红外线式触控交互技术发展探究

1、引言

        随着社会信息化的深入发展，家庭娱乐设备已经越来越多的向数字化、信息化发展。但目前的数字娱乐设备存在人机交互方式复杂难懂、不适应主流用户的操作习惯等问题，所以在普及深度和广度上，受到极大影响。因此，同时具备强大功能和直观操作方式的家庭数字娱乐终端，成为用户迫切需求。“先进触控交互式数字高清平板电视接收机”的研发成功既能满足了用户的需求，打开一系列与触摸控制技术相关的产品市场，成为新兴的综合性媒体展示控制终端产品。

        触控技术作为一种形象直观、简单易懂的人机交互方式，已经得到了广泛的应用，触控技术与数字高清平板电视接收机相结合，不但满足用户对收看高清数字电视节目的基本需求，同时作为直观易懂的操作方式，使用户能更充分地享受数字高清平板电视接收机的各种信息化功能。如：互动游戏、信息查询、节目点播、网上冲浪、收发邮件等。从而带动数字高清平板电视接收机的普及和整个平板电视产业链的发展。另外，因可视面积远远大于传统的触摸查询机，具有更加震撼的显示效果，灵活多变的媒体形式，高效快速的反应能力以及免维护、长寿命、高稳定性等优点已经快速得到商业、工程及军工等行业的认可,市场需求快速扩大。

        在20世纪90年代初，随着平板显示技术的飞速发展及多媒体信息技术的突飞猛进，出现了一种新的人机交互作用技术——触控交互技术。随着信息社会的发展，触控交互技术的应用越来越普遍，在全球，平均每年市场增长速度都超过30%。利用这种技术，用户只要用手指轻轻点击显示屏上的图符或文字就能实现对主机的操作，从而使人机交互更为直截了当，所以，这种技术极大方便了用户。人机交互形式也打破了以往键盘鼠标模式的框架，更为直截了当的实现了操作[1.2]。

        目前，全球已知触控交互技术约有20种，其中只有少数几种被主流公司完善发展，形成完整产品线并在全球销售。其他的技术由于不具备成本优势或者尚未找到合适的主流市场，只在少数环境下被偶尔采用。

1) 电阻式触控交互技术（含四线、五线、六线、八线）

        电阻式触控交互技术使用两层高透明的导电膜组成触摸屏，导电膜中间涂敷支撑颗粒。当手指按在触摸屏上时，导电层接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生电压信号，实现坐标检测。

        由于电阻式触控交互技术表面覆膜，透光性和防暴性能性能差，易损坏。适用于小尺寸、低功耗的应用领域，最常见的是手机、PDA等。

2) 电容式触控交互技术

        电容式触控交互技术表面敷有透明金属氧化物膜。当在屏幕四角施加电压时，会在屏幕上形成一个均衡的电场。手指做为导体与屏幕接触时将会从四角吸收不同的电流，各个电流的大小与触摸的位置有关。控制电路可以根据电流的不同决定触摸的位置。

        电容式触控交互技术同样属覆膜类产品，透光性和防暴性能性能差，易损坏。同时由于使用者本身电阻值不同，会导致定位漂移。

3) 声波式触控交互技术[3]

        声波式触控交互技术是由触摸屏玻璃体、声波发生器、反射条纹和声波接受器组成，其中声波发生器能发送高频声波跨越屏幕表面，手指触及屏幕表面吸收声波，触点坐标位置由此确定。由于需要吸收声波，所以对硬物触击无反应。

        声波式触控交互技术完全透明。但是由于声波发生器容易损坏，所以声波式触控交互技术市场定位为中端市场（包括Elotouch 在内所制造的声波式触控交互技术也曾出现过大面积的质量问题）。同时由于目前在制造大尺寸触控产品时工艺复杂，成品率极低，无法应付目前高速成长的大尺寸触摸市场的需求。

4) 红外线式触控交互技术

        红外线式触控交互技术以红外线扫描检测技术为基本原理，由红外线发射管与接收管在屏幕表面构成一个红外线检测矩阵栅格。当有物体进入这个检测栅格的时候，就会阻挡一部分红外光线，实现坐标位置检测。

        红外线式触控交互技术完全透明、甚至可以无玻璃体操作。同时具备防暴、防水、防尘、防油污、无坐标漂移、抗光干扰、完全无漂移、可任意物体触击、宽温适应、支持压力轴反应等特性。

2、红外式触控交互技术发展趋势

        随着平面显示时代的到来，诸如平面CRT显示器、液晶、等离子显示技术的不断成熟和普及，基于平面红外线扫描检测原理为技术基础的红外线触控交互技术优势凸现，以此为依托市场优势渐趋明显。

        在技术适用性方面，红外线触控交互技术完全可以满足现今及未来若干年内触摸产品市场的多元化需求。在触控交互技术触摸尺寸为10.4英寸至29英寸范围内，红外线触控交互技术产品依托其本身的技术优势可全面替代其他种类技术触控交互技术的应用。

        在市场方面，随着平面显示产品的迅速发展普及，红外线触控交互技术产品市场将获得其他技术不具备的独特市场空间，市场需求将不断扩大。从价格优势上看，红外线触控交互技术具有生产工艺简单，生产成本低，使用寿命长，免维护，维修成本低等特点，尤其是红外线触控交互技术在29英寸以上应用时，具有绝对的垄断性和排它性，势必成为触控交互技术市场上的新宠。

        红外式触控交互技术具有良好的宽温（-25°C ~ +80°C）特性并具有极宽的尺寸规格（6.4英寸～150英寸），同时具有防暴、防震、防水、防尘和防生化武器侵袭等特点，在金融设备、自助设备、POS、博彩设备、工业控制、教育培训、军事指挥等主要的触控交互技术应用市场都具有广阔的发展空间。随着纯平及大尺寸显示技术的飞速发展，红外发光管成本的快速下降，红外式触控交互技术在市场和成本两个主要方面都越来越具备优势。需要特别指出的是，随着在30~150英寸的显示器市场的成长，只有红外式触控交互技术可以完全配合背投、正投、全透明等各种显示方式，将在大尺寸显示器市场占有主导地位。

        最初的红外式触控交互技术出现于1992年，分辨率只有32×32。第一代红外式触控交互技术分辨率低、易受环境干扰而误动作，要求在一定的遮光环境中使用。由于这些局限性，致使红外式触控交互技术曾经淡出市场。

        第二代红外式触控交互技术于1994年推出，分辨率达到64×64，改善了抗光干扰性能，可以适应大多数室内环境。第三代红外式触控交互技术1997年推出，分辨率达到320×240，可以在室外非阳光直射的环境中使用；第四代红外式触控交互技术1998年推出，使分辨率提高到了800×600。从红外式触控交互技术的发展历程来看，主要的进步是沿着提高分辨率和对强光干扰环境适应能力两个方面进行的，但基本上没有克服产品寿命短、器件特性参数容易漂移等问题。

        近期推出的第五代红外式触控交互技术，不仅将分辨率提高到了1000×720，通过插值运算，分辨率高达4096×4096。抗强光干扰性能提高到太阳直射环境亦可使用，更重要的是在产品寿命和免维护性能方面有了本质的飞跃。第五代红外触控技术采用概率函数器件冗余分布的指导思想，工作环境下寿命大于7年。这就是说，当配套的显示器达到寿命终结的时候，触控交互模块本身仍然可以正常工作。

        第五代红外式触控交互技术在性能指标上的改善，将触控交互界面显示模块的应用推向新的水平。例如，过去触控交互界面显示模块在跟踪手指移动轨迹的时候会出现很多断笔，无法用于汉字识别。第五代红外式触控交互技术在跟踪手指移动轨迹的时候，精度、平滑度和跟踪速度都可以满足要求。用户的书写可以十分流畅地转换成图像轨迹，完全支持手写识别输入。

        实际上，已经可以用第五代红外式触控交互技术这样一个单一设备作为完整的人机界面平台，取代鼠标、书写板甚至键盘。从应用的层面看，触控交互技术不应该仅仅作为一个将触摸位置转换为坐标信息的简单设备，而应该作为一个完整的人机界面系统进行设计。第五代红外式触控交互技术就是依据这样的标准，通过内置的处理器和完善的驱动软件来实现产品概念的提升。

3、海尔集团在触控交互技术方面取得的成果

        随着社会信息化的深入发展，家庭娱乐设备也越来越多的向数字化、信息化发展。我国自2003年率先提出平板电视的概念后，平板电视被各级市场的消费者逐步了解并认同。同时具备强大功能和直观操作方式的家庭数字娱乐终端，将成为用户迫切需求。

        国内的高端触控交互技术产品已经基本被Unitop（汇冠）红外式触控交互技术垄断，全国的金融设备、自助设备等行业市场已经长期使用并反馈良好。市场也出现了一些其他的进入者，如OneTouch、GeneralTouch，由于技术不足和产品应用中频繁出现不稳定现象，短时间无法对Unitop造成实质威胁。

        国内中端触控交互技术市场已经基本被GeneralTouch（四川吉锐）声波式触控交互技术垄断，主要应用在自助设备市场。最近出现了一些其他进入者，如OneTouch、ConTouch，由于可以提供较为相似产品，已经对GeneralTouch的市场份额形成蚕食态势[4.5]。

        海尔集团最新研制出的先进触控交互式数字高清平板电视接收机， 其产品和技术以灵活多变的媒体形式，高效快速的反应能力以及免维护、长寿命、高稳定性等优点已经快速得到商业、工程及军工等行业的认可，已经被多个重点市场所接受。不但满足了用户的需求，更能充分享受数字高清平板电视接收机的各种信息化功能。如：互动游戏、信息查询、节目点播、网上冲浪、收发邮件等功能。从而带动数字高清平板电视接收机的普及和整个平板电视产业链的提升。与传统平板电视相比，海尔集团研制出的先进触控交互式数字高清平板电视接收机具有以下几个优点：

1）智能调节，无光干扰，高透光性，最高达100%

        采用革命性的机械和光学设计，彻底解决了以往红外触控技术无法抗光扰或只能在法线30度以内抗光扰的缺陷，对于任意角度的日照光线均有很强的抗光扰能力，完全适应强日光照射下的户外工作。同时显示界面表面没有任何的涂层或覆膜，能达到无玻璃工作，最高达100%

2）高性能、高可靠性的预扫描补偿技术的触摸检测技术

        在扫描检测方面，这项技术采用了预先检测红外发射和接收管的发射和接收灵敏度的方法，可以设定在设备正式工作前首先检测一遍或几遍红外发射和接收管的发射效率和灵敏度，然后记忆每一对管子的灵敏度情况，通过触摸屏内部的微控制器系统来调整电路的放大倍数，自动适应红外发射和接收管灵敏度，以保证检测的可靠性。使用这种技术，即使管子经过长时间的使用后，灵敏度下降到原来的1/4～1/3，也能保证可靠地检测到触摸操作，大大地提高了检测的可靠性。而现有的红外触摸屏，一般只要有一对管子的灵敏度下降到原来的一半，就无法正常使用了。而红外发射管在大电流冲击下发射效率降低的曲线是一个接近对数曲线的曲线，因此使用这种技术能够延长红外触摸屏的使用寿命3-5倍。

3）模块化总线驱动技术

        超大尺寸触摸屏需要解决许多工艺上的限制，比如比常规尺寸多得多的红外线传感器，如果采用小尺寸通常的扫描技术，不仅扫描一场的时间就慢得惊人，而且存在安装触摸屏的显示器周围的狭小空间内的电路板的布线等问题，以及装配、维修、运输等问题。同时，50－100英寸全系列显示器尺寸种类众多，还存在4：3、16：9等不同的尺寸规范，甚至还有非标产品。这样一来，不仅产品开发、生产和库存成本惊人，而且如果每个尺寸产品都单独开发，就需要每种产品都进行相关检测认证。而使用创新的通用模块电路，以总线方式串接，在只需要布设有限数量的总线的基板上采用搭积木的方式来设计不同尺寸规格的超大尺寸触摸屏，大大降低了设计难度，缩短了设计周期，不仅完美地解决了上述问题，而且降低了维护维修成本。

4）快速响应技术

        采用用了一种能够有效地提高红外触摸屏响应速度的创新的方法。首先在整个触摸屏的区域内扫描检测是否有触摸物存在；如果检测到有触摸物则计算触摸物的位置，并以该位置为参照点，选择该其前后左右的若干对红外发射和接收对管来设定新的、小于整个触摸屏尺寸的检测区域并扫描检测该区域；如果在该设定区域内再次检测到触摸物，则重复上述计算、设定步骤，或者设定与上次尺寸相同的检测区域，或者设定尺寸更小的新区域，继续扫描检测触摸物。如此循环重复上述步骤，如果上述的某次检测没有检测到触摸物，则重新开始对整个触摸屏的扫描检测。由于这种方法减小了实际的检测扫描面积，因此极大地提高触摸屏对于触摸操作的响应速度，使得近百英寸的触摸屏的响应速度与十几英寸的触摸屏的响应速度几乎相同，非常适用于大尺寸的红外触摸屏。

5）多点触摸技术

        使用了一种创新的专利技术来识别红外触摸屏上多个触摸点。这种方法在触摸屏扫描检测到了触摸屏的横向或纵向有超过一对发射个接收管之间的光线被阻断以后，存贮被阻断的对管的序号或地址，并将检测得到的纵横向的坐标值组合得到多个可能的触摸点。然后，再使用离轴扫描的方法，剔除伪触摸点，从而实现了多点触摸的检测。这种方法有两种具体的技术方案，都已经分别申请了中国专利。并且，这两种技术方案都不改变现有红外触摸屏的结构，均通过微处理器的软件实现，因此具有应用成本极低、适用性非常广阔的优点。

4、结论

        平板显示行业已成为国际贸易领域增长最快的产业之一，平板显示新技术是下一代移动通信、新一代家电和3C整合产品的关键技术基础，在未来几乎所有电子信息产品中均有应用，是国际信息产业技术制高点。海尔集团在开拓国际市场方面具有良好的基础，先进触控交互式数字高清平板电视接收机的研发及产业化必将进一步突显我国触控交互式数字高清平板电视的产业优势，在不断开拓国内外市场中提升电子信息产品的技术水平；加快形成平板显示产业发展的优良平台，在更高的层次上承接国际技术转移，开展更广泛和更深入的国际合作。