分析大型电容式触摸屏采用无源手写笔的影响

关键词： 触摸屏 , 手写笔 , 电容式感应

移动设备生产商希望为消费者提供自然易用的用户界面，就好像使用纸和笔一样方便自如，同时还要具备电脑的高度灵活性，这样的高级特性可帮助生产商实现产品差异化。带手掌误动作排除功能的小型尖头无源手写笔让制造商能够提供支持手写、编辑、签名捕获、精确导航等各种新应用功能的低成本解决方案。然而，上述功能的实现也面临一些挑战，无源手写笔的开发人员必须满足更大型触摸屏上电容式感应技术的一系列性能要求。具体来说，需要采用高级算法和感应方法来检测手写笔发出的很小的信号，同时还要排除用户手掌造成的较大的无用信号。此外，设备还必须能够动态地在手写笔和多点触摸输入之间来回切换，同时保持一定的速度、精确度和响应性，从而确保理想的用户体验。
随着电容式触摸屏的尺寸越来越大，类似于纸和笔一样的使用写入设备变得更加直观方便。制造商支持手写笔功能的最常见方法就是采用有源手写笔或无源手写笔。有源手写笔采用电子组件，需要一个电源，并向主机设备发射信号。采用有源手写笔能支持显示屏上悬停、压力感应、按键支持、擦写等高级特性。无源手写笔则采用导电性材料，相当于用户身体的延伸。用户手部的电容耦合支持无源手写笔触碰屏幕时发送信号，手写笔和主机平台之间不存在有源通信，因此如何区分手指和无源手写笔是一个难题。
在许多情况下，如果说有源手写笔和无源手写笔都能实现相同的特性，则无需为系统增加额外的成本。有源手写笔额外的组件和电源要求使它很难打开销路，而无源手写笔的性能较差以及/或头大笨重则会带来不自然的手写体验。因此，如果无源手写笔的笔头为1到2毫米，用户手写时手掌能搁在屏幕上，同时保持足够的速度和准确度，并确保接触点刚好就是“墨水”的“着墨之处”，则可提高无源手写笔的用户体验。
为了创建一款切实可行的实现方案，其可同时支持手指和无源手写笔操作，必须考虑多种不同的使用情况。例如，开发人员应考虑系统要在检测手指和手写笔输入之间的切换速度。同样，他们还要定义手写笔在手指/手掌之前、之后或者同时触摸屏幕时系统的反应情况。其它重要因素还包括配置手写笔距离手多近时就不再检测到手写笔信号。图1给出了手写笔用例下的状态机进程实例。

        
手写笔的悖论
无源手写笔检测对于触摸操控工程师而言是一个复杂的问题。问题的根源在于“手写笔悖论”。所谓“手写笔悖论”，是指无源手写笔的信号比正常手指触摸输入要小得多，而用户则认为手写笔的笔尖这么细，应该比手指更加精确。
精确度和线性度与系统的信噪比成正比。由于噪声底限不会随输入而改变，因此信号减弱会对信噪比造成较大影响。电容式触摸屏的信号电平基本取决于触摸输入的覆盖面积。这就是说，2毫米无源手写笔的信号强度比典型的10毫米手指触摸时的信号强度小25倍。这种信号强度的差距给触控工程师造成了许多问题。即使在有较大触摸信号的情况下，固件也必须能检测到较小的手写笔信号，这往往需要采用不同的传感器扫描模式，而抗噪性和刷新率都要受到影响。此外，无源手写笔最适合搭配较大的触摸板使用，但大型触摸板本来就刷新率低，或是要采用较大的间距传感器，这二者都会影响系统的性能指标。
从根本上说，应对信号强度差距需要解决两个问题。第一，尽管信号强度极低，也必须首先检测到手写笔。第二，一旦检测到手写笔，就必须进行准确报告。这两大问题各有难点。从概念上讲，最合理的手写笔检测方法是最大限度地提高传感器信号。一般通过最大限度地减少传感器到信号电平（非常接近预期信号电平）的动态范围，或者甚至通过采用软件乘法和滤波等方法，来解决有关问题。但是，高增益系统通过正常手指触摸等较大输入很容易达到饱和，所以必须认真处理正常触摸和较小的手写笔信号。一个常见的方法就是在每个预期的信号电平进行两次独立的扫描，从而从手写笔输入中区分出正常触摸。

这种模式切换容易受到错误检测的影响，因此必须过滤掉错误检测的情况。手指靠近或离开触摸屏就是一个典型的例子。当手指靠近时，其信号电平很低（在无源手写笔区），而离开时信号电平同样也很低，所以必须采用其它判断器来确认任何已检测到的手写笔输入。


死区的管理
检测到手写笔后，必须准确进行报告。与典型的手指触摸不同，无源手写笔的尖笔头使用户能够精确地看到其放置到LCD的确切位置。因此，尽管信噪比显著降低，但用户对手写笔操控的精确度却有着更高的预期。此外，线性度也是一个关键因素，因为手写笔通常用于书写。
无源手写笔与精确度和线性度相关的关键问题就是“死区”。“死区”是指触摸屏上即使在输入刺激转移到新位置时报告信号电平也不发生改变的区域。例如，2毫米的无源手写笔笔尖在触摸屏上可由典型的5毫米传感器完全包围。

手写笔在传感器中心位置的微小移动很难被检测到，但对于传感器而言，输入通常被量化到元件的中心，因此，当手写笔的移动限于传感器范围内时，会被报告为处于固定位置，这就是所谓的死区。
解决此问题的一般性方法就是分析所有周围的传感器，并用其创建查找表索引，以此来校正报告位置，从而更好地掌握笔尖所在的实际位置。因此，无源手写笔的精确度和线性度问题归根结底就是要通过极具创意的方法来生成上述位置索引，或者设计出更先进的查找表，因为死区通常是一个无法克服的物理问题，因此必须找出适当的校正办法。

        
触摸误动作排除的必要性
早期无源手写笔的实现方案一次仅支持一个单一的输入类型，正常的手指触摸享有更高的优先级。如果屏幕上出现包括手写时手握手机或平板电脑的边缘、或手掌搁在屏幕上等正常的手指触摸，那么手写笔系统将无法正常工作。然而，这两种情况在大屏幕上使用手写笔时及其常见。为了便于使用，当手写笔在屏幕上工作时，必须排除这类误触误动作，从而提高用户的满意度。
触摸屏幕对手写笔性能造成影响的原因同样取决于信号差距。触摸屏幕会导致其信号扩散到多个传感器，而外围传感器通常在信号电平的手写笔区域。正常触摸的信号电平要远远高于手写笔的信号电平。这就好像在黑暗的房间里有两只手电筒，一只很亮，一只很暗。手电筒光越强，就越难以看到较暗的手电筒。此外，正常触摸也会产生共模噪声。所以，如果噪声较大的触摸和手写笔共享相同的传感器接收器，那么手写笔的输入将很难检测到。
这些共模噪声问题是另外一大领域的问题。通常情况下，我们可通过仅扫描所关心的特定传感器以隔离无源手写笔的所需信号来解决这个问题。这时我们假设最初能检测到手写笔，并跟踪手写笔在屏幕上的移动，因而使手写笔的第一次触摸最为薄弱。然而，一旦传感器子集跟踪到手写笔，大多数令人烦扰的触摸问题就都能迎刃而解。
虽然上述大多数问题似乎很难解决，但目前触摸控制器的发展使我们拥有的产品不但具备足以检测小型尖头无源手写笔的敏感度、而且还具备过滤屏幕上噪声和其它干扰对象的智能功能。从用户角度上讲，智能触摸控制器能处理检测和跟踪触摸对象的众多输入相关问题。从系统层面上讲，成功的关键在于开发出相关应用，让用户能够更好地在自己的设备上使用、创建和控制程序，从而提高工作效率，带来更加自然的操控体验。