觸摸技術及測量研究

李 強，吳蔚華，李 默，孫 三

(國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015)

觸摸技術及測量研究

李 強，吳蔚華，李 默，孫 三

(國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015)

針對電容、電阻和紅外觸摸技術原理進行了介紹，分析了不同觸摸技術的定位原理以及優缺點。在此基礎上，對不同觸摸產品的特性進行了探討，從而引出主要觸摸功能的驗證方法，以及觸摸性能的測量方法，最后對觸摸產品顯示性能的測量進行了探討。

觸摸技術；測量；電阻；電容；紅外

在人機交互技術的發展進程中，已不再只有鼠標、鍵盤的操作，而是以更加人性化和簡便的形式出現：觸控、聲控和圖像識別等。觸摸技術是目前最為主流的多媒體交互技術，廣泛應用于消費、公共信息查詢、多媒體信息系統、醫療儀器和教育系統等多個領域，如手機、平板PC、廣告屏和交互式一體機等。不同的產品使用環境不同，采用的觸摸技術不同，給使用者帶來不同的感官體驗和視覺享受。

具有觸摸功能的顯示設備就可以稱之為觸摸顯示設備，簡而言之，就是將觸摸控件加載在顯示設備表面，附加觸摸功能。觸摸控件的差異給觸摸技術帶來本質區別。

1 觸摸技術及觸摸定位原理

觸摸技術是基于計算機識別，與顯示設備配合使用。觸摸技術的基礎是觸摸控件，不同的觸摸控件附著在顯示設備的表面，主要由各類傳感器組成，不同觸摸技術的傳感器不同，但本質都是光電傳感器，觸摸后，觸摸位置的光信號或電信號發生變化，通過傳感器檢測到觸摸信號，經過處理后，可以得到觸摸坐標，將觸摸坐標發送至計算機實現對應操作。主流觸摸技術按工作原理可以分為電阻式、電容式和紅外[1]。

1.1 電阻式觸摸

電阻式觸摸依靠由多層復合薄膜做成的觸摸屏實現。電阻式觸摸技術采用分壓器原理分辨觸摸點位置。如圖1、圖2所示。

圖1 電阻觸摸技術

圖2 電阻觸摸技術分壓原理

1.2 電容式觸摸

電容式觸摸屏是一塊4層復合玻璃屏，如圖3所示。4個電極在導電體內形成一個低壓交流電場。當觸摸發生在最外層時，觸摸物與工作面就會形成耦合。根據電容隔直流通交流的特性，當高頻電流流過觸摸技術表面時，電容相當于一個導體，觸摸點會產生很小的電流，并分別從4個角或者4個邊上的電極流出。這4個電流正比于手指到4角的距離，通過分析電流情況即可準確得到觸摸坐標。

圖3 電容觸摸技術原理

1.3 紅外觸摸技術

紅外觸摸技術是通過在橫軸和縱軸上分布的紅外對管來檢測定位用戶的觸摸位置。紅外觸摸屏是在顯示設備表面安裝一個紅外觸摸框。紅外觸摸框的水平方向和垂直方向分別安裝了紅外發射管和接收管。一旦發生觸摸操作，在水平方向或垂直方向的紅外接收管就接收不到發射管發射的紅外光，通過計算被遮擋的紅外管分布情況來判斷觸摸點的位置。

傳統紅外觸摸技術采用正對的發射和接收器件進行掃描，可獲得單點坐標，但容易產生偽點?，F代紅外觸摸技術采用光電晶體管，通過增加斜向的發射和接收器件進行掃描，可去除偽點，實現多點觸摸。

2 觸摸顯示設備特性

電阻觸摸屏反應靈敏度較高，可使用手指甲或觸控筆等進行操作，不怕灰塵、水汽和污垢的影響。但觸摸網格的微小變動會影響觸摸技術的準確性，且外層薄膜容易被劃傷。

電容觸摸屏易受外界環境電場、手指濕潤程度、環境干燥程度的影響，導致觸摸點的“漂移”。其次電容觸摸屏的四層復合玻璃對不同波長光的透光率不均勻，導致色彩失真，且電容觸摸屏存在反光現象。

紅外觸摸屏不怕溫度、濕度、電磁干擾等優點，但容易產生偽點。其次，因為紅外光譜的波長與太陽輻射的可見光部分有重合，所以易受環境光干擾。紅外觸摸受技術影響，易產生延遲，響應時間較慢[2]。

3 觸摸測量研究

觸摸產品近幾年開始在教育、廣告和消費等領域廣泛使用，而國內還沒有發布國家或行業標準。國際上，美國SID標準化組織發布的Information Display Measurement Standard 1.03[3]版中規定了觸摸產品的功能和性能測量方法。2013年，質檢中心成立技術項目組，學習掌握觸控產品的原理、優缺點，研究觸控產品功能和性能測量方法。項目組綜合各類主流觸摸技術的主要優缺點，研究了觸摸顯示設備的測量方法，并進行了一些摸底測試，主要體現在觸摸功能、性能和光學測量3個方面。

3.1 觸摸功能測量

觸摸功能測量的焦點在多點觸控。不同觸摸技術的多點觸控功能有所差異。電容觸摸可實現靜態畫面的放大、縮小，一般是依靠多點觸控實現的；紅外觸摸目前可實現多點同時書寫，主要應用于教育系統，一般要求可實現多點觸控，也可實現4～6個點同時書寫。

防水功能主要考核觸摸產品表面有水滴或水霧時，能否正常觸摸。觸摸產品在日常使用時，可能會遇到手上有水、表面有水或濕度較大的環境。測試時，要模擬這些情況，驗證產品能否正常觸摸。

表面污染主要考核觸摸產品表面有異物、污漬和手指印等時，能否正常觸摸。觸摸產品在日常使用時，屏幕表面可能會有灰塵、油漬或手指印等，有時會因為這些異物或污染的存在，而明顯影響觸摸效果。測量時，要模擬這些情況，驗證產品能否正常觸摸。

3.2 觸摸性能測量

觸摸性能可以直接客觀地反映產品的觸控效果。常見的測量項目主要包括觸控精度、線性精度、響應時間、觸摸分辨力和觸摸高度等。

1)定位精度

定位精度是考核觸摸產品進行觸摸操作時，觸控點位置的準確度。測量時應采用具有固定坐標測試點的測試圖，如圖4所示。測試圖中繪制了13個測試點，每個測試點在測試圖中的(x，y)坐標是已知的，且每個測試區域的直徑應不小于7 mm。測試點的數量和位置可以根據測量需求任意設定，但必須明確(x，y)坐標。

圖4 定位精度測試示意圖

觸摸時宜采用直徑一定的觸摸筆，在指定位置進行觸摸。觸摸后，相應的測試點會有顯示，可以測量顯示點與規定測試點的距離差。

當然這是較為粗略的方法，在測量中難免會有誤差。目前大多數觸摸產品都具有操作系統，如Android系統。如果通過特定軟件，應可以讓觸摸產品自動識別觸摸筆觸摸后，顯示的點的實際的(x，y)坐標，從而可以獲得顯示點與規定測試點的坐標距離。此測量方法也會因軟件設計和編寫的優劣而帶來誤差。

項目組對某款紅外觸摸產品進行了摸底測試。該款產品具有定位指示，但不能顯示具體坐標，如圖5所示。從產品的定位軟件可以明顯看出觸摸筆的落點與軟件識別點是有偏離的。圖6顯示了某個區域的測量結果。十字交叉點為測量接觸點，而觸摸筆的落點顯示為紅色。偏離的距離可通過游標卡尺進行測量。

圖5 紅外觸摸產品定位軟件

圖6 定位精度測量結果

2)線性精度

線性精度是考核觸摸產品在繪制直線時的線性偏差。使用者在觸摸產品上繪制直線時，如果繪制動作本身是一條直線，但是顯示出來的可能不是一條直線，是曲線。本項目就是測量顯示出來的線與規定直線的偏離程度。測試時采用具有固定直線的測試圖，直線應覆蓋整個屏幕區域，如圖7所示。

圖7 線性精度示意圖

測量結果分別如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，水平或垂直方向的直線擬合較好，繪制出的是直線；但在斜向方向上，繪制出的是曲線，與理想直線有一定的偏離。所以線性精度的測量有意義。

圖8 水平方向的線性精度

圖9 斜向方向的線性精度

3)響應時間

響應時間是考核觸摸產品觸摸和最終顯示之間的延遲時間。因為工作原理不同，不同的觸摸產品的響應時間是有差異的。項目組針對響應時間的測量進行了深入研究。之所以會產生觸摸與顯示之間的延遲，是因為觸摸產品在接收到觸摸指令后，會將信號發送給產品的CPU進行識別、處理，再反饋給液晶顯示設備進行顯示，這是需要時間的，這段時間就是觸摸產品的響應時間。時間長的話，人眼可以明顯感受到觸摸筆或手指與繪制點之間的距離差，如圖10所示。

圖10 響應時間的效果圖

如果采用時間測量工具如秒表測量響應時間是不現實的，觸摸產品的響應時間一般在毫秒級，測試人員的反應速度無法滿足測量要求。那么，要獲得時間就要從其基本的物理概念入手。時間等于距離除以速度。此處的距離就是觸摸筆與顯示繪制點的終端之間的延遲距離。此處的速度可以通過輔助設備達到勻速運動的效果，從而獲得速度值。如果采用高速照相機或攝像機，將整個過程拍攝下來，就可以準確地獲得延遲距離。

如圖11所示，觸摸筆以某一速度勻速運動，在觸摸屏上繪制圖形，黑色直線的末端與觸摸筆之間是有距離差的，這個距離差就是延遲的距離，再除以觸摸筆移動的速度，就是觸摸產品的響應時間。

圖11 測試結果圖

4)觸摸高度

觸摸高度主要是針對紅外觸摸產品提出的測量項目。當觸摸筆與觸摸屏的距離小于等于某個值X時，會觸發紅外接收器激活觸摸功能，這個值即觸摸高度。觸摸高度越低，越不容易造成使用者的誤觸。

測量觸摸高度時，應使用輔助測量設備固定觸摸筆進行測量。如采用手持筆測量觸摸高度，將無法解決抖晃問題，需要確保觸摸筆處于靜止狀態，才可以精確測量出這個觸摸高度。圖12是觸摸高度測量的示意圖，在觸摸筆逐漸接近觸摸屏表面的過程中，當觸摸筆下降至某高度時，觸發觸摸屏的響應，此時保持觸摸筆靜止狀態，并使用游標卡尺測量得到該觸摸屏的觸摸高度。

圖12 觸摸高度測量示意圖

5)觸摸分辨力

觸摸分辨力與顯示設備的固有分辨力概念類似，直接影響觸摸產品的觸摸精度。但目前，該項目沒有明確的定義和描述。所以市場上有各種各樣的描述方式，有的采用觸摸器件水平和垂直方向的數量，有的則通過算法進行描述。參考顯示設備的固有分辨力的概念，觸摸分辨力應與實際采用的觸摸器件的數量掛鉤，描述成水平方向的數量×垂直方向的數量。但觸摸分辨力的測量方法還需要再研究。

4 觸摸產品的顯示性能測量探討

觸摸產品選用的顯示設備大多是液晶顯示。但不同的觸控器件施加在液晶顯示設備上后，顯示效果會有所差異。常規顯示性能的測量項目，如亮度、對比度、亮度均勻性、色域覆蓋率等與平板電視的測量方法差異不大，可參考SJ/T 11348進行。有些顯示性能項目是目前國內標準不包括的，應關注一下。

電容觸摸產品大多應用于手機、平板電腦等，會在不同的環境光條件下使用。由于其本身存在反光現象，所以應特別注意產品的環境光對比度，以考核該類產品在不同環境光條件下的顯示清晰度。環境光對比度的測量方法這里不再詳細描述，可以參考筆者關于顯示屏環境光對比度測量的討論。

而紅外觸摸產品，應特別關注抗環境光干擾的性能。測量時，應選用相關設備，如白熾燈、模擬太陽光、驗證該類產品的觸摸效果是否受到影響。

[1]吳娟. 紅外多點觸摸技術的關鍵問題研究[EB/OL].[2014-11-05].http://www.doc88.com/p-0788013187824.html.

[2]陳坤. 基于電容式觸摸技術的研究與應用[EB/OL].[2014-06-01].http://www.doc88.com/p-6009861612478.html.

[3]Society for Information Display. Information display measurement standard:Version 1.03[S/OL].[2014-11-05].http://www.icdmsid.org/downloads/idmsl.html.

責任編輯：許 盈

Touching Technology and Research for Measurement

LI Qiang, WU Weihua, LI Mo, SUN San

(NationalTesting&InspectionCenterforRadio&TVProductsofChina，Beijing100015,China)

The theory of the electric capacity, resistance and infrared touching technology are introduced.The positioning principle and advantages and disadvantages of different touching technology are analyzed. On the basis of them, the characteristics of different touch products is discussed, which leads to the main methods of measurement for the touch function and touch performance. At last, the article discusses the methods of measurement for display performance of the touch products.

touch technology; measurement; electric capacity; resistance; infrared

TN949.6

A

10.16280/j.videoe.2015.05.030

2014-09-12

【本文獻信息】李強，吳蔚華，李默,等.觸摸技術及測量研究[J].電視技術,2015，39(5).