触摸技术及测量研究

李 强，吴蔚华，李 默，孙 三

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015)

触摸技术及测量研究

李 强，吴蔚华，李 默，孙 三

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015)

针对电容、电阻和红外触摸技术原理进行了介绍，分析了不同触摸技术的定位原理以及优缺点。在此基础上，对不同触摸产品的特性进行了探讨，从而引出主要触摸功能的验证方法，以及触摸性能的测量方法，最后对触摸产品显示性能的测量进行了探讨。

触摸技术；测量；电阻；电容；红外

在人机交互技术的发展进程中，已不再只有鼠标、键盘的操作，而是以更加人性化和简便的形式出现：触控、声控和图像识别等。触摸技术是目前最为主流的多媒体交互技术，广泛应用于消费、公共信息查询、多媒体信息系统、医疗仪器和教育系统等多个领域，如手机、平板PC、广告屏和交互式一体机等。不同的产品使用环境不同，采用的触摸技术不同，给使用者带来不同的感官体验和视觉享受。

具有触摸功能的显示设备就可以称之为触摸显示设备，简而言之，就是将触摸控件加载在显示设备表面，附加触摸功能。触摸控件的差异给触摸技术带来本质区别。

1 触摸技术及触摸定位原理

触摸技术是基于计算机识别，与显示设备配合使用。触摸技术的基础是触摸控件，不同的触摸控件附着在显示设备的表面，主要由各类传感器组成，不同触摸技术的传感器不同，但本质都是光电传感器，触摸后，触摸位置的光信号或电信号发生变化，通过传感器检测到触摸信号，经过处理后，可以得到触摸坐标，将触摸坐标发送至计算机实现对应操作。主流触摸技术按工作原理可以分为电阻式、电容式和红外[1]。

1.1 电阻式触摸

电阻式触摸依靠由多层复合薄膜做成的触摸屏实现。电阻式触摸技术采用分压器原理分辨触摸点位置。如图1、图2所示。

图1 电阻触摸技术

图2 电阻触摸技术分压原理

1.2 电容式触摸

电容式触摸屏是一块4层复合玻璃屏，如图3所示。4个电极在导电体内形成一个低压交流电场。当触摸发生在最外层时，触摸物与工作面就会形成耦合。根据电容隔直流通交流的特性，当高频电流流过触摸技术表面时，电容相当于一个导体，触摸点会产生很小的电流，并分别从4个角或者4个边上的电极流出。这4个电流正比于手指到4角的距离，通过分析电流情况即可准确得到触摸坐标。

图3 电容触摸技术原理

1.3 红外触摸技术

红外触摸技术是通过在横轴和纵轴上分布的红外对管来检测定位用户的触摸位置。红外触摸屏是在显示设备表面安装一个红外触摸框。红外触摸框的水平方向和垂直方向分别安装了红外发射管和接收管。一旦发生触摸操作，在水平方向或垂直方向的红外接收管就接收不到发射管发射的红外光，通过计算被遮挡的红外管分布情况来判断触摸点的位置。

传统红外触摸技术采用正对的发射和接收器件进行扫描，可获得单点坐标，但容易产生伪点。现代红外触摸技术采用光电晶体管，通过增加斜向的发射和接收器件进行扫描，可去除伪点，实现多点触摸。

2 触摸显示设备特性

电阻触摸屏反应灵敏度较高，可使用手指甲或触控笔等进行操作，不怕灰尘、水汽和污垢的影响。但触摸网格的微小变动会影响触摸技术的准确性，且外层薄膜容易被划伤。

电容触摸屏易受外界环境电场、手指湿润程度、环境干燥程度的影响，导致触摸点的“漂移”。其次电容触摸屏的四层复合玻璃对不同波长光的透光率不均匀，导致色彩失真，且电容触摸屏存在反光现象。

红外触摸屏不怕温度、湿度、电磁干扰等优点，但容易产生伪点。其次，因为红外光谱的波长与太阳辐射的可见光部分有重合，所以易受环境光干扰。红外触摸受技术影响，易产生延迟，响应时间较慢[2]。

3 触摸测量研究

触摸产品近几年开始在教育、广告和消费等领域广泛使用，而国内还没有发布国家或行业标准。国际上，美国SID标准化组织发布的Information Display Measurement Standard 1.03[3]版中规定了触摸产品的功能和性能测量方法。2013年，质检中心成立技术项目组，学习掌握触控产品的原理、优缺点，研究触控产品功能和性能测量方法。项目组综合各类主流触摸技术的主要优缺点，研究了触摸显示设备的测量方法，并进行了一些摸底测试，主要体现在触摸功能、性能和光学测量3个方面。

3.1 触摸功能测量

触摸功能测量的焦点在多点触控。不同触摸技术的多点触控功能有所差异。电容触摸可实现静态画面的放大、缩小，一般是依靠多点触控实现的；红外触摸目前可实现多点同时书写，主要应用于教育系统，一般要求可实现多点触控，也可实现4～6个点同时书写。

防水功能主要考核触摸产品表面有水滴或水雾时，能否正常触摸。触摸产品在日常使用时，可能会遇到手上有水、表面有水或湿度较大的环境。测试时，要模拟这些情况，验证产品能否正常触摸。

表面污染主要考核触摸产品表面有异物、污渍和手指印等时，能否正常触摸。触摸产品在日常使用时，屏幕表面可能会有灰尘、油渍或手指印等，有时会因为这些异物或污染的存在，而明显影响触摸效果。测量时，要模拟这些情况，验证产品能否正常触摸。

3.2 触摸性能测量

触摸性能可以直接客观地反映产品的触控效果。常见的测量项目主要包括触控精度、线性精度、响应时间、触摸分辨力和触摸高度等。

1)定位精度

定位精度是考核触摸产品进行触摸操作时，触控点位置的准确度。测量时应采用具有固定坐标测试点的测试图，如图4所示。测试图中绘制了13个测试点，每个测试点在测试图中的(x，y)坐标是已知的，且每个测试区域的直径应不小于7 mm。测试点的数量和位置可以根据测量需求任意设定，但必须明确(x，y)坐标。

图4 定位精度测试示意图

触摸时宜采用直径一定的触摸笔，在指定位置进行触摸。触摸后，相应的测试点会有显示，可以测量显示点与规定测试点的距离差。

当然这是较为粗略的方法，在测量中难免会有误差。目前大多数触摸产品都具有操作系统，如Android系统。如果通过特定软件，应可以让触摸产品自动识别触摸笔触摸后，显示的点的实际的(x，y)坐标，从而可以获得显示点与规定测试点的坐标距离。此测量方法也会因软件设计和编写的优劣而带来误差。

项目组对某款红外触摸产品进行了摸底测试。该款产品具有定位指示，但不能显示具体坐标，如图5所示。从产品的定位软件可以明显看出触摸笔的落点与软件识别点是有偏离的。图6显示了某个区域的测量结果。十字交叉点为测量接触点，而触摸笔的落点显示为红色。偏离的距离可通过游标卡尺进行测量。

图5 红外触摸产品定位软件

图6 定位精度测量结果

2)线性精度

线性精度是考核触摸产品在绘制直线时的线性偏差。使用者在触摸产品上绘制直线时，如果绘制动作本身是一条直线，但是显示出来的可能不是一条直线，是曲线。本项目就是测量显示出来的线与规定直线的偏离程度。测试时采用具有固定直线的测试图，直线应覆盖整个屏幕区域，如图7所示。

图7 线性精度示意图

测量结果分别如图8和图9所示。从图中可以看出，水平或垂直方向的直线拟合较好，绘制出的是直线；但在斜向方向上，绘制出的是曲线，与理想直线有一定的偏离。所以线性精度的测量有意义。

图8 水平方向的线性精度

图9 斜向方向的线性精度

3)响应时间

响应时间是考核触摸产品触摸和最终显示之间的延迟时间。因为工作原理不同，不同的触摸产品的响应时间是有差异的。项目组针对响应时间的测量进行了深入研究。之所以会产生触摸与显示之间的延迟，是因为触摸产品在接收到触摸指令后，会将信号发送给产品的CPU进行识别、处理，再反馈给液晶显示设备进行显示，这是需要时间的，这段时间就是触摸产品的响应时间。时间长的话，人眼可以明显感受到触摸笔或手指与绘制点之间的距离差，如图10所示。

图10 响应时间的效果图

如果采用时间测量工具如秒表测量响应时间是不现实的，触摸产品的响应时间一般在毫秒级，测试人员的反应速度无法满足测量要求。那么，要获得时间就要从其基本的物理概念入手。时间等于距离除以速度。此处的距离就是触摸笔与显示绘制点的终端之间的延迟距离。此处的速度可以通过辅助设备达到匀速运动的效果，从而获得速度值。如果采用高速照相机或摄像机，将整个过程拍摄下来，就可以准确地获得延迟距离。

如图11所示，触摸笔以某一速度匀速运动，在触摸屏上绘制图形，黑色直线的末端与触摸笔之间是有距离差的，这个距离差就是延迟的距离，再除以触摸笔移动的速度，就是触摸产品的响应时间。

图11 测试结果图

4)触摸高度

触摸高度主要是针对红外触摸产品提出的测量项目。当触摸笔与触摸屏的距离小于等于某个值X时，会触发红外接收器激活触摸功能，这个值即触摸高度。触摸高度越低，越不容易造成使用者的误触。

测量触摸高度时，应使用辅助测量设备固定触摸笔进行测量。如采用手持笔测量触摸高度，将无法解决抖晃问题，需要确保触摸笔处于静止状态，才可以精确测量出这个触摸高度。图12是触摸高度测量的示意图，在触摸笔逐渐接近触摸屏表面的过程中，当触摸笔下降至某高度时，触发触摸屏的响应，此时保持触摸笔静止状态，并使用游标卡尺测量得到该触摸屏的触摸高度。

图12 触摸高度测量示意图

5)触摸分辨力

触摸分辨力与显示设备的固有分辨力概念类似，直接影响触摸产品的触摸精度。但目前，该项目没有明确的定义和描述。所以市场上有各种各样的描述方式，有的采用触摸器件水平和垂直方向的数量，有的则通过算法进行描述。参考显示设备的固有分辨力的概念，触摸分辨力应与实际采用的触摸器件的数量挂钩，描述成水平方向的数量×垂直方向的数量。但触摸分辨力的测量方法还需要再研究。

4 触摸产品的显示性能测量探讨

触摸产品选用的显示设备大多是液晶显示。但不同的触控器件施加在液晶显示设备上后，显示效果会有所差异。常规显示性能的测量项目，如亮度、对比度、亮度均匀性、色域覆盖率等与平板电视的测量方法差异不大，可参考SJ/T 11348进行。有些显示性能项目是目前国内标准不包括的，应关注一下。

电容触摸产品大多应用于手机、平板电脑等，会在不同的环境光条件下使用。由于其本身存在反光现象，所以应特别注意产品的环境光对比度，以考核该类产品在不同环境光条件下的显示清晰度。环境光对比度的测量方法这里不再详细描述，可以参考笔者关于显示屏环境光对比度测量的讨论。

而红外触摸产品，应特别关注抗环境光干扰的性能。测量时，应选用相关设备，如白炽灯、模拟太阳光、验证该类产品的触摸效果是否受到影响。

[1]吴娟. 红外多点触摸技术的关键问题研究[EB/OL].[2014-11-05].http://www.doc88.com/p-0788013187824.html.

[2]陈坤. 基于电容式触摸技术的研究与应用[EB/OL].[2014-06-01].http://www.doc88.com/p-6009861612478.html.

[3]Society for Information Display. Information display measurement standard:Version 1.03[S/OL].[2014-11-05].http://www.icdmsid.org/downloads/idmsl.html.

责任编辑：许 盈

Touching Technology and Research for Measurement

LI Qiang, WU Weihua, LI Mo, SUN San

(NationalTesting&InspectionCenterforRadio&TVProductsofChina，Beijing100015,China)

The theory of the electric capacity, resistance and infrared touching technology are introduced.The positioning principle and advantages and disadvantages of different touching technology are analyzed. On the basis of them, the characteristics of different touch products is discussed, which leads to the main methods of measurement for the touch function and touch performance. At last, the article discusses the methods of measurement for display performance of the touch products.

touch technology; measurement; electric capacity; resistance; infrared

TN949.6

A

10.16280/j.videoe.2015.05.030

2014-09-12

【本文献信息】李强，吴蔚华，李默,等.触摸技术及测量研究[J].电视技术,2015，39(5).