基于专利分析的多点触控手势识别技术研究

邓清清

摘 要：随着现代经济的发展，多点触控手势识别技术在实现人机互换的过程中占据着越来越重要的作用。其中，通过先进的技术手段，逐渐脱离了传统中的键盘、包括鼠标等。本文主要以专利数据为分析样本，从专利文献的视角对多点触控手势识别技术的发展进行了全面的数据统计以及分析，总结了与多点触控技术相关的国内外专利的申请趋势﹑本领域的主要申请人分布以及重要技术分支。并以苹果公司为突破口对多点触控手势识别技术的发展路线做了一定的分析。

关键词：多点触控；手势识别；电容

1 多点触控手势识别技术概述

最近随着苹果手机等多款智能机的兴起，各种各样的多点触控移动终端逐渐浮出水面，在整个市场运作中占据着越来越重要的作用。多点触控技术的推广，促使了移动终端使用者可以进行各式各样的操作方法，方便、快捷。最要的是，整个过程的发展速度非常迅猛。

1.1 电容式触控技术

移动终端都是通过触摸屏来收集触控数据进而实现多点触控手势识别。触摸屏按其技术原理可分为五类：电阻方式﹑光电方式﹑电容方式﹑声波方式及其他方式。从产业应用和技术发展的趋势看，目前研究和应用较多的触控技术主要基于电容方式，与其相关的专利申请量也最大。

1.2 电容式多点触控技术

基于电容方式实现的多点触控技术包括手势识别和多个触摸位置识别。手势识别即两个手指触摸时，可以识别到这两个手指的运动方向，但还不能判断出具体位置，可以进行缩放、平移、旋转等操作。现有的基于投射电容的手势识别通常只能区别两个手指对象形成的手势。

多点触控位置识别可以检测到多于两个手指（例如双手十个手指）同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，其可具体确定各触点的位置。多点触控位置识别检测的是X/Y方向电极之间的耦合电容的变化（即互电容变化）。另外，多点触控位置识别和简单的手势识别的重要差别之一在于扫描方式不同，在多点触控位置识别中，每行和每列交叉点都需单独扫描检测，扫描次数是行数和列数的乘积，而简单手势识别中扫描次数是行数和列数之和。

2 多点触控手势识别技术专利申请整体状况

本节主要对全球的专利申请状况的趋势进行分析，从中得到技术发展趋势。

2.1 国外的发展状况

国外多点触控手势识别技术的专利申请趋势，大致分为三个时期，各时期划分以申请量增长率的变化为标准。

2.1.1 萌芽阶段（2004年之前）

上世纪九十年代该项技术的发展属于从无到有的萌芽阶段。在该阶段，有关多点触控手势识别技术的专利申请非常少。最早辛纳普蒂克斯有限公司于1996年申请的“具有边缘移动特性和动作识别的目标位置检测器”，其公开了用于识别由一个传导性目标在一个触摸检测器垫所作的动作并用于光标移动的方法，在可疑的动作器件通过分析出该传导性目标在检测器垫上的位置，压力和移动可以识别轻击，拖动，推压，延长的拖动和可变的拖动动作，并且传送表达出现这些动作的信号给主计算机。

2.1.2 平稳增长阶段（2004年-2006年）

从2004年开始，有关多点触控手势识别的申请量增多，苹果公司于2005年4月26日申请的“多点触摸屏”，该技术使得触摸屏能够用于识别触摸屏的触摸敏感表面上不同位置处同时发生的多个触摸操作，即触摸屏能够同时跟踪多个接触点，这使得多点触控手势识别成为可能。

2.1.3 快速增长阶段（2007年-2013年）

从2007年开始，有关多点触控手势识别的申请量大幅增多，苹果公司还积极在三维手势识别技术方面进行研究，第一种是利用近距离传感器和触摸屏以三维形式记录手势；另一种是基于可以通过动作传感器进行识别的直观物理学隐喻手势。用户可以在iPhone手机屏幕上整理目标文件，然后将文件“倒入”平板电脑之中，以实现iPhone和iPad之间的文件传输。苹果公司的专利US2007268275 A1公开了一种同步追踪多个手指和手掌接触的各种仪器和方法，探测手在一个接近感测、多点触控表面的触碰与滑动。凭借着对直观的手势形状和动作的识别和归类，这项技术可以前所未有地在一个多用途人体工学电脑输入设备上整合打字、静止、点击、滑动、三维操作以及手写等多项功能。

虽然多点触控手势识别技术最早起源于美国，但随着技术的发展，中国作为发展国家，也成为这个领域的后起之秀，专利申请量占据了世界18%的份额，紧跟美国之后。此外，台湾、欧洲、韩国，日本这些地区的多点触控手势识别技术也有着不错的发展。

从相关数据看出苹果公司作为一个领域的国际化的大公司，起到领头羊的作用，而中国虽然在这个领域的专利申请量也比较大，但是可以发现较为发散，没能像国外那样形成强有力的大型企业，对于国内部分小型公司。

2.2 国内的发展状况

国内多点触控手势识别技术的专利趋势，大致分为两个时期，各时期划分以申请量增长率的变化为标准。

2.2.1 稳步发展（2009年之前）

在2009年之前多点触控手势识别技术在中国大陆和台湾还属于一个稳步发展的阶段，专利申请量有一定的增长。台湾作为这个领域的龙头企业，义隆电子股份有限公司于2006年12月27日申请的“电容式触控板的多物件检测方法”，其公开了由至少一预设时间来辨别是噪音的干扰或是物件在触控板上的操作，以正确判断物件触碰或离开该触控板，进而准确地检测各种不同手势的操作。

2.2.2 快速增长阶段（2009年—2013年）

在2009年之后多点触控手势识别技术进入了一个快速增长阶段，专利申请量有快速增长的趋势。其中最早涉及的标记性的文献是比亚迪股份有限公司申请的“触控手势识别方法和装置”，其公开了一种触控板手势识别方法，包括以下步骤：设定时间范围和计数范围；接收所述时间范围内的输出波形；计算所述输出波形中的高电平个数；根据所述高电平个数进行各种手势的识别判定。

如图1所示的是多点触控手势识别技术的国内专利申请和各个省份或城市的分布情况，其中可以看出，台湾占据了大量的专利申请量，而深圳﹑东莞也是这个技术领域的主要的专利申请的城市，一些新兴的企业都位于这些沿海城市。查阅其申请文件，其技术还是明显落后于国外某些大型国际企业，如苹果，技术的创新是国内企业需要学习也是不容忽视的地方。

图2为多点触控手势识别技术的国内及台湾的主要申请人。可以看出，国内企业的专利申请占领了大部分，高效申请量比较少。更有像比亚迪这种汽车行业公司也积极地参与其中，也说明了触控领域在汽车领域发展也比较迅猛。

2.3 苹果公司的相关专利申请的技术路线

与基于数据手套和机器视觉的手势有所不同，移动终端领域中的触摸手势是一个二维手势。在移动终端多点触控手势识别技术中，可以将二维手势分为：触点手势、指点手势和自然手势。

触点手势也就是触点轨迹动作所包含的手势含义，由于其实现较为简单，手势定义更加直观，其在移动终端领域应用最为广泛。指点手势通过将手指操作的动作映射为手势动作，如轻敲，滑动，或两指分开等，从而实现对移动终端的控制和操作。自然手势能够通过表征性动作来表达想法和预期的命令，与使用者的思维习惯更加接近，用户界面更加符合自然规律，更为直观高效，但是由于该类手势动作定义和识别的复杂性，涉及对手势含义的理想描述和解析，实现具有较大的困难，目前在移动终端领域中还无法完美实现，是多点触控手势识别技术重要的发展趋势。

对于多点触控手势识别技术，苹果公司掌握了大量涉及重要技术的基础专利，同时也在不断进行新技术的研发，其研究热点也在一定程度上代表了该领域的发展趋势。下面以苹果公司为突破口，分析多点触控手势识别技术的发展路线。

图3是苹果公司的有关多点触控手势识别的相关专利申请的技术路线，其研究领域后来主要分布在指点手势和自然手势的识别上。

其中最早涉及触点手势识别的标志性文献是CN103365595A，该文献公开涉及用于触敏输入设备的手势，尤其是公开了一种处理触击输入的方法和系统，该发明的一个方面包括从多点感测设备读取数据，所述数据涉及对于所述多点感应设备的触击输入，并且来自所述多点感应设备的触点轨迹数据，识别至少一个多点手势。

最早涉及指点手势识别的标志性文献是CN101609383 A，该文献公开了一种操作电子设备的方法，该方法包括检测在所述电子设备的电容型触摸敏感表面上的触摸，其中触摸姿态包括一个或多个轻敲姿态，也可以是滑动触摸，所述触摸由所述电容型触摸敏感表面的下面的一个或多个电容型触摸传感器来检测。

最早涉及自然手势识别的标志性文献是WO2010002487A1，该文献公开了一种手持多功能装置和方法。这个手持设备检测一系列的一个或多个手指拖拉，离开等各种复杂的手势。

3 总结

本文以专利文献为样本，分析了多点触控手势识别技术的国内外专利申请趋势，以及主要申请人等。并以苹果公司为突破口分析了这一技术的发展路线。通过以上分析，使得对于该领域的历史发展路程以及现有技术发展水平有了更进一步的认识。

基于如上的分析过程可以看出，从整体上分析多点触控手势识别技术的动态更新技术来看，在经历了从上世纪90年代至本世纪初的几年之间的从无到有﹑从萌芽到飞速发展的阶段之后，这些技术都逐步走向了成熟，而且在这过程中一些世界一流的企业如苹果等均走在前列，它们的一些相关专利申请奠定了该技术领域的一些基础，技术的创新水平较高，从它们的被引用次数中也可以间接的反映出来。与此对应，国内的相关专利申请虽然随着近几年的快速发展而呈现出势头较猛的追赶趋势，导致国内的申请数量有了较大幅度的提升，但是在质量方面还需要提高。