlackberryStorm 智能電話、 MacBookPro 和惠普 touchsmart 臺式機和筆記本電腦、便攜式媒體播放器以及其他多種應用等?，F(xiàn)在，用戶又有了新的期待，希望進一步改善用戶與其電子產(chǎn)品的互動方式，各種電子產(chǎn)品也都紛紛爭相實現(xiàn)用戶的這種新要求。

　　多點觸摸屏 ——識別手指位置

　　與單點觸摸屏一樣，識別手指方向的多點觸摸屏也有一個局限，就是該技術能在屏幕上同時識別的操作點數(shù)量有限。為什么一次只能識別兩個操作點呢 ？ 用戶的兩只手有十個手指，當用戶之間彼此互動時，屏幕上會出現(xiàn)更多的手指。這就是識別手指位置的多點觸摸概念的由來，它可以實現(xiàn)兩個手指以上的操控。

　　Cypress 將此技術稱為“多點觸控全區(qū)輸入”，它進一步提升了觸摸屏可靠的可用性，能滿足多種特性豐富的應用需求?？煽啃允侵肝覀兡芤宰罡吡６葴蚀_捕獲到屏幕上所有觸點的原始數(shù)據(jù)，盡可能減少屏幕觸點定位不準帶來的混亂問題的能力?？捎眯允侵副姸喙δ軓姶蟮膽每稍诓煌笮〉钠聊簧鲜芤嬗陔p手或兩個手指以上的屏幕操控的能力。 3D 互動游戲、鍵盤輸入和地圖操作等都是使用這種觸摸屏功能的一些主要對象。

　　從根本上來講，多點觸控全區(qū)輸入技術為設備和系統(tǒng) OEM 廠商提供了唾手可得的所有觸摸數(shù)據(jù)，幫助他們發(fā)揮創(chuàng)造性，以開發(fā)下一代新型實用的技術。

　　賽普拉斯半導體公司推出的 TrueTouch 觸摸屏 解決方案就是多點觸控全區(qū)輸入的一個應用實例。 TrueTouch 采用了賽普拉斯 PSoC 可編程片上系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)集成了帶有可編程模擬和數(shù)字塊的 8 位微控制器?？蓪崿F(xiàn)無與倫比的靈活性和可配置性。 TrueTouch 解決方案的感應式電容觸摸屏控制器能擴展支持各種尺寸的屏幕，可靈活支持單點觸摸、識別手指方向的多點觸摸和識別手指位置的多點觸摸技術。 TrueTouch 可高度集成外部元件，而且特別適合與各種觸摸屏感應器或 LCD 顯示屏協(xié)同工作。靈活的 PSoC 架構(gòu)使設計人員能夠在產(chǎn)品設計的最后階段方便地進行修改，而這是其他觸摸屏產(chǎn)品無法做到的。