Магия прикосновений

Мой Компьютер, №21 (525), 13.10.2008

Психологи всего мира в один голос твердят о том, что прикосновение собеседников друг к другу во время общения способствует максимально быстрому появлению взаимопонимания. Прикосновения влюбленных таят в себе огромнейшую энергетику — как говорится, Power of love. В фильмах жанра фэнтези великие маги и мастера нередко передают ученикам свои силы посредством прикосновения к магическим точкам на теле (так называемый «волшебный пендель». — Прим. ред.). Кстати, если бы какому-нибудь Мерлину показали современный электронный гаджет, он бы точно обозвал его магической штуковиной. Но раз уж электронная магия заполонила нашу жизнь, стоит основательно разобраться, как она воспринимает наше «рукопожатие» и «пальцемтыканье». Впрочем, для простых юзеров всё начиналось довольно просто.

Первое знакомство

Впервые я познакомился с информационным терминалом, который общался с клиентами при помощи сенсорного экрана, году эдак в 2001-м, на харьковском вокзале. Внимание к себе привлек вовсе не экран терминала, а два сельских парня, Николай и Степан, которые импульсивно размахивали руками и бурно обсуждали свою «находку». В стороны так и разлетались восклицания типа: «Мыкола, цэ як в Матрыци!» или что-то вроде «Степа, клянусь тебе, это просто (вырезано цензурой)».

Не буду врать, я тоже очень сильно удивился сенсорному экрану (ведь КПК в то время были только у людей с достатком сильно выше среднего), но мои эмоции оставались при мне, и я старался работать с ним, как будто это обычное дело. В первый же миг меня стал терзать вопрос, как же все-таки устроен этот самый сенсорный экран. Уверен, этим вопросом задавался каждый из вас, особенно в свете того, что компания Apple уже не первый год потрясает почтеннейшую публику своими «айфонами», в которых привычная клавиатура упразднена и заменена сенсорным интерфейсом (рис. 1).

Рис. 1. iPhone не имеет клавитуры в принципе — только парочку вспомогательных кнопок по бокам. Интерфейс полностью сенсорный

Тачпады ноутбуков построены с применением емкостных сенсоров, так что практически любой IT-шник знаком с сенсорными HID`ами (HID — Human Interface Device, устройство для связи человека и машины (в вольном переводе), т.е. все клавиатуры, мыши, джойстики, планшеты и прочее. — Прим. ред.). В довесок к сказанному добавлю, что в любом крупном городе есть терминалы пополнения счета, которые взаимодействуют с пользователем при помощи все того же сенсорного дисплея (рис. 2). Так давайте же разбираться что к чему.

Рис. 2. Удобные терминалы для оплаты различных счетов тоже оборудованы тачскринами

Для порядка определим само понятие «сенсор». Сенсор (sensor) — термин из области систем управления, это первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.

При более пристальном внимании к сенсорной технологии становится понятно, что основных групп всего четыре. Это примерно как с носителями информации: есть магнитные, есть оптические, а есть и на базе флэш-памяти, но, конечно же, каждая технология насчитывает великое подмножество разновидностей. Поэтому рассмотрим резистивные матрицы, емкостные, акустические и инфракрасные (оптические).

Сколько в тебе проводов?

Рис. 3. Elograph номинально не являлся тачскрином, однако без него этих устройств и не было бы	Рис. 4. НР-150 — первый коммерческий компьютер с тачскрином	Рис. 5. На таких сайтах можно разжиться драйвером для тачскрина под настольную операционку

В настоящее время именно этот тип тачскринов (от англ. touch — прикосновение, и screen — экран) применяется в таких устройствах, как карманные компьютеры, планшетные ПК (таблетки, Tablet PC) и в различного рода смартфонах. Не стоит считать, что сенсорный экран — это самостоятельное устройство, которое является прямой родней клавиатуре или мышке. Сенсорный экран всего лишь снимает показания с поверхности и отправляет их в процессор устройства, а тот, под управлением операционной системы, выполняет нужные действия.

Рис. 6. Устройство резистивного тачскрина — просто, дешево и надежно

Операционные системы для смартфонов (особенно WM) на ранних этапах своего развития нередко были лишены возможности работы с сенсорными дисплеями, эта возможность изначально была отличительной чертой КПК и коммуникаторов. Сегодня практически все ОС для мобильных компьютеров оснащены поддержкой сенсорных экранов. О настольных версиях ОС семейства Windows и Linux говорить не приходится — чтобы сенсорный экран заработал на полноценной ОС, нужно просто скачать и установить драйвер. Для этого существуют целые сайты, например, http://www.dialtouch.ru  (рис. 5). Но вернемся к нашим экранам.

Резистивные экраны построены на манер слоеного бутерброда, части которого состоят из пластика или из стекла (рис. 6). Слои сами по себе токопроводящие, а между ними находится специальная изолирующая прокладка, которая предотвращает замыкание, еще ее называют спейсером. В момент нажатия на экран стилусом или пальцем спейсер перестает выполнять изоляционную роль, и слои контактируют между собой, при этом в контроллер посылается сигнал точки координат, который в свою очередь преобразуется, например, в одинарный клик. Резистивные экраны бывают двух типов, четырехпроводные и пятипроводные (рис. 7). Четырехпроводные могут иметь диагональ до 20 дюймов и разрешение 1024×1024. Время реакции таких экранов не превышает 10 мс, нагрузка для срабатывания (замыкание контактов через спейсер) находится на уровне 50-120 г/см2. Естественно, применение слоеного бутерброда в виде накладки не проходит бесследно, это самым непосредственным образом сказывается на прозрачности дисплея, и она у резистивных экранов находится на уровне 80%. Кроме сниженной прозрачности, к недостаткам резистивных экранов можно отнести и параллакс. Параллакс — это смещение видимого объекта по отношению к цели со стороны наблюдателя, проще говоря, сдвиг, преломление лучей и, как следствие, потеря четкости изображения. Когда вы нажимаете на сенсорный экран стилусом, из-за параллакса можно неточно попасть в объект; но радует, что в современных экранах этот эффект сведен к минимуму.

Рис. 7. Эта штука располагается поверх обычного экрана любой конструкции, превращая его в тачскрин

Пятипроводной резистивный экран отличается от четырехпроводного большей надежностью и более высоким разрешением. Да-да, у сенсорных экранов имеется ресурс нажатия в одну точку, и если четырехпроводные модели допускают лишь три миллиона нажатий, то пятипроводные — тридцать миллионов! Да и разрешение пятипроводных составляет 4096×4096 точек, что в четыре раза превосходит «четверку». Но не все так радужно, как кажется. Есть у пятипроводных сенсорных дисплеев и недостатки, самый главный из которых — это пониженное светопропускание, поэтому мониторы, оснащенные «пятерками», используются только в промышленности, не в пример «четверкам», которые применяются в модных гаджетах. Более того, четырехпроводные сенсорные дисплеи гораздо дешевле пятипроводных, так что тут приходится находить компромисс.

Итак, резистивные экраны достаточно надежны и устойчивы к внешним загрязнениям, реагируют на нажатие твердым предметом или пальцем руки (даже в перчатке) поскольку носят механический характер срабатывания. Но подобные экраны боятся низких температур, также экран очень легко повреждается острым предметом, поэтому, для КПК и коммуникаторов применяется специальная защитная пленка.

Емкость (не путать с поллитрой)

Емкостные сенсорные дисплеи работают на чуть более сложном для понимания простого человека принципе (рис. 8). По углам экрана располагаются специальные электроды, сама стеклянная панель покрывается токопроводящим слоем, на который подается переменный ток. В самых первых емкостных тачскринах использовался не переменный ток, а постоянный, но из-за плохого заземления человека такие устройства ввода могли, откровенно говоря, глючить.

Рис. 8. В емкостных тачскринах палец используется в роли полноценного элемента электрической цепи

При прикосновении к экрану происходит утечка тока, но только с тем условием, что к экрану прикасаются токопроводящим предметом. Чем ближе к угловому электроду находится токопроводящий тактильный предмет, тем меньше сопротивление экрана и, соответственно, больше сила тока. Сила тока регистрируется во всех местах, где расположены излучающие электроды, и изменение силы тока передается в контроллер в виде координат точки соприкосновения.

Емкостные экраны отличаются повышенной надежностью (около миллиарда нажатий) и довольно высокой степенью прозрачности (порядка 90%). Но, к сожалению, и тут не обошлось без неприятных ограничений. Емкостные сенсорные дисплеи не реагируют на прикосновение руки в перчатке, поскольку, как мы помним из фильма «Мимино», резиновые (и кожаные) перчатки, в которых играют на электрических пианино, ток не проводят. Емкостные сенсоры также нередко применяются в клавиатурах, где мембраны и механика упраздняются, а на их место приходит емкостный сенсор, который более устойчив к влаге и пыли. Но чаще всего емкостные экраны можно встретить в терминалах, которые находятся в людных местах, хотя емкостный экран все еще неустойчив к членовредительским действиям вандалов. А таких личностей, к сожалению, в наших краях пока хватает.

В качестве расширения и усовершенствования емкостных экранов были изобретены проекционно-емкостные сенсорные экраны, которые могут похвастаться более широкими диапазонами температурных параметров, большей долговечностью, а также тем, что в них может применяться стекло до 20 миллиметров в толщину, уж это настоящая броня. Конечно, толстое стекло увеличивает эффект параллакса, но чего не сделаешь на благо человечества. Впрочем, среди самых главных отличий проекционно-емкостных экранов можно выделить то, что с ними теперь можно работать в перчатках, а это делает технологию весьма привлекательной для использования в условиях вечной мерзлоты и крайнего севера :-).

Волны над стеклом

Рис. 9. Ультразвук можно применять не только для определения пола будущего ребёнка

Следующая технология сенсорных дисплеев должна повергнуть вас в шок, потому что в ее основе лежит использование ультразвуковых волн (рис. 9). Подобные экраны построены с применением маленьких пьезоэлектрических излучателей, которые устанавливаются в различных частях экрана, их может быть и три, и четыре. Когда на поверхности экрана создается идеальная ультразвуковая поверхность, система это видит, но стоит вам прикоснуться к какой-либо точке экрана, идиллия будет нарушена, и в контроллер будут возвращены точные координаты нарушителя звукового пространства.

Рис. 10. Ультразвуковые тачскрины могут иметь довольно внушительные размеры

По изменению колебания можно вычислить и силу нажатия на экран, а это уже добавляет к осям X,Y еще и ось Z, по которой можно, например, регулировать ступени нажатия на кнопку в интерфейсе программы. Их, естественно, не так много, как у стилуса графического планшета, но для некоторых видов работы и этого хватает с головой (как правило, для демонстрации интерактивных презентаций. — Прим. ред.).

Рис. 11. Для уличных терминалов легче не значит лучше. В идеале экран должен выдерживать удар бейсбольной битой

Давайте рассмотрим подобный сенсорный экран на примере технологии KeeTouch (рис. 10). Этот ПАВ-дисплей изготовлен из высококачественного очищенного от примесей стекла. Смекаете, что это обещает? Правильно, это обещает совершенную прозрачность, ведь экрану теперь не нужны слои с токопроводящим материалом. Разрешение экрана составляет 4096×4096 точек, экран не подвержен износу, поскольку расчётное количество нажатий на одну точку составляет 50 миллионов раз (по идее, нажимать можно вообще до тех пор, пока стекло не протрётся… пальцем. — Прим. ред.).

Кроме этого, заявлено очень низкое минимальное время отклика, очень высокая плотность сенсорных точек (порядка 10 000 на дюйм), автонастройка, легкое подключение и защита от электромагнитных помех. Мне кажется, что на данный момент это самая совершенная технология сенсорных экранов. Жаль только, что толщина экрана не указана, хотя мне точно известно, что толщина ПАВ-экранов может достигать внушительных размеров. Как вам, например, сантиметровое стекло уличного терминала? (рис. 11).

(Окончание следует)

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Ошибочно считать, что первые сенсорные экраны появились в 21-м веке, их история гораздо старше. Впервые елозить пальцами по монитору ученые начали в далеком 1970 году, когда бородатый дядька с семью пядями во лбу признался коллегам, что ему неудобно считывать данные с лент самописцев. Этим безусловно умным дяденькой был преподаватель университета штата Кентукки Сэмуэль Херст. По его инициативе была создана компания, получившая название Elotouch (www.elotouch.com), именно она впервые выпустила устройство ввода Elograph, которое хоть и не было сенсорным дисплеем, но определяло координаты на резистивном принципе (рис. 3). Впоследствии эта разработка породила целое движение, которое привело нас к тому, что ЖК- и CRT-мониторы стали интерактивными. К слову сказать, на техническом английском языке такие мониторы называются LCD Touchmonitor и CRT Touchmonitor. Первым компьютером с сенсорным монитором можно считать HP-150, дитя компании Hewlett Packard (рис. 4). Этот компьютер был выпущен в 1983 году, в его основе лежал ЭЛТ-монитор, в котором применялась инфракрасная сетка, образующая сенсорный интерфейс, но о самой технологии чуть ниже, просто хотелось отметить сам факт. По другим сведениям, первым компьютером с сенсорным инфракрасным монитором стал американский компьютер Plato 4, но это неподтвержденные данные.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ

Компания Philips, которая считается достаточно сильным игроком на рынке ЖК-панелей, предлагает технологию Philips Research. Принцип действия такого сенсорного экрана довольно прост, при нажатии на поверхность экрана происходит местная деформация верхней стеклянной пластины между задающими зазор спейсерами. В каждом пикселе образуется подвижный микроконтакт, который при деформировании замыкает контакт между противоэлектродом и электродом пикселя. Другими словами, в сенсорном мониторе Philips Research в дополнение к стандартным субпикселям (RGB) вводится еще некоторое количество субпикселей, которые выполняют роль датчиков изменения напряжения на участке соприкосновения.

Таким образом, каждый пиксель дисплея состоит из четырех — а может, и из пяти субпикселей, поскольку помимо привычных RGB субпикселей имеет ещё и механические ключи-замыкатели, которые и выполняют роль сенсоров.

Компания Planar пошла дальше и встроила в ЖК-панель массив из фотодатчиков, которые, будучи интегрированными в каждый пиксель, регистрируют прикосновение к поверхности любого предмета, даже очень тонкого. Принцип работы фотосенсорного экрана состоит из двух фаз. На первой фазе опрашивается весь массив фотосенсоров и составляется профиль изображения. На второй фазе происходит оцифровка изображения и производится вычитание фонового изображения, а также выделение контура тени указателя. В пиксель просто добавляется фототранзистор на основе аморфного кремния (a-Si), который способен улавливать силу светового потока и тем самым изменять уровень тока.

Максим ДЕРКАЧ aka Astra