德普特工程师谈触摸屏技术与发展（上）

无论是智能手机、平板还是笔记本电脑，无论装载的是Android、iOS或者Windows操作系统，几乎所有的数码设备现在都不约而同地与一种人机交互界面有关。你应该猜到我想说的是什么了吧？没错，触摸屏就像那个交响乐团的指挥家，影响着行业的走向。远到苹果率先启用具有多点触控功能的屏幕，一举成为智能手机执牛耳者；近到近Windows 8电脑拥抱触摸屏，触摸屏实现了在电脑上的抢滩登陆。那么，表面简单的触摸屏背后有没有什么大学问呢？接下来我们就来一探究竟。

触摸屏的发展历程

说了这么久的触摸屏到底是什么呢？触摸屏（Touch Screen，也经常称作Touch Panel）是可接收触头（手指或者指点笔）等输入信号的感应式设备。它利用传感设备来定位，当判断触头接触到屏幕上显示的按钮时，就可根据预先设定好的程序做出相应的操作。简单来说，触摸屏取代了鼠标和键盘，令人机交互更为直观有趣。因此，得到了用户的广泛认可。

触摸屏早起源于上世纪六十年代。1965年，E·A·约翰逊在一篇文章中展示了自己在电容式触摸屏上的研究。CERN（欧洲核子研究组织）的Bent Stumpe在同时期对透明触摸屏的研发也取得了进展；随后，他在同事Frank Beck的帮助下，率先在上世纪七十年代初研发出了透明触摸屏的原型产品，并在1973年制造出了实物。电阻触摸屏则在1982年由美国人G·Samuel·Hurst发明并生产。

一经问世，触摸屏凭借直观的操作和良好的人机交互特性获得了市场的认可。举个例子，1979年～1985年期间比较流行的Fairlight CMI工作站便应用了触摸屏技术，这款当时高端的音乐后期重采样和合成工作站，借助这个技术可以让用户在操作界面上定位并控制采样和合成数据，并能通过触摸操作访问操作系统的菜单。惠普在1983年推出的HP-150则成为了世界上第一台针对消费市场的触摸屏电脑，它采用了PLATO Ⅳ触摸系统。其工作原理与所有采用红外技术的触摸屏一样—它那9英寸大小的索尼阴极射线管显示器的四周都布满了红外发射器和接收器，这样，它就可以探测到屏幕前方非透明物体的位置了。如今在各大超市随处可见的采用触摸屏技术的POS系统则在1986年秋季的Comdex电脑展上由Atari展示。直到1990年，多点触控人机交互技术终于被研发出来，这一革命性的技术将多种手势和电脑指令结合起来，比如翻转或者滑动屏幕，并且可以支持同时多点识别；同时，触摸屏键盘也在此时完成了实用。到此为止，我们目前应用的触摸屏技术的各项基本功能都已经开发出来了。

触摸屏的整体特性

触摸屏的本质其实比较简单，即在显示设备的基础上添加触控功能而来。也因此，几乎所有的触摸屏都具有三个特性：透明、绝对坐标和传感器。

透明

触摸屏实际上也就是添加了触控功能的显示器，如果影响了原本的显示属性，那么触摸屏也就没有任何意义。透明直接影响到触摸屏的视觉效果，因此，它也是触摸屏的首要特性。不过，“透明”在触摸屏里的概念比较空泛。由于技术的进步，很多触摸屏采用了多层复合薄膜，仅用透明来概括它的视觉效果是不恰当的，它应该至少包括透明度、色彩失真度、反光性和清晰度这四个基本度量。

触摸屏需要在原本的显示面板基础上添加触控操作的介质，如果缺乏足够的透明度，多多少少会影响到原本的显示效果。透明度越大，则对显示效果的影响越小。

触控操作在日常生活中已经很常见。

由于触控介质对透明度的影响，以及光线由此产生的折射，我们通过触摸屏看到的图象相比原图象肯定存在色彩失真，色彩失真度自然是越小越好。

支持触控操作的Fairlight CMI工作站

反光性主要是指由于镜面反射造成的重叠光影，如人影、窗户、灯光等。反光性是触摸屏带来的负面效果，越小越好。它能明显影响到用户的应用体验，甚至会使用户无法看清显示的图像。通过防眩光处理后，触摸屏的反光性会有明显下降。不过，如果处理不当，防眩型的透光性和清晰度也可能会出现较大幅度的下降。

世界上第一台针对消费市场的触摸屏电脑HP-150

至于清晰度，顾名思义是指整个屏幕的显示效果是否清晰。清晰度的问题主要存在于具有多层薄膜结构的触摸屏上，由于薄膜层之间光反复反射和折射所致。此外，防眩型触摸屏由于表面经过磨砂处理，也可能会造成清晰度下降。

绝对坐标

触摸屏通过判断触点的位置来实现人机界面交互。与鼠标需要经过转换不同，触摸屏是“指哪儿点哪儿”。因此，触摸屏是典型的绝对坐标系统，特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系。触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标。这就要求触摸屏坐标同一点的输出数据是稳定的，如果输出数据不稳定就不能保证绝对坐标定位，如此就会导致“漂移”现象。

触摸屏需要通过坐标系统对操作进行定位。

传感器

触摸屏需要检测触摸并对触点进行定位，因此，必须具有能够对触摸动作做出响应的传感器。无论触摸屏采用何种技术，它们都依靠各自的传感器来工作，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。不同的定位原理和各自所用的传感器则决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。因此，尽管电容式触摸屏存在之前我们所说的“漂移”现象，但它在反应速度上的优势却使它成为了需要快速响应的消费设备的首选。

触摸屏的分类

触摸屏当然也有不同的分类，根据传感器的不同，触摸屏可以分为五类：矢量压力传感式、电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台，我在这里就不过多阐述了，下面我就介绍一下各种技术触摸屏的主要特点。

电阻式触摸屏

电阻式触摸屏主要利用压力感应进行控制。它的介质是一块与显示面板表面贴合非常紧密的电阻薄膜屏，这种多层的复合薄膜以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明的导电电阻层，其上再覆盖一层塑料层。这层塑料层与导电电阻层相邻的内表面也涂有一层导电涂层，在两层导电涂层之间有许多细小的的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在坐标轴的X和Y两个方向上产生信号，然后发送到触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出手指（X，Y）的位置，再按照预定的程序设置进行运作。这就是电阻技术触摸屏的基本的原理。

电阻屏结构示意图

根据触摸屏所需要的引线数目，电阻屏分为四线电阻屏和五线电阻屏。不管是四线电阻屏还是五线电阻屏，它们都处于一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽。电阻屏可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，比较适合工业控制领域及办公室的使用。同时，由于电阻屏的精度只取决于数模转换的精度，因此能轻松达到4096×4096这样的高分辨率。电阻屏共同的缺点是耐用性较差，由于复合薄膜外层采用塑胶材料，不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。相对而言，五线电阻屏的耐久度要好得多。

五线电阻屏的耐久度比四线电阻屏要好一些。

电容式触摸屏

电容式触摸屏主要利用人体的静电感应进行工作。通常来说，它是一块复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层氧化铟涂层，外层是一层稀土玻璃保护层。氧化铟涂层是电容屏的工作面，四个角上引出四个电极；内层氧化铟为屏蔽层，从而保证良好的工作环境。当手指触摸金属涂层时，由于人体电场的作用，用户和触摸屏表面形成一个耦合电容。手指从接触点吸走很小的高频电流，这股电流从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比。控制器通过对这四股电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。

电容屏结构示意图

电容屏具有灵敏度高的优点，并且容易实现多点触控，有助于提高用户应用体验。同时，电容屏由于主要采用手势操作，没有硬物点按，因此具有比电阻屏更长的工作寿命，从而被消费电子设备广泛采纳。不过，电容屏的反光相对严重，而且多层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题。此外，当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏，哪怕不触摸就可能引起电容屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重。电容屏的另一个缺点是一旦绝缘就没有反应，比如用戴手套的手触摸时没有反应。漂移也是电容屏的缺点，当环境温度和湿度改变导致环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。

iPhone的出现让电容屏迅速成为智能手机的标配之一。

红外式触摸屏

红外触摸屏是利用X、Y坐标方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸操作。它在显示器的前面安装一个电路板外框，从而在四边排布红外发射器和接收器，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。理论上，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，能够适宜恶劣的环境条件。然而，受限于技术水平的限制，红外触摸屏在分辨率、触摸方式的多样化和抗环境干扰等指标上存在局限。新一代的红外触摸屏在这方面已经有了很大的改善。

红外屏可以做到较大尺寸，很多KTV点歌台就采用了红外屏。

表面声波触摸屏

表面声波触摸屏可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，三个角分别粘贴着X、Y方向的声波发射换能器和声波接收换能器（换能器由特殊陶瓷材料制成，分为发射换能器和接收换能器，能够把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能，和由反射条纹汇聚成的表面声波能变为电信号），四个边刻着反射表面超声波的反射条纹。当手指或软性物体触摸屏幕，部分声波能量被吸收导致接收信号发生改变，再经过控制器的处理便能得到触摸的X、Y坐标。表面声波触摸屏具有较高的清晰度和透光率（高达92%），并具有极好的抗刮伤能力和工作寿命。声波发射技术具有较好的灵敏度和分辨率，并且不受温度、湿度等环境因素影响。由于声波发射技术没有漂移现象，校正简单，目前在公共场所使用较多。不过，表面声波触摸屏需要经常维护，灰尘油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使声波不能正常发射，或使波形改变导致控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常使用。

表面声波触摸屏结构示意图

触摸屏的发展展望

触摸屏是一种优秀而直观的人机交互界面，用户只要用手指轻轻地碰显示屏上的图符或文字就能对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，大大方便了那些不懂电脑操作的用户。随着移动互联时代的来临，越来越多的移动终端也开始用到触摸屏。与此同时，多媒体信息查询设备的与日俱增也让人们越来越多地体会到触摸技术带来的好处。未来，触摸屏必将会越来越地介入到人们的生活当中。