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人機介面 觸控式技術論述

人機介面 觸控式技術論述. 講者 :. 目錄. 引言 多點觸控相關實作 觸控技術比較 參考資料. 簡介. 從 Command Line Interface 到 Graphical User Interface (GUI) 觸控技術的早期發展 ( 追溯至 1970) Apple 的 Multi-touch 產品. 命令列介面. 早期的命令列介面 ( 如 Unix, DOS Command Line Interface). Macintosh in 1984. 第一個商業化成功的圖形化界面 (GUI) 作業系統 : Macintosh.

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人機介面 觸控式技術論述

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Presentation Transcript

  1. 人機介面 觸控式技術論述 講者:

  2. 目錄 • 引言 • 多點觸控相關實作 • 觸控技術比較 • 參考資料

  3. 簡介 • 從 Command Line Interface 到 Graphical User Interface(GUI) • 觸控技術的早期發展(追溯至1970) • Apple的Multi-touch產品

  4. 命令列介面 • 早期的命令列介面 (如Unix, DOS Command Line Interface)

  5. Macintosh in 1984 • 第一個商業化成功的圖形化界面(GUI)作業系統: Macintosh

  6. 微軟Windows 3.1 的 Control Panel

  7. 觸控螢幕的雛型(一) • Samuel Hurst 1971年於肯塔基大學開發。 • 為了閱讀大量的資料而開發的觸摸傳感器，這個傳感器就是最早觸控螢幕的雛型，並且率先應用在美國的軍隊中。 • 這種觸摸式感測器讓他加快輸入資料的速度，但這種裝置不像現在的手機觸控螢幕是透明的，而且體積相當龐大。

  8. 觸控螢幕的雛型(二) • Samuel Hurst 的 Elograph系統 (1971)

  9. Multi-Touchon iPhone • Apple iPHONE的多點觸控功能，引發了觸控式介面的風潮 http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=0lfmlKYZ-vU http://iphonetable.blogspot.com/

  10. 多點觸控相關實作

  11. 多點觸控相關實作(一) • Mehta Nimish(1983)設計一個由監視器鏡頭對準一個面板區域。當感應到光的訊號時，可以產生電氣訊號，把鍵盤複雜的方式簡化到一片透明的板子控制。類似于現今的筆記型電腦觸控板，但在當時擁有極大的靈活性，但無法像觸控螢幕這樣點選位置與螢幕做結合。 • Bill Buxton 利用SK.Lee et.al. (1985)的概念製造出有能力同時偵測一個壓力點以上的觸控板

  12. 多點觸控相關實作(二) • Bill Buxton(1985)製造出有能力同時偵測一個壓力點以上的觸控板

  13. 多點觸控相關實作(三) • Johnny Lee 利用Nintendo 的Wiimote遙控器與電腦的藍芽裝置連接。 • Wiimote遙控器上配備了解析度128*96(註) 的紅外線攝影機，最多可以接收四個紅外線的光點，用來製作低成本的多點觸控白板。另一方面的應用，也可自行製作紅外線LED陣列發射器配合反光膠帶套在手指上，就可以用Wiimote內的紅外線攝影機來定位手指，可以用手指在空中揮舞與電腦產生互動。 • (註) The built-in processor uses 8x subpixel analysis to provide 1024x768 resolution for the tracked points. 

  14. 多點觸控相關實作(四) • Johnny Lee – 利用 Wiimote 的多點觸控裝置 • http://www.youtube.com/watch?v=0awjPUkBXOU&feature=related

  15. 多點觸控相關實作(五) • Jefferson Y. Han(2005)發表了一個便宜的多點觸控方式，使用一個攝影機，與背投式的投影機，製造一個基於FTIR的互動介面。(FTIR:Frustrated Total Internal Reflection) • 原理是將紅外線發射進入壓克力板使它整片充滿紅外線光。當手指按壓在螢幕上時，接觸的地方因手指破壞壓克力內的紅外線反射產生光點，利用這些光點產生的位置抓取手指的位置。

  16. 多點觸控相關實作(六) • FTIR 示意圖

  17. 多點觸控相關實作(七) • Jefferson Y. Han(2005):FTIR 多點觸控影片 • http://www.youtube.com/watch?v=EiS-W9aeG0s

  18. 多點觸控相關實作(八) • Microsoft 多點觸控桌 Microsoft Surface1.0，基於Diffused Illumination (DI)原理，使用攝影機與紅外光作為影像辨識，能辨認出不同的物體，利用電腦的運算產生互動，顯示的方式使用背投影機。 • 可以辨識出手指、實際物體、設備或是標籤。

  19. 多點觸控相關實作(九) • Microsoft Surface1.0 • http://www.youtube.com/watch?v=ttgx9ygMXz8&feature=fvst

  20. 多點觸控相關實作(十) • 微軟官方在 CES 2011 的特別發佈會上展示了新版 Surface 2.0 • 採用PixelSense技術，將sensor與面板整合在一起

  21. 多點觸控手勢(一) • Magic Trackpad支援的手勢

  22. 多點觸控手勢(二) • Windows 7 手勢:

  23. 多點觸控手勢(三) • 其他手勢:

  24. 多點觸控手勢(四) 手勢: 放大 手勢:

  25. 多點觸控手勢(五) 手勢: 視窗上下左右滾動

  26. 多點觸控手勢(六) 手勢: 旋轉

  27. 多點觸控技術種類與比較

  28. 多點觸控技術 • 紅外線式 (Infrared) • 電阻式 (Resistive) • 電磁式 (Electromagnetic) • 電容式 (Capacitive) • 表面聲波 (Surface acoustic wave, SAW) • 光學式 (Optical):computer vision-based

  29. 多點觸控技術:紅外線式 • 運作原理:利用紅外線矩陣組成橫列與縱列的掃描線，當有物體遮斷光源時，便可判定位置，其判定方式是四周一定有成對的發射與接收器。

  30. 紅外線式特性 • 主要利用光遮斷開關，這種技術經常在電影裡面看到，用來做保全偵測，其應用非常廣泛，例如印表機印字頭的定位，滾輪滑鼠的滾輪，都是使用光遮斷的方式來判定， • 缺點:真實解析度不高， 容易受光影響，反應速度較慢，但可感應任何可以遮蔽光線之物體。

  31. 多點觸控技術:電阻式 • 運作原理:透過壓力讓兩層導電層接觸，再經由阻抗值的差異算出物體位置，其判定方式則是觸摸的時候一定要有壓力，因此會有相當彈力的感覺，而且表面會是軟材質。

  32. 電阻式特性 • 早期多用在小的手寫板或是觸控板上，還有薄膜鍵盤防水鍵盤等等，以及早期的類比式搖桿，都是利用電阻產生的電位差來計算 • 目前此技術大量使用在手機或是小尺寸的觸控螢幕上面，其優點是可以利用手跟筆等足以施加壓力的物體來操作，準確度則會受到溫濕度的影響產生阻抗值變化而改變。

  33. 多點觸控技術:電磁式 • 運作原理:利用線圈產生磁場改變經由接收天線產生之電流變化計算位置。其判定方式很簡單， 一定有專屬的筆， 而且筆中間一定會有線圈來產生磁場。目前很多互動式電子白板(非影像掃瞄)也都是採用此技術 。

  34. 電磁式特性 • 數位板或是繪圖板使用的技術， 後來Tablet PC也大多採用此技術。 • 教學用的觸控螢幕、數位化講臺上的螢幕等等，也都是採用該技術。 其唯一缺點就是一定要使用一個帶電的筆(Wacom則有獨家感應技術可從天線端感應生電， 不需要電池)。

  35. 多點觸控技術:電容式 • 運作原理 :經由導電物質影響電場的變化來計算出物體位置，其判定方式一般可用手持之非導電材質去做測試(導電體如手則必須離接觸面有一定距離)。

  36. 電容式特性 • 此技術在20 年前已有使用，例如電梯的按鍵。 • 早期發展大多表面是金屬材質，現在則可使用許多非導電材質。 • 現在筆記型電腦的觸控板則大多採用此技術，著名的iPad也是採用此技術 • 其缺點是一定要經由會影響電場之物體來感應，同時反應速度也較慢，另外也有可能受到附近電磁場之影響而產生精確度誤差。

  37. 電容式:目前發展 • 常見技術有兩種，分別為表面電容(3M 的MicroTouch)及投射電容 • 投射式電容的優點是採用非接觸感應，也就是可以隔著玻璃或是懸空感應，在應用上的優點就是表面不會因為長期使用而耗損，且目前投射式電容透過特殊制程不但可以多點(目前須搭配軟體)又可以做到很大的尺寸。

  38. 多點觸控技術:表面聲波 • 運作原理:在介質表面傳遞高頻聲波，當聲波遇到軟材質被吸收後，變可計算出位置，其判定方式可以拿硬性之導電材質進行測試，一般來說是不會感應硬性材質。

  39. 表面聲波特性 • 該技術則有新的延伸發展是使用表面震波(由3M 提出的專利)，就是當物體接觸觸控面時產生的微小震動來計算出位置。 • 精確度跟反應速度都比電阻或是電容式來的好，也可以做到較大的尺寸。但因為其必須在傳導載體的四周安置反射天線， 所以尺寸變化都必須訂做， 目前很多博弈等遊戲機台也都開始採用此技術 。

  40. 多點觸控技術:光學式 • 討論以電腦視覺為基礎(computer vision based)的方法 • Frustrated Total Internal Reflection (FTIR):Jeff Han 所提出。 • Diffused Illumination (DI): Microsoft Surface 1.0採用的技術。

  41. 基於電腦視覺的多點觸控技術 • 優點:可以判別出接觸物體的形體做出更多的應用。 • 缺點:因為從正向或是背向使用Camera 來觀測，因此需要一定的空間與距離，而且使用紅外線做為影像光源，容易受到干擾，也無法搭配平面顯示器使用， 大多需要搭配投影的方式做使用。

  42. Diffused Illumination(DI)(一) • 用紅外線光 (IR Illuminator) 往上打，紅外光碰到阻礙物後，反射回來，經過紅外線攝影機 (IR Camera/Webcam) 接收之後，經過程式分析，就會瞭解手指觸碰到桌面那個位置。而投影機 (Projector) 所打出的畫面，就會隨著你手的移動來做應該要有的反應。它就是要讓紅外光能夠 “均勻” 在表面上面散色，然後利用紅外光反射的原理來達成互動桌面的原理。

  43. Diffused Illumination(DI)(二) • 一般投影布幕 (Diffuser) 是放在桌面下，。實際上也可以把投影布幕 (Diffuser) 放到桌面上，但設置就有些不同。因為紅外線投光器 (IR Illuminator) 直接往上打時會在桌子的表面上面產生熱點 (Hot Spot) • 把手電筒往玻璃上面一照，可以看到中間的點特別亮，就是熱點 (Hot Spot)。

  44. Diffused Illumination(DI)(三) • 而我們不希望有熱點 (Hot Spot) 產生，因此投影布幕 (Diffuser) 在此就扮演了兩個角色，一個是把影像投影出來，另外一個是把光源散射開來。 • 熱點所反射的紅外光太強，以致於我們手移過去時所反射的紅外光不會大於熱點，因此紅外線攝影機 (IR Camera/Webcam) 就無法判別。

  45. Diffused Illumination(DI)(四) • 此外，投影機直射也會產生熱點 (Hot Spot)，因為投影機打出來的光不僅僅只包含可見光的光域，還包含了紅外線 (IR)。 • 解決方式:在投影機前面加一個 IR Cut，這個東西會把紅外線的波段全部濾掉，但是對我們所投影出來的東西沒什麼影響 (因為人只看的到可見光)。

  46. FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) (一) • FTIR 的實作方式是由 Jeff Han 於 2006 年在UISTConference提出。 • 後面三個字 TIR (Total Internal Reflection)，代表的就是全反射。

  47. FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) (二) • 圖中的藍色的線就是全反射路徑。因此我們知道全反射跟入射角以及介質有關，而介質是最重要的一件事情。而 Jeff Han 最大的貢獻就是找到了一種介質，可以讓紅外線在裡面進行全反射，而這個全反射的介質竟然是價格便宜的壓克力。

  48. FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) (三) • FTIR 的實作當中是要把紅外光放在側邊的，然後讓紅外光射到壓克力裡面去，在裡面做全反射。 • 優點:紅外光在平面上面是絕對均勻的，至少會比用 DI (Diffused Illumination) 來的均勻。 • 利用紅外線攝影機 (IR Camera/Webcam) 來接收所反彈回來的紅外光線。然後，投影機的內容還是要打到投影布幕 (Diffuser) 上面。

  49. DI 與 FTIR缺點(一) • 兩種作法都是用紅外光的反射原來來製作互動桌面，會有一個缺點，那就是紅外線干擾的問題，你不可以把你的桌子放在太陽光下，或是環境當中有很多紅外線的地方，這會讓你的桌子很不穩定。 • 它們都是用投影機，因此會有個問題，就是你的互動桌面怎樣都不可能太薄，因為投影機就限制了最短的投影距離(即厚度)。

  50. DI與 FTIR缺點(二) • 實作比較小的面板似乎沒有多大的意義，所以我們會看到許多利用紅外光設計的多點觸控 (Multitouch)  桌面都會設計的比較大張一點。 • 除非使用特殊的投影機，否則持續開機太久時，會產生投影機過熱的問題。

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