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觸摸屏

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觸摸屏(Touch Panel)又稱為“觸控屏”、“觸控面板”,是一種可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置,當接觸了屏幕上的圖形按鈕時,屏幕上的觸覺反饋系統可根據預先編程的程式驅動各種連結裝置,可用以取代機械式的按鈕面板,並藉由液晶顯示畫面製造出生動的影音效果。 [1] 
從1974開始出現世界上最早的電阻式觸摸屏以來,隨着科技的發展和應用需 求的增長,各種觸摸技術相繼誕生以適應各種行業和層次的應用。如今,已經形成了商業化的觸摸屏技術包括:電阻技術觸摸屏、電容技術觸摸屏、紅外線技術觸 摸屏、表面聲波(SAW)技術觸摸屏等,並已廣泛應用到了手機、平板電腦、零售業、公共信息查詢、多媒體信息系統、醫療儀器、工業自動控制、娛樂與餐 飲業、自動售票系統、 教育系統等許多領域。 [8] 
中文名
觸摸屏
外文名
Touch Panel
本    質
傳感器
所屬領域
顯示器件
組    成
觸摸檢測部件、觸摸屏控制器
用    途
手機、平板電腦、零售業、公共信息查詢、多媒體信息系統、醫療儀器、工業自動控制、娛樂與餐 飲業、自動售票系統、 教育系統等

觸摸屏發展

觸摸屏 觸摸屏
隨着計算機技術的發展,計算機的輸入方式由原來的紙帶輸入到鍵盤輸入、到鼠標輸入、再到觸摸輸入,共經歷了四個階段。這個過程是一個從專業到普及的過程,觸摸屏技術讓更多的人使用上了計算機。觸摸屏是一種交互輸入設備,用户只需用手指或光筆觸摸屏的某位置即可控制計算機的運行。因此,觸摸屏技術具有操作簡單,使用靈活的特點。 [2] 
自1960年美國最早開啓了研究觸摸屏技術的大門,最先應用於美國的軍事。1972年美國 PLATO(Programmed Logic for Automated Teaching Operations)項 目首先推出一款觸摸屏,用於計算機輔助教學,隨着觸摸屏的技術 越來越進步,其應用也越來越廣泛,銀行、車站、學校處處可見其身影,中國已經成為觸摸屏最為廣泛的使用者。 [9]  隨着電子技術、網絡技術的發展和互聯網應用的普及,新一代觸摸屏技術和產品相繼出現,其堅固耐用、反應速度快、節省空間、易於交流等許多優點得到大眾的認同。 [3] 
漸漸地,這種最為輕鬆的人機交互技術已經被推向眾多領域,除了應用於個人便攜式信息產品之外,還廣泛應用於家電、公共信息(如電子政務、銀行、醫院、電力等部門的業務查詢等)、電子遊戲、通訊設備、辦公室自動化設備、信息收集設備及工業設備等等。觸摸屏技術在我國的應用雖然只有十多年的時間,但是它已經成了繼鍵盤、鼠標、手寫板、語音輸入後最為普通百姓所易接受的計算機輸入方式。利用這種技術,用户只要用手指輕輕地觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現對主機操作,從而使人機交互更為直截了當。這種技術極大方便了用户,成為極富吸引力的全新多媒體交互設備 [3] 

觸摸屏基本原理

觸摸屏技術是繼鍵盤、鼠標、手寫板、語音輸入後最為普通百姓所易接受的計算機輸入方式。利用這種技術,用户只要用手指輕輕地觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現對主機操作,從而使人機交互更為直截了當。這種技術極大方便了用户,是極富吸引力的全新多媒體交互設備。 [3] 
觸摸屏的本質是傳感器,它由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面,用於檢測用户觸摸位置,接受後送觸摸屏控制器;觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置接收觸摸信息,並將它轉換成觸點座標送給CPU,同時能接收CPU發來的命令並加以執行。 [3] 
觸摸屏系統一般包括兩個部分:觸摸檢測裝置和觸摸屏 控制器。觸摸檢測裝置安裝在顯示器屏幕前面,用於檢測用户觸摸位置,再將該處的信息傳送給觸摸屏控制器;觸摸屏控制 器的主要作用是接收來自觸摸點檢測裝置的觸摸信息,並將它轉換成觸點座標,判斷出觸摸的意義後送給 PLC,它同時能 接收 PLC發來的命令並加以執行,例如動態地顯示開關量模擬量 [10] 

觸摸屏分類

根據傳感器的類型,觸摸屏大致被分為紅外線式、電阻式、表面聲波式和電容式觸摸屏四種。 [3]  紅外線技術觸摸屏價格低廉,但其外框易碎,容易產生光干擾,曲面情況下失真;電容技術觸摸屏設計構思合理,但其圖像失真問題很難得到根本解決;電阻技術觸摸屏的定位準確,但其價格頗高,且怕刮易損;表面聲波觸摸屏解決了以往觸摸屏的各種缺陷,清晰不容易被損壞,適於各種場合,缺點是屏幕表面如果有水滴和塵土會使觸摸屏變得遲鈍,甚至不工作。 [4] 
紅外線式觸摸屏
紅外線式觸摸屏在顯示器的前面安裝一個電路板外框,電路板在屏幕四邊排布紅外發射管紅外接收管一一對應形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用户在觸摸屏幕時,手指就會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線,因而可以判斷出觸摸點在屏幕的位置。任何觸摸物體都可改變觸點上的紅外線而實現觸摸屏操作。 [3] 
紅外線式觸摸屏特點
紅外式觸摸屏不受電流、電壓和靜電干擾,適合某些惡劣的環境條件。其主要優點是價格低廉,安裝方便,不要卡或任何其他控制器,可以用在各種檔次上的計算機。此外,由於沒有電容充放電過程,響應速度比電容式快,但分辨率較低。 [3] 
電阻屏最外層一般使用的是軟屏,通過按壓使內觸點上下相連。內層裝有物理材料氧化金屬,即N型氧化物半導體——氧化銦錫(IndiumTinOxides,ITO),也叫氧化銦透光率為80%,上下各一層,中間隔開。ITO是電阻觸摸屏及電容觸摸屏都用到的主要材料,它們的工作面就是ITO塗層,用指尖或任何物體按壓外層,使表面膜內凹變形,讓內兩層ITO相碰導電從而定位到按壓點的座標來實現操控。根據屏的引出線數,又分有4線、5線及多線。一般是不能多點觸控,即只能支持單點,若同時按壓兩個或兩個以上的觸點,是不能被識別和找到精確座標的。在電阻屏上要將一幅圖片放大,就只能多次點擊“+”,使圖片逐步進階式放大,這就是電阻屏的基本技術原理。 [5] 
電阻式觸摸屏特點
電阻式觸摸屏不怕塵埃、水及污垢影響,能在惡劣環境下工作。但並且由於經常被觸動,表層 ITO使用一段時間後會出現細小的裂紋,甚至變形,因此其壽命並不長久。 [10]  門檻低,成本相對價廉,優點是不受灰塵、温度、濕度的影響。缺點也很明顯,外層屏膜很容易刮花,不能使用尖鋭的物體點觸屏面。電阻式觸摸屏利用壓力感應進行控制,它的表層是一層塑膠,底層是一層玻璃,能承受惡劣環境因素的干擾,但手感和透光性較差,適合佩帶手套和不能用手直接觸摸的場合。 [2] 
表面聲波是超聲波的一種,它是在介質(例如玻璃)表面 進行淺層傳播的機械能量波。表面聲波性能穩定、易於分析, 並且在橫波傳遞過程中具有非常尖鋭的頻率特性。表面聲波觸摸屏的觸摸屏部分可以是一塊平面、球面或柱面的玻璃平 板, 安裝在 CRT、LED、LCD或是等離子顯示器屏幕的前面。這塊玻璃平板只是一塊純粹的強化玻璃,沒有任何貼膜和覆蓋層。 玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直水平方向的超聲波 發射換能器, 右上角則固定了兩個相應的超聲波接收換能器, 玻璃屏的四邊刻有由疏到密間隔非常精密的 45 度角反射條紋。在沒有觸摸的時候,接收信號的波形與參照波形完全一樣。當手指觸摸屏幕時,手指吸收了一部分聲波能量,控制器 偵測到接收信號在某一時刻的衰減,由此可以計算出觸摸點 的位置。除了一般觸摸屏都能響應的 x、y 座標外,表面聲波觸摸屏的突出特點是它能感知第三軸(z 軸)座標, 也就是能感知用户觸摸壓力的大小值,其原理是由接收信號衰減處的衰減 量計算得到。三軸一旦確定,控制器就把它們傳給主機。 [10] 
表面聲波式觸摸屏特點
表面聲波觸摸屏不受温度、濕度等環境因素影響,分辨率高,具有防刮性,壽命長( 維護良好情況下達 5000 萬次) ,透光率和清晰度高,沒有色彩失真和漂移, 安裝後無需再進行校準,有極好的防刮性,能承受各種粗暴的觸摸,最適合公共場所使用。 [10]  但塵埃、水及污垢會嚴重影響其性能,需要經常維護,保持屏面的光潔。 [2] 
電容式觸摸屏
這種觸摸屏是利用人體的電流感應進行工作的,在玻璃表面貼上一層透明的特殊金屬導電物質,當有導電物體觸碰時,就會改變觸點的電容,從而可以探測出觸摸的位置。但用戴手套的手或手持不導電的物體觸摸時沒有反應,這是因為增加了更為絕緣的介質。 [2] 
電容觸摸屏能很好地感應輕微及快速觸摸、防刮擦、不怕塵埃、水及污垢影響,適合惡劣環境下使用。 [3]  電容屏主要的缺點是漂移: 當環境温度、濕度改變, 環境電場發生改變時, 會引起電容式觸摸屏的漂移, 造成不準確 [10] 

觸摸屏技術特性

從技術原理角度來講,觸摸屏是一套透明的絕對座標定位系統,首先它必須保證是透明的,因此它必須通過材料科技來解決透明問題,像數字化儀寫字板、電梯開關,它們都不是觸摸屏;其次它是絕對座標,手指摸哪就是哪,不需要第二個動作,不像鼠標,是相對定位的一套系統,我們可以注意到,觸摸屏軟件都不需要光標,有光標反倒影響用户的注意力,因為光標是給相對定位的設備用的,相對定位的設備要移動到一個地方首先要知道身在何處,往哪個方向去,每時每刻還需要不停的給用户反饋當前的位置才不至於出現偏差。這些對採取絕對座標定位的觸摸屏來説都不需要;再其次就是能檢測手指的觸摸動作並且判斷手指位置。 [6] 
透明特性
透明,它直接影響到觸摸屏的視覺效果。透明有透明的程度問題,紅外線技術觸摸屏和表面聲波觸摸屏只隔了一層純玻璃,透明可算佼佼者,其它觸摸屏這點就要好好推敲一番,“透明”,在觸摸屏行業裏,只是個非常泛泛的概念,很多觸摸屏是多層的複合薄膜,僅用透明一點來概括它的視覺效果是不夠的,它應該至少包括四個特性:透明度、色彩失真度、反光性和清晰度,還能再分,比如反光程度包括鏡面反光程度和衍射反光程度,只不過觸摸屏表面衍射反光還沒到達CD 盤的程度,對用户而言,這四個度量已經基本夠了。 [6] 
由於透光性與波長曲線圖的存在,通過觸摸屏看到的圖象不可避免的與原圖象產生了色彩失真,靜態的圖象感覺還只是色彩的失真,動態的多媒體圖象感覺就不是很舒服了,色彩失真度也就是圖的最大色彩失真度自然是越小越好。平常所説的透明度也只能是圖的平均透明度,當然是越高越好。 [6] 
反光特性
反光性,主要是指由於鏡面反射造成圖像重疊身後的光影,如人影、窗户、燈光等。反光是觸摸屏帶來的負面效果,越小越好,它影響用户的瀏覽速度,嚴重時甚至無法辨認圖像字符,反光性強的觸摸屏使用環境受到限制,現場的燈光佈置也被迫需要調整。大多數存在反光問題的觸摸屏都提供另外一種經過表面處理的型號:磨砂面觸摸屏,也叫防眩型,價格略高一些,防眩型反光性明顯下降,適用於採光非常充足的大廳或展覽場所,不過,防眩型的透光性和清晰度也隨之有較大幅度的下降。清晰度,有些觸摸屏加裝之後,字跡模糊,圖像細節模糊,整個屏幕顯得模模糊糊,看不太清楚,這就是清晰度太差。清晰度的問題主要是多層薄膜結構的觸摸屏,由於薄膜層之間光反覆與反射折射而造成的,此外防眩型觸摸屏由於表面磨砂也造成清晰度下降。清晰度不好,眼睛容易疲勞,對眼睛也有一定傷害,選購觸摸屏時要注意判別。 [6] 
絕對座標
觸摸屏是絕對座標系統,要選哪就直接點那,與鼠標這類相對定位系統的本質區別是一次到位的直觀性。絕對座標系的特點是每一次定位座標與上一次定位座標沒有關係,觸摸屏在物理上是一套獨立的座標定位系統,每次觸摸的數據通過校準數據轉為屏幕上的座標,這樣,就要求觸摸屏這套座標不管在什麼情況下,同一點的輸出數據是穩定的,如果不穩定,那麼這觸摸屏就不能保證絕對座標定位,點不準,這就是觸摸屏最怕的問題:漂移。技術原理上凡是不能保證同一點觸摸每一次採樣數據相同的觸摸屏,都有漂移這個問題,目前有漂移現象的只有電容觸摸屏。 [6] 
檢測定位
檢測觸摸並定位,各種觸摸屏技術都是依靠各自的傳感器來工作的,甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應速度、可靠性、穩定性和壽命。 [6] 

觸摸屏主要特點

觸摸屏具有方便直觀、圖像清晰、堅固耐用和節省空間等優點,使用者只要用手輕輕地碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現對主機的操作和查詢,擺脱了鍵盤和鼠標操作,從而大大提高了計算機的可操作性和安全性,使人機交互更為直接。 [2] 
操作簡便
只需要手指輕觸電腦屏幕上的有關按鈕,便可以進入信息界面,有關信息可以包括文字、動畫、音樂、錄像、遊戲等。 [6] 
界面友好
顧客無需瞭解電腦的專業知識,便可以清楚明白電腦屏幕上的所有信息、提示、指令,其界面適合各層次、各年齡的廣大客户。 [6] 
信息豐富
信息存儲量幾乎不受限制,任何複雜的數據信息都可以納入多媒體系統,而且信息種類豐富,可以達到視聽皆備、多變的展示效果。 [6] 
響應迅速
系統採用尖端技術,對大容量數據查詢,響應速度很快。 [6] 
安全可靠
長時間連續運行,對系統無任何影響,系統穩定可靠,正常操作不會出錯、死機;維護容易,系統包括一個與演示系統界面完全相同的管理維護系統,可以方便地對數據內容進行增減、刪改等管理操作。 [6] 
擴充性好
具有良好的擴充性,可隨時增加系統內容和數據。 [6] 
動態聯網
系統可以根據用户需要,建立各種網絡連接 [6] 

觸摸屏主要應用

透明觸摸屏 透明觸摸屏
隨着多媒體信息查詢設備的與日俱增,人們越來越多地談到觸摸屏,因為觸摸屏不僅適用於中國多媒體信息查詢的國情,而且觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節省空間、易於交流等許多優點。利用這種技術,用户只要用手指輕輕地碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現對主機操作,從而使人機交互更為直截了當,這種技術大大方便了那些不懂電腦操作的用户。 [3] 
觸摸屏在我國的應用範圍非常廣闊,主要是公共信息的查詢;如電信局、税務局、銀行、電力等部門的業務查詢;城市街頭的信息查詢;此外應用於領導辦公、工業控制軍事指揮、電子遊戲、點歌點菜、多媒體教學房地產預售等。 [3] 
商店付款
現在商店的結算櫃枱使用了計算機交互終端設備。顧客通過操作觸摸屏即可能打印出標有貨物名稱、價格的付款單。在終端機上可以利用滿屏的視頻圖像進行產品促銷,顧客根據自己的需要可以對商品進行查詢。 [3] 
入場券查詢預訂
使用觸摸屏入場券查詢預訂系統,可在屏幕上顯示出預訂的座位及該位置觀看比賽的效果,當確定了座位之後,將信用卡放進系統中即可以完成預訂過程。 [3] 
視頻音樂點播機
視頻音樂點播機中儲存有多首帶畫面的歌曲、多首視頻音樂及卡拉OK歌曲,通過觸摸屏可以對這些內容進行選擇。有些視頻音樂點播機還有供選用遊戲軟件,只需觸摸屏幕即可玩這些生動有趣的遊戲。 [3] 
在金融交易中,速度與準確性是極為重要的兩個因素。觸摸屏的使用為用户提供了輕鬆與迅速處理瞬息變化的信息的手段,用户根據顯示內容做出判斷,並隨即點觸屏幕即可完成決策,因此,可以讓使用者集中精力交易。 [3] 
公用信息查詢服務
(1)房地產查詢和銷售美國ERA公司設計的聯機房地產信息網絡通過設在公共場所的觸摸屏信息台把各種房地產信息提供給用户,這就免除了購房者跑腿之苦,同時也為房地產主提供了在全國範圍內作廣告的機會。 [3] 
(2)郵電查詢與話費查詢郵電局和電話局也利用觸摸屏系統向公眾提供各類查詢,包括郵政業務查詢、電信業務查詢、郵編和長途電話區號查詢、儲匯業務查詢等。例如,北京南區郵電局就採用了環星公司的觸摸屏查詢台為公眾服務。 [3] 
(3)售票與航運服務等。例如,北京站售票廳的觸摸屏售票台可讓用户選擇車次、車廂類別、購票張數、目的地。 [3] 

觸摸屏常見問題

觸摸屏大多放置於公共場所中使用,由於環境、人為操作等原因,在使用過程中往往會出現一些問題,具體如下。 [5] 
1、使用一段時間後觸摸無反應
(1)電容屏設備在長期使用過程中,屏上及內部控制電路由於靜電的積累,整台設備佈滿了靜電,如果接地性欠佳,會影響到屏的正常工作,導致觸摸屏有嚴重的偏差甚至失效。此時,關閉設備的電源,用導線將屏的內、外部接地放電,消除大量的靜電,再打開設備電源重新啓動即可。 [5] 
(2)聲波觸摸屏在工作中,由於表面灰塵積累過多,如果不經常擦拭,就會或多或少地阻擋一些聲波的接收和反射,也會造成屏的靈敏度下降,導致使用不正常。關機後,可以用乾淨的紙巾或名片輕輕地將屏表面和四周的灰塵撣去,再重新啓動機器,一般便可正常工作。 [5] 
2、與硬件相關的問題觸摸屏
一般用串口進行信號的傳輸,從PS2/端口取工作信號,如果指示燈不亮,説明沒有取到信號或控制盒上的PS2/線可能壞了。如果串口損壞或被禁用,將導致驅動程序無法安裝,可更換接口或引線。如果屏幕被擠壓有輕微變形,是因為觸摸區域被顯示器外殼或機櫃外殼壓住了,會導致無法定位,觸摸屏光標一直在顯示器4邊的某一點上,可以請專業人員教正顯示器外殼邊框或將機櫃和顯示器屏幕之間的距離調大一點來處理。 [5] 
3、其他相關的問題
觸摸屏光標只在一小區域內移動或觸摸屏點不準,要運行觸摸屏校準程序,在改變顯示器分辨率後發現觸摸屏有些區域根本不能點觸,則可能是觸摸屏壞了,請更換觸摸屏。 [5] 

觸摸屏日常維護

觸摸屏 觸摸屏
在使用觸摸屏時,由於技術上的侷限性和環境適應能力較差,尤其是表面聲波屏。屏幕上會由於水滴、灰塵等污染而無法正常使用,所以觸摸屏幕也同普通機器一樣需要定期保養維護。並且由於觸摸屏是多種電器設備高度集成的觸控一體機。所以在使用和維護時應養成良好的習慣,注意一些日常問題。 [7] 
(1)每天在開機之前,用乾布擦拭屏幕。 [7] 
(2)水滴或飲料落在屏幕上,會使軟件停止反應,這是由於水滴和手指具有相似的特性,需把水滴擦去。 [7] 
(3)觸摸屏控制器能自動判斷灰塵,但積塵太多會降低觸摸屏的敏感性,只需用乾布把屏幕擦拭乾淨。 [7] 
(4)應用玻璃清潔劑清洗觸摸屏上的髒指印和油污。 [7] 
(5)應選擇足夠應用程序使用的最簡單的防鼠標模式,因為複雜的模式需要犧牲延時和系統資源 [7] 
(6)純淨的觸摸屏程序是不需要鼠標光標的,光標只會使用户注意力不集中。 [7] 
(7)嚴格按規程開、關電源。 [7] 

觸摸屏未來發展趨勢

目前觸摸屏技術的發展呈以下幾個趨勢:
1. 屏幕的柔性將更好、清晰度將進一步提高
人們對於觸摸屏的要求越來越高,從低分辨率到高分辨率,從 透光性差到透光性良好。美國E-Ink公司在觸摸屏行業中一直處於 “領頭羊”位置,其研發的電子紙作為新型的觸摸屏材料,為許多研究機構所青睞。 電子紙技術包括三個方面,即膽固醇液晶顯示技術、電泳顯示技術和電潤濕顯示技術。電子紙所用的材料為電子墨水(E-ink),許多 微膠囊懸浮於電子墨水中,這些微膠囊的直徑大約在10-4米寬,在1平方英寸內,其數量可達10萬個。微膠囊的內部是由染料和顏料芯片的混合物構成,當它們通電時會發生相應變化。 由於電子紙柔性良好、耗電極低,許多公司也在致力於這方面的研發和生產,如柯達東芝摩托羅拉佳能愛普生、廣州奧示等等。 人們把電子紙技術應用於電子報紙電子書電子錶等等領域 [11]  ,使用户越來越體會到電子產品的便攜性和趣味性。
2. 屏幕材料的發展日新月異
電阻觸摸屏和電容觸摸屏中均會用到ITO材料,這種傳統材料 漸漸被金屬網格、納米銀絲碳納米管導電高分子石墨烯等材 料替代 [12]  ,其中金屬網格和納米銀絲的導電性都優於 ITO,因此為人們提供更多的選擇。
多點觸摸是觸摸屏的另一個發展方向。大家所熟悉的手機圖片放大與縮小,便可以利用兩點觸摸來實現。目前主要有以下幾種 多點觸摸技術,Jefferson Han於2006年提出受抑全內反射多點觸摸技術,這種技術利用光的全反射原理,將紅外光保存於亞克力板之 中,如果屏幕的表面發生變化,則紅外光也隨之變化,形成觸摸點;散射光照明多點觸摸 技術由微軟公司研發,將光線均勻分佈於玻璃屏幕表面,當手指觸摸屏幕使光線發生變化,由此得知觸摸點的位置;激光平面照明、 散射光平面照明、發光二極管平面多點觸摸技術是三種利用不同光 線來形成觸摸屏的表面,其原理與前兩種類似,不再贅述。
目前多點觸摸屏最多可達到500點同時被觸碰,這對於處理器的速度和精度提出了很高的要求,因此造價比較昂貴。多點觸摸應用非常廣泛,在學校、醫院、工廠中處處都有用武之地,隨着技術壁壘被打破,價格也將會越來越人性化。
參考資料
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