[導讀]某些搭載觸控螢幕的手機相當出色，可讓使用者忘記自己使用的不是鍵盤而是一片玻璃。本文將說明觸控產品設計上各種潛在的錯誤來源，其中包括假觸碰、錯失觸碰以及定位不準等，此外，也將闡述各種效能要求、標準測試以
某些搭載觸控螢幕的手機相當出色，可讓使用者忘記自己使用的不是鍵盤而是一片玻璃。本文將說明觸控產品設計上各種潛在的錯誤來源，其中包括假觸碰、錯失觸碰以及定位不準等，此外，也將闡述各種效能要求、標準測試以及常見的錯誤模式。
多點觸控螢幕市場持續(xù)快速成長，Windows 7與iPad引發(fā)各界對大螢幕的興趣，但市場的主力仍集中在手機市場，原因在于手機每年仍占極為可觀的出貨量。根據(jù)南韓市調機構Displaybank的報告，搭載觸控螢幕的手機，其市占率將從2010年的20%成長至2012年的30%，大多數(shù)的成長動力來自投射式電容(Projected Capacitive)觸控螢幕，這也是唯一能偵測多只手指(多點觸控)的常見觸控螢幕類型。
增進手勢感測精準判斷線性度測試為關鍵
當你的手指靠近或接觸到觸控螢幕時，投射式電容觸控螢幕會偵測出電容的變化。變化的幅度通常不到1pF，然而系統(tǒng)中的其他電容值卻遠大于此。適當?shù)貍蓽y這項訊號，然后轉換成手指的位置，是項相當困難的工作。有幾項量測方法如精準度、線性度、持續(xù)性、手指間隔、反應時間、更新率、手指電容、系統(tǒng)雜訊底線、訊噪比(SNR)等，能協(xié)助研判系統(tǒng)是否運作得宜。
精準度定義為“在預先定義的觸控螢幕區(qū)域內，最大的定位誤差，其值為手指實際位置與通報手指位置之間的直線距離”。舉例來說，若實際位置為(50,60)，而通報的位置為(51,62)，則該點的精準度就是SQRT((51-50)2+(62-60))像素。之后再把這個值轉換成公厘，以在不同面板上有相同的量測單位。
要正確的測量出精準度并非易事。這種測試通常是用正交座標機械臂(Cartesian Robot)來進行，這種機具外觀像是一部用模擬手指代替筆的X/Y軸平面繪圖機。手機必須置于已知的位置，之后手指必須移至面板上的某個精準定位位置。若裝置本身的邊緣平坦而且沒有凸出的按鈕，則可將裝置置于機械手臂工作區(qū)的邊緣，讓手機和機械手臂之間能精準對位。但若裝置本身有彎曲邊緣或凸出按鈕，則對位就可能不精確。從數(shù)學層面來說，移除對位誤差是可能的，但會引入不確定性：究竟誤差是來自置放位置不精準，或是真正的精準度問題(圖1)。
圖1 精準度與線性度
Moto Design在2010年被思科(Cisco)購并前曾發(fā)表一部影片，展示如何快速測試觸控螢幕的效能。其方法相當簡單：在螢幕上畫多條線，然后看線條是直線或波浪扭曲狀。畫對角線是因為電容式觸控感測器采用一組網(wǎng)狀排列的感測器，與X/Y軸向對位，因此畫對角線對系統(tǒng)產生的考驗壓力會高于垂直與水平線。這種測試法真正測試的是線性度。
線性度定義為“通報結果與所有通報結果回歸直線的差異”。但這個定義可能低估了使用者看到誤差的幅度。若通報的位置在某個方向上偏移0.25毫米(mm)，則該點在反方向偏移了0.25毫米，線性度與精準度的評分都得到這是一個0.25毫米的誤差。但當使用者看螢幕時，他們看到的是位置偏移了0.5毫米，因此或許另一個專有名詞更適合用來描述這種誤差。
其中一種方式是把持續(xù)性定義為線條的“跳躍性”。持續(xù)性是量測位置的短距變化，其定義為“通報位置變化與實際位置變化之間的最大差距，沿著第一個通報位置與第二個通報位置之間的直線量測”。舉例來說，若第一點實際位置為(50,0)，通報位置為(49,0)，第二點實際位置為(100,0)，通報位置為(101,0)，則持續(xù)性誤差為(101-49)-(100-50)=2畫素。此值再轉換成距離值，以使在不同面板上有相同的量測單位。
在電容式觸控螢幕的生命周期內，上述三種量測數(shù)值都會維持不變。這是投射式電容觸控螢幕另一個勝過電阻式觸控螢幕的優(yōu)點。電阻式觸控螢幕的許多屬性會隨時間和不同的環(huán)境條件而改變，正由于它們是一個單一大型感測器，因此任何誤差都會影響整個面板。
建構靈活觸控系統(tǒng)手指間隔/反應時間至關重要
在知道手指的位置后，還有另一項效能量測數(shù)值能用來改善使用者體驗。其中之一就是手指間隔。手指間隔不佳的元件，當兩只手指同時觸碰螢幕時，通常在鍵盤中間部分會出現(xiàn)通報錯誤的狀況。要測試手指間隔，方法相當直接，就是同時把兩只模擬的手指置于面板上，然后持續(xù)靠攏兩只手指，直到系統(tǒng)通報一只手指為止。若沒有良好的手指間隔機制，就不能建構真正的多點觸控解決方案。
手指間隔定義為“當兩只手指置于觸控螢幕上，且觸控螢幕控制器仍通報為兩只不同手指時，兩者中心點之間的最小距離”。一些觸控螢幕供應商標示的手指間隔為邊緣與邊緣的距離，有些則是中心點之間的距離。以10毫米機械手指測得10毫米的手指間隔，可能意謂手指相互接觸，或兩只手指相距10毫米，實際情況端看觸控控制器的規(guī)格標示方法而定。
反應時間定義為“在觸控螢幕上發(fā)生手指觸碰事件與觸控螢幕控制器產生岔斷訊號之間相隔的時間”。要測得這個時間，可用電子脈沖刺激觸控螢幕，藉此模擬手指或把模擬手指移到螢幕上。反應時間較長的系統(tǒng)，在撥打號碼或輸入時會有遲緩的現(xiàn)象。較長的反應時間，會讓系統(tǒng)錯失快速的輕擊觸碰，像是點擊(Tap)或雙點按手勢的其中一次觸碰。 觸控螢幕的反應時間，是偵測與定位手指時，所有掃描與處理時間的總和。觸控螢幕控制器內部的執(zhí)行步驟如下：
·X/Y軸掃描
觸控控制器掃描與量測感測器電容變化所需的時間。
·手指偵測
比較面板的電容變化以及預先定義的手指門檻。若變化超過手指的門檻，代表已偵測到手指。
·手指定位
解譯多個感測器結果，判斷手指的實際位置。
·手指追蹤
當超過一個手指置于感測器時，系統(tǒng)必須辨識出每個手指，并指派給一個獨一無二的識別代號。
觸控螢幕的反應時間還要加入其他多個元素，才能評估最終使用者實際的整體系統(tǒng)反應時間：
·岔斷延遲
主控端上岔斷指示與岔斷服務之間的延遲。在大多數(shù)系統(tǒng)中，延遲不到100微秒(μs)，但在某些系統(tǒng)中，則可能高達10毫秒(ms)。
·通訊
一般系統(tǒng)采用400KHz的I2C或1MHz的串列周邊介面(SPI)來和主控端進行通訊。
·觸碰處理
當觸碰資料已傳入系統(tǒng)時，系統(tǒng)必須做出反應。
·使用者回饋
[!--empirenews.page--]
系統(tǒng)可透過一些指示訊息，代表觸碰動作已被辨識。包括聲響、視覺輸出、或觸覺回饋。
更新率定義為“當手指出現(xiàn)在觸控螢幕上時，在資料緩沖區(qū)中，觸控螢幕資料的兩個連續(xù)畫格之間的時間”。在許多系統(tǒng)中，最大的反應時間是更新率的兩倍，因為觸控動作可能在該螢幕區(qū)域剛被掃描后就發(fā)生。
低更新率會讓曲線看似由許多線段組成，而不是平滑的曲線。低更新率的系統(tǒng)，會將單一畫動手勢以多個較小手勢表現(xiàn)，甚至以多個觸碰點表現(xiàn)。
若觸控面板擁有高更新率，則能提供更多的資料點，讓系統(tǒng)解讀出平順或完整的形狀或動作。如賽普拉斯(Cypress)TrueTouch產品等的智慧型觸控螢幕控制器，能調整其更新率，以配合系統(tǒng)的功耗與反應時間等要求。
盡管描繪或手寫應用，需要快速的更新率，但手機撥號鍵盤則僅須在按鈕被按下或釋放時及時向主控端發(fā)出岔斷即可。
量測功耗并不像表面想像的簡單，因為在不同模式下，運作功耗會隨之改變，因此必須量測每種模式下的功耗，并根據(jù)每種模式所占的時間比率，再算出加權后的平均功耗。電腦制造商與手機制造商已研究這個問題許多年，其可以在以螢幕低亮度閱讀PDF檔時量測筆電的電池續(xù)航力，也可在觀看動作片DVD光碟時量測電池續(xù)航力。更可以在靠近或遠離基地臺的地方量測手機的通話時間。
在設計一個電容式觸控螢幕系統(tǒng)時，系統(tǒng)設計人員必須注意其他幾項重要參數(shù)。如手指與感測器元件之間測得的電容。手指電容是用實際的手指而非金屬模擬手指所測得的電容，以確保測得符合實際的數(shù)據(jù)。影響CF的因素包括上覆鏡片的厚度，以及上覆鏡片材質的介電常數(shù)。而系統(tǒng)雜訊底線則為相較于轉換器的輸入值(電容)，在電容至數(shù)位轉換器的輸出端所測得的雜訊值。
此外，一個感測器測得的手指訊號，除以觀測到的量測雜訊。不同廠商量測雜訊的方法不同，因此必須了解他們采用的量測方法。在圖2中，峰對峰雜訊為10，但均方根(RMS)雜訊則約為3。這意謂著峰對峰的SNR雜訊會好上三倍，但實際上SNR并沒有改變，只是描述方式改變而已。
圖2 Peak to Peak與RMS雜訊的通報數(shù)據(jù)
而賽普拉斯TrueTouch系列元件的可編程解決方案，在濾除雜訊方面提供絕佳的機制?？删幊填惐仍稍O定用來長時間整合各個訊號，藉以濾除雜訊。包括展頻與偽隨機頻率等不同訊號頻率，都能用來避免電磁干擾。標準的數(shù)位濾波器可消除1～2位元的訊號抖動，或提供類似無限脈沖響應(IIR)的低通濾波器功能。智慧型數(shù)位濾波器可比較面板上相鄰采樣點的數(shù)據(jù)，然后剔除“不尋常”的樣本。智慧型濾波器唯一的限制，就是系統(tǒng)設計人員的創(chuàng)造力。
有許多因素會影響觸控螢幕的效能，開發(fā)一個成功的觸控螢幕產品，必須注意每一項因素。若產品的每個部分都符合這些規(guī)范，觸控螢幕就可擁有符合使用者期盼的直覺化操作介面。
(本文作者任職于賽普拉斯)
多點觸控螢幕市場持續(xù)快速成長，Windows 7與iPad引發(fā)各界對大螢幕的興趣，但市場的主力仍集中在手機市場，原因在于手機每年仍占極為可觀的出貨量。根據(jù)南韓市調機構Displaybank的報告，搭載觸控螢幕的手機，其市占率將從2010年的20%成長至2012年的30%，大多數(shù)的成長動力來自投射式電容(Projected Capacitive)觸控螢幕，這也是唯一能偵測多只手指(多點觸控)的常見觸控螢幕類型。
增進手勢感測精準判斷線性度測試為關鍵
當你的手指靠近或接觸到觸控螢幕時，投射式電容觸控螢幕會偵測出電容的變化。變化的幅度通常不到1pF，然而系統(tǒng)中的其他電容值卻遠大于此。適當?shù)貍蓽y這項訊號，然后轉換成手指的位置，是項相當困難的工作。有幾項量測方法如精準度、線性度、持續(xù)性、手指間隔、反應時間、更新率、手指電容、系統(tǒng)雜訊底線、訊噪比(SNR)等，能協(xié)助研判系統(tǒng)是否運作得宜。
精準度定義為“在預先定義的觸控螢幕區(qū)域內，最大的定位誤差，其值為手指實際位置與通報手指位置之間的直線距離”。舉例來說，若實際位置為(50,60)，而通報的位置為(51,62)，則該點的精準度就是SQRT((51-50)2+(62-60))像素。之后再把這個值轉換成公厘，以在不同面板上有相同的量測單位。
要正確的測量出精準度并非易事。這種測試通常是用正交座標機械臂(Cartesian Robot)來進行，這種機具外觀像是一部用模擬手指代替筆的X/Y軸平面繪圖機。手機必須置于已知的位置，之后手指必須移至面板上的某個精準定位位置。若裝置本身的邊緣平坦而且沒有凸出的按鈕，則可將裝置置于機械手臂工作區(qū)的邊緣，讓手機和機械手臂之間能精準對位。但若裝置本身有彎曲邊緣或凸出按鈕，則對位就可能不精確。從數(shù)學層面來說，移除對位誤差是可能的，但會引入不確定性：究竟誤差是來自置放位置不精準，或是真正的精準度問題(圖1)。
圖1 精準度與線性度
Moto Design在2010年被思科(Cisco)購并前曾發(fā)表一部影片，展示如何快速測試觸控螢幕的效能。其方法相當簡單：在螢幕上畫多條線，然后看線條是直線或波浪扭曲狀。畫對角線是因為電容式觸控感測器采用一組網(wǎng)狀排列的感測器，與X/Y軸向對位，因此畫對角線對系統(tǒng)產生的考驗壓力會高于垂直與水平線。這種測試法真正測試的是線性度。
線性度定義為“通報結果與所有通報結果回歸直線的差異”。但這個定義可能低估了使用者看到誤差的幅度。若通報的位置在某個方向上偏移0.25毫米(mm)，則該點在反方向偏移了0.25毫米，線性度與精準度的評分都得到這是一個0.25毫米的誤差。但當使用者看螢幕時，他們看到的是位置偏移了0.5毫米，因此或許另一個專有名詞更適合用來描述這種誤差。
其中一種方式是把持續(xù)性定義為線條的“跳躍性”。持續(xù)性是量測位置的短距變化，其定義為“通報位置變化與實際位置變化之間的最大差距，沿著第一個通報位置與第二個通報位置之間的直線量測”。舉例來說，若第一點實際位置為(50,0)，通報位置為(49,0)，第二點實際位置為(100,0)，通報位置為(101,0)，則持續(xù)性誤差為(101-49)-(100-50)=2畫素。此值再轉換成距離值，以使在不同面板上有相同的量測單位。
在電容式觸控螢幕的生命周期內，上述三種量測數(shù)值都會維持不變。這是投射式電容觸控螢幕另一個勝過電阻式觸控螢幕的優(yōu)點。電阻式觸控螢幕的許多屬性會隨時間和不同的環(huán)境條件而改變，正由于它們是一個單一大型感測器，因此任何誤差都會影響整個面板。
建構靈活觸控系統(tǒng)手指間隔/反應時間至關重要
在知道手指的位置后，還有另一項效能量測數(shù)值能用來改善使用者體驗。其中之一就是手指間隔。手指間隔不佳的元件，當兩只手指同時觸碰螢幕時，通常在鍵盤中間部分會出現(xiàn)通報錯誤的狀況。要測試手指間隔，方法相當直接，就是同時把兩只模擬的手指置于面板上，然后持續(xù)靠攏兩只手指，直到系統(tǒng)通報一只手指為止。若沒有良好的手指間隔機制，就不能建構真正的多點觸控解決方案。
手指間隔定義為“當兩只手指置于觸控螢幕上，且觸控螢幕控制器仍通報為兩只不同手指時，兩者中心點之間的最小距離”。一些觸控螢幕供應商標示的手指間隔為邊緣與邊緣的距離，有些則是中心點之間的距離。以10毫米機械手指測得10毫米的手指間隔，可能意謂手指相互接觸，或兩只手指相距10毫米，實際情況端看觸控控制器的規(guī)格標示方法而定。
反應時間定義為“在觸控螢幕上發(fā)生手指觸碰事件與觸控螢幕控制器產生岔斷訊號之間相隔的時間”。要測得這個時間，可用電子脈沖刺激觸控螢幕，藉此模擬手指或把模擬手指移到螢幕上。反應時間較長的系統(tǒng)，在撥打號碼或輸入時會有遲緩的現(xiàn)象。較長的反應時間，會讓系統(tǒng)錯失快速的輕擊觸碰，像是點擊(Tap)或雙點按手勢的其中一次觸碰。 觸控螢幕的反應時間，是偵測與定位手指時，所有掃描與處理時間的總和。觸控螢幕控制器內部的執(zhí)行步驟如下：
·X/Y軸掃描
觸控控制器掃描與量測感測器電容變化所需的時間。
·手指偵測
比較面板的電容變化以及預先定義的手指門檻。若變化超過手指的門檻，代表已偵測到手指。
·手指定位
解譯多個感測器結果，判斷手指的實際位置。
·手指追蹤
當超過一個手指置于感測器時，系統(tǒng)必須辨識出每個手指，并指派給一個獨一無二的識別代號。
觸控螢幕的反應時間還要加入其他多個元素，才能評估最終使用者實際的整體系統(tǒng)反應時間：
·岔斷延遲
主控端上岔斷指示與岔斷服務之間的延遲。在大多數(shù)系統(tǒng)中，延遲不到100微秒(μs)，但在某些系統(tǒng)中，則可能高達10毫秒(ms)。
·通訊
一般系統(tǒng)采用400KHz的I2C或1MHz的串列周邊介面(SPI)來和主控端進行通訊。
·觸碰處理
當觸碰資料已傳入系統(tǒng)時，系統(tǒng)必須做出反應。
·使用者回饋
[!--empirenews.page--]
系統(tǒng)可透過一些指示訊息，代表觸碰動作已被辨識。包括聲響、視覺輸出、或觸覺回饋。
更新率定義為“當手指出現(xiàn)在觸控螢幕上時，在資料緩沖區(qū)中，觸控螢幕資料的兩個連續(xù)畫格之間的時間”。在許多系統(tǒng)中，最大的反應時間是更新率的兩倍，因為觸控動作可能在該螢幕區(qū)域剛被掃描后就發(fā)生。
低更新率會讓曲線看似由許多線段組成，而不是平滑的曲線。低更新率的系統(tǒng)，會將單一畫動手勢以多個較小手勢表現(xiàn)，甚至以多個觸碰點表現(xiàn)。
若觸控面板擁有高更新率，則能提供更多的資料點，讓系統(tǒng)解讀出平順或完整的形狀或動作。如賽普拉斯(Cypress)TrueTouch產品等的智慧型觸控螢幕控制器，能調整其更新率，以配合系統(tǒng)的功耗與反應時間等要求。
盡管描繪或手寫應用，需要快速的更新率，但手機撥號鍵盤則僅須在按鈕被按下或釋放時及時向主控端發(fā)出岔斷即可。
量測功耗并不像表面想像的簡單，因為在不同模式下，運作功耗會隨之改變，因此必須量測每種模式下的功耗，并根據(jù)每種模式所占的時間比率，再算出加權后的平均功耗。電腦制造商與手機制造商已研究這個問題許多年，其可以在以螢幕低亮度閱讀PDF檔時量測筆電的電池續(xù)航力，也可在觀看動作片DVD光碟時量測電池續(xù)航力。更可以在靠近或遠離基地臺的地方量測手機的通話時間。
在設計一個電容式觸控螢幕系統(tǒng)時，系統(tǒng)設計人員必須注意其他幾項重要參數(shù)。如手指與感測器元件之間測得的電容。手指電容是用實際的手指而非金屬模擬手指所測得的電容，以確保測得符合實際的數(shù)據(jù)。影響CF的因素包括上覆鏡片的厚度，以及上覆鏡片材質的介電常數(shù)。而系統(tǒng)雜訊底線則為相較于轉換器的輸入值(電容)，在電容至數(shù)位轉換器的輸出端所測得的雜訊值。
此外，一個感測器測得的手指訊號，除以觀測到的量測雜訊。不同廠商量測雜訊的方法不同，因此必須了解他們采用的量測方法。在圖2中，峰對峰雜訊為10，但均方根(RMS)雜訊則約為3。這意謂著峰對峰的SNR雜訊會好上三倍，但實際上SNR并沒有改變，只是描述方式改變而已。
圖2 Peak to Peak與RMS雜訊的通報數(shù)據(jù)
而賽普拉斯TrueTouch系列元件的可編程解決方案，在濾除雜訊方面提供絕佳的機制?？删幊填惐仍稍O定用來長時間整合各個訊號，藉以濾除雜訊。包括展頻與偽隨機頻率等不同訊號頻率，都能用來避免電磁干擾。標準的數(shù)位濾波器可消除1～2位元的訊號抖動，或提供類似無限脈沖響應(IIR)的低通濾波器功能。智慧型數(shù)位濾波器可比較面板上相鄰采樣點的數(shù)據(jù)，然后剔除“不尋常”的樣本。智慧型濾波器唯一的限制，就是系統(tǒng)設計人員的創(chuàng)造力。
有許多因素會影響觸控螢幕的效能，開發(fā)一個成功的觸控螢幕產品，必須注意每一項因素。若產品的每個部分都符合這些規(guī)范，觸控螢幕就可擁有符合使用者期盼的直覺化操作介面。
(本文作者任職于賽普拉斯)
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