基于專利分析的多點觸控手勢識別技術研究

鄧清清

摘 要：隨著現代經濟的發展，多點觸控手勢識別技術在實現人機互換的過程中占據著越來越重要的作用。其中，通過先進的技術手段，逐漸脫離了傳統中的鍵盤、包括鼠標等。本文主要以專利數據為分析樣本，從專利文獻的視角對多點觸控手勢識別技術的發展進行了全面的數據統計以及分析，總結了與多點觸控技術相關的國內外專利的申請趨勢﹑本領域的主要申請人分布以及重要技術分支。并以蘋果公司為突破口對多點觸控手勢識別技術的發展路線做了一定的分析。

關鍵詞：多點觸控；手勢識別；電容

1 多點觸控手勢識別技術概述

最近隨著蘋果手機等多款智能機的興起，各種各樣的多點觸控移動終端逐漸浮出水面，在整個市場運作中占據著越來越重要的作用。多點觸控技術的推廣，促使了移動終端使用者可以進行各式各樣的操作方法，方便、快捷。最要的是，整個過程的發展速度非常迅猛。

1.1 電容式觸控技術

移動終端都是通過觸摸屏來收集觸控數據進而實現多點觸控手勢識別。觸摸屏按其技術原理可分為五類：電阻方式﹑光電方式﹑電容方式﹑聲波方式及其他方式。從產業應用和技術發展的趨勢看，目前研究和應用較多的觸控技術主要基于電容方式，與其相關的專利申請量也最大。

1.2 電容式多點觸控技術

基于電容方式實現的多點觸控技術包括手勢識別和多個觸摸位置識別。手勢識別即兩個手指觸摸時，可以識別到這兩個手指的運動方向，但還不能判斷出具體位置，可以進行縮放、平移、旋轉等操作。現有的基于投射電容的手勢識別通常只能區別兩個手指對象形成的手勢。

多點觸控位置識別可以檢測到多于兩個手指（例如雙手十個手指）同時觸摸，也允許其他非手指觸摸形式，其可具體確定各觸點的位置。多點觸控位置識別檢測的是X/Y方向電極之間的耦合電容的變化（即互電容變化）。另外，多點觸控位置識別和簡單的手勢識別的重要差別之一在于掃描方式不同，在多點觸控位置識別中，每行和每列交叉點都需單獨掃描檢測，掃描次數是行數和列數的乘積，而簡單手勢識別中掃描次數是行數和列數之和。

2 多點觸控手勢識別技術專利申請整體狀況

本節主要對全球的專利申請狀況的趨勢進行分析，從中得到技術發展趨勢。

2.1 國外的發展狀況

國外多點觸控手勢識別技術的專利申請趨勢，大致分為三個時期，各時期劃分以申請量增長率的變化為標準。

2.1.1 萌芽階段（2004年之前）

上世紀九十年代該項技術的發展屬于從無到有的萌芽階段。在該階段，有關多點觸控手勢識別技術的專利申請非常少。最早辛納普蒂克斯有限公司于1996年申請的“具有邊緣移動特性和動作識別的目標位置檢測器”，其公開了用于識別由一個傳導性目標在一個觸摸檢測器墊所作的動作并用于光標移動的方法，在可疑的動作器件通過分析出該傳導性目標在檢測器墊上的位置，壓力和移動可以識別輕擊，拖動，推壓，延長的拖動和可變的拖動動作，并且傳送表達出現這些動作的信號給主計算機。

2.1.2 平穩增長階段（2004年-2006年）

從2004年開始，有關多點觸控手勢識別的申請量增多，蘋果公司于2005年4月26日申請的“多點觸摸屏”，該技術使得觸摸屏能夠用于識別觸摸屏的觸摸敏感表面上不同位置處同時發生的多個觸摸操作，即觸摸屏能夠同時跟蹤多個接觸點，這使得多點觸控手勢識別成為可能。

2.1.3 快速增長階段（2007年-2013年）

從2007年開始，有關多點觸控手勢識別的申請量大幅增多，蘋果公司還積極在三維手勢識別技術方面進行研究，第一種是利用近距離傳感器和觸摸屏以三維形式記錄手勢；另一種是基于可以通過動作傳感器進行識別的直觀物理學隱喻手勢。用戶可以在iPhone手機屏幕上整理目標文件，然后將文件“倒入”平板電腦之中，以實現iPhone和iPad之間的文件傳輸。蘋果公司的專利US2007268275 A1公開了一種同步追蹤多個手指和手掌接觸的各種儀器和方法，探測手在一個接近感測、多點觸控表面的觸碰與滑動。憑借著對直觀的手勢形狀和動作的識別和歸類，這項技術可以前所未有地在一個多用途人體工學電腦輸入設備上整合打字、靜止、點擊、滑動、三維操作以及手寫等多項功能。

雖然多點觸控手勢識別技術最早起源于美國，但隨著技術的發展，中國作為發展國家，也成為這個領域的后起之秀，專利申請量占據了世界18%的份額，緊跟美國之后。此外，臺灣、歐洲、韓國，日本這些地區的多點觸控手勢識別技術也有著不錯的發展。

從相關數據看出蘋果公司作為一個領域的國際化的大公司，起到領頭羊的作用，而中國雖然在這個領域的專利申請量也比較大，但是可以發現較為發散，沒能像國外那樣形成強有力的大型企業，對于國內部分小型公司。

2.2 國內的發展狀況

國內多點觸控手勢識別技術的專利趨勢，大致分為兩個時期，各時期劃分以申請量增長率的變化為標準。

2.2.1 穩步發展（2009年之前）

在2009年之前多點觸控手勢識別技術在中國大陸和臺灣還屬于一個穩步發展的階段，專利申請量有一定的增長。臺灣作為這個領域的龍頭企業，義隆電子股份有限公司于2006年12月27日申請的“電容式觸控板的多物件檢測方法”，其公開了由至少一預設時間來辨別是噪音的干擾或是物件在觸控板上的操作，以正確判斷物件觸碰或離開該觸控板，進而準確地檢測各種不同手勢的操作。

2.2.2 快速增長階段（2009年—2013年）

在2009年之后多點觸控手勢識別技術進入了一個快速增長階段，專利申請量有快速增長的趨勢。其中最早涉及的標記性的文獻是比亞迪股份有限公司申請的“觸控手勢識別方法和裝置”，其公開了一種觸控板手勢識別方法，包括以下步驟：設定時間范圍和計數范圍；接收所述時間范圍內的輸出波形；計算所述輸出波形中的高電平個數；根據所述高電平個數進行各種手勢的識別判定。

如圖1所示的是多點觸控手勢識別技術的國內專利申請和各個省份或城市的分布情況，其中可以看出，臺灣占據了大量的專利申請量，而深圳﹑東莞也是這個技術領域的主要的專利申請的城市，一些新興的企業都位于這些沿海城市。查閱其申請文件，其技術還是明顯落后于國外某些大型國際企業，如蘋果，技術的創新是國內企業需要學習也是不容忽視的地方。

圖2為多點觸控手勢識別技術的國內及臺灣的主要申請人。可以看出，國內企業的專利申請占領了大部分，高效申請量比較少。更有像比亞迪這種汽車行業公司也積極地參與其中，也說明了觸控領域在汽車領域發展也比較迅猛。

2.3 蘋果公司的相關專利申請的技術路線

與基于數據手套和機器視覺的手勢有所不同，移動終端領域中的觸摸手勢是一個二維手勢。在移動終端多點觸控手勢識別技術中，可以將二維手勢分為：觸點手勢、指點手勢和自然手勢。

觸點手勢也就是觸點軌跡動作所包含的手勢含義，由于其實現較為簡單，手勢定義更加直觀，其在移動終端領域應用最為廣泛。指點手勢通過將手指操作的動作映射為手勢動作，如輕敲，滑動，或兩指分開等，從而實現對移動終端的控制和操作。自然手勢能夠通過表征性動作來表達想法和預期的命令，與使用者的思維習慣更加接近，用戶界面更加符合自然規律，更為直觀高效，但是由于該類手勢動作定義和識別的復雜性，涉及對手勢含義的理想描述和解析，實現具有較大的困難，目前在移動終端領域中還無法完美實現，是多點觸控手勢識別技術重要的發展趨勢。

對于多點觸控手勢識別技術，蘋果公司掌握了大量涉及重要技術的基礎專利，同時也在不斷進行新技術的研發，其研究熱點也在一定程度上代表了該領域的發展趨勢。下面以蘋果公司為突破口，分析多點觸控手勢識別技術的發展路線。

圖3是蘋果公司的有關多點觸控手勢識別的相關專利申請的技術路線，其研究領域后來主要分布在指點手勢和自然手勢的識別上。

其中最早涉及觸點手勢識別的標志性文獻是CN103365595A，該文獻公開涉及用于觸敏輸入設備的手勢，尤其是公開了一種處理觸擊輸入的方法和系統，該發明的一個方面包括從多點感測設備讀取數據，所述數據涉及對于所述多點感應設備的觸擊輸入，并且來自所述多點感應設備的觸點軌跡數據，識別至少一個多點手勢。

最早涉及指點手勢識別的標志性文獻是CN101609383 A，該文獻公開了一種操作電子設備的方法，該方法包括檢測在所述電子設備的電容型觸摸敏感表面上的觸摸，其中觸摸姿態包括一個或多個輕敲姿態，也可以是滑動觸摸，所述觸摸由所述電容型觸摸敏感表面的下面的一個或多個電容型觸摸傳感器來檢測。

最早涉及自然手勢識別的標志性文獻是WO2010002487A1，該文獻公開了一種手持多功能裝置和方法。這個手持設備檢測一系列的一個或多個手指拖拉，離開等各種復雜的手勢。

3 總結

本文以專利文獻為樣本，分析了多點觸控手勢識別技術的國內外專利申請趨勢，以及主要申請人等。并以蘋果公司為突破口分析了這一技術的發展路線。通過以上分析，使得對于該領域的歷史發展路程以及現有技術發展水平有了更進一步的認識。

基于如上的分析過程可以看出，從整體上分析多點觸控手勢識別技術的動態更新技術來看，在經歷了從上世紀90年代至本世紀初的幾年之間的從無到有﹑從萌芽到飛速發展的階段之后，這些技術都逐步走向了成熟，而且在這過程中一些世界一流的企業如蘋果等均走在前列，它們的一些相關專利申請奠定了該技術領域的一些基礎，技術的創新水平較高，從它們的被引用次數中也可以間接的反映出來。與此對應，國內的相關專利申請雖然隨著近幾年的快速發展而呈現出勢頭較猛的追趕趨勢，導致國內的申請數量有了較大幅度的提升，但是在質量方面還需要提高。