多点触控 多点触摸 光学式 红外光 设计方案

关于多点触控
1 前言
多点触控(又称多重触控、多点感应、多重感应)是采用人机交互技术与硬件设备共同实现的技术，能在没有传统输入设备（如：鼠标、键盘等。

）下进行计算机的人机交互操作。

在人机交互的发展过程中，鼠标和键盘一直是最基本的输入设备，而屏幕一直是计算机信息的最主要输出设备。

现在，一种全新的交互方式正在向我们走来——自然用户界面，也就是俗称的触摸界面，在这种操作模式下，屏幕不仅作为输出设备，同时被作为输入设备，在屏幕上直接操作，从而操控计算机。

多点触控是一样全新的人机互动方式，通过我们的十根手指代替鼠标键盘等输入设备，采用全新的用户体验方式，手势识别，新奇的体验感觉，高清直观的显示方式，为用户提供简便直观的人机互动方式和高效震撼的操作体验。

随着iPhone等触控手机和平板电脑的日益火爆，人机互动领域成为新时尚热点，多点触控必将引领一次新的人机交互变革。

实体键盘鼠标等输入外设早晚有一天会被取代，现代的人们追求的是高效便捷的信息服务，不可能走到哪里都要带着鼠标键盘，便捷高效的多点触控技术正是我们所需要的下一代人机交互方式。

简单的来说就是解放我们的十个指头，能让我们离开办公室的椅子，在任何地方，通过任何媒介进行人和机器装置高质量高效的沟通。

2 国内外现状
目前，手机等数码产品大多数采用电容屏或电阻屏，不管是电容屏还是电阻屏都共同存在一个缺点，就是尺寸的限制，一般不能超过20寸，这也是制约多点触控技术发展的一个重要原因。

在大尺寸多点触控技术方面，国外有一个组织，名字叫自然用户界面小组（Natural User Interttace Group），创建于2007年，他们以互动媒体探索以及开源机器遥感技术为中心，开发受益于艺术、商业、教育等相关应用。

希望能够为在搭建低成本、高分辨率、开源式的多点触摸设备感兴趣的人提供一个多点触摸技术的信息资源中心。

随着全国多点触控爱好者加入到这个项目的研究中，这个平台不断发展壮大，多点触摸技术带来了许多惊人的开创，国内外几乎所有多点触控公司的技术都是来源于这个开源平台。

目前在国内，大屏多点触控技术刚刚起步，无论是硬件上还是软件上都处于初级阶段。

由于技术方面的开源化和硬件实现方式相对简单，很多公司都尝试着开始了多点设备的制作。

但是大多数公司只提供硬件设备，或者只提供一些简单的软件应用，如图片放大、缩小浏览、在线地图等，由于技术和需求方面的原因，还没有形成多点触控系统化的开发。

触控软件的开发设计比硬件技术更为重要、更为复杂，不仅在软件功能上要创新，还要在软件的开发与多种硬件技术的融合处理上多动脑筋。

例如我们给触控屏接上相应的电路以及软件，那么它就可以控制整栋大楼的电路、灯光等设备。

嵌入摄像头红外扫描等设备，就可以
实现人员识别，打卡，门禁，呼叫通话等功能，嵌入一个电视信号的接受模块配合相应的点播软件，就可以实现电视的点播功能。

所以硬件实现多点触控仅仅只是一个开始，它有着无限的扩展空间，软件和其他相关技术的开发决定着它的作用。

在未来它必将广泛应用于生活、工作、商业、军事、科技、等各个领域。

2 研制必要性
多点触控以它简单高效的人机交互方式，普遍应用于整个手机等数码电子设备的领域，影响着人们的生活方式。

智能化交互、多模态（多通道）-多媒体交互、虚拟交互以及人机协同交互等以人为在中心的人机交互技术是未来人机交互发展的方向。

交互是人与机器和环境作用关系状况的一种描述。

界面是人与机器和环境发生交互关系的具体表达形式。

交互是实现信息传达的情境刻画，而界面是实现交互的手段。

在交互设计子系统中，交互是内容和灵魂，界面是形式和肉体。

然而在大的产品设计系统中，交互和界面都只是解决人机关系的一种手段，而不是最终目的，其最终目的是解决和满足人的需求。

在大规模的使用电脑以前，基本上所有的产品，都是有形的，看一下，就知道该怎么使用。

比如，看到方向盘，你知道这个东西应该是可以转的，然后，你就尝试着转了一下方向盘，结果正好和你想象的一样，车开始往你希望的方向转向了，这是一个很自然，很直观的过程。

而自从有了电脑和软件以后，软件工程师开发了很多软件，然后拿给用户使用，结果，用户拿到软件之后，完全不知所措，因为这
个东西没有具体的形态，而且也无法想象它具体的运行方式和原理。

所以我们要提出交互设计的概念提出来了，目的就是为了让软件的使用更加简单人性化。

交互设计的目的就是要让软件或者产品正好是用户所想的那样，用户操作了一个按钮，就真的得到了他想要的东西，而且，软件的思维方式正好和他的思维方式一样，这样，就不会出现这样那样莫名其妙的错误。

目前，我们操作电脑，或者说与电脑进行沟通，还需要借助各种工具和设备，比如鼠标和键盘，而这些，并不是一定要存在的，或者说鼠标键盘的操作模式只是一个过渡期的暂时性替代产品。

随着时代科技的发展，肯定要有一个更为人性化的人机交互方式来替代。

3 用途
3.1展览展示
依托最新多点触控科技，将大型多媒体、综合集成与特效演示等技术，通过互动、参与、感受、体验等手段，应用到展示中去，用于展示公布各个单位的工作、生活、娱乐等信息。

适用于各类图片文字、产品、成果等信息的展览展示，如各个单位的媒体信息橱窗、公告栏、动态板报等，也可用于公共场所的大型会展，广告牌或者应用于各单位史馆建设等等。

3.2新闻媒体
为各个单位提供一个及时、全面、丰富的新闻资讯等信息。

以电视点播、网页、电子报纸等形式发布国际新闻、国内新闻、军事新闻、科技新闻、体育新闻、社会新闻等等。

通过丰富的新闻资讯及时了解
国内外重大新闻动向科技人文等信息。

3.3综合型媒体信息发布系统
可作为一个多媒体互动信息发布系统，下设于各单位大厅，为他们提供一个及时、全面、丰富的新闻资讯和政治、工作、文化、生活娱乐等信息的互动展示平台以及全新的文化氛围，提供灵活高效的数字媒体信息服务。

3.3.1在政治方面：用于宣传、展示党和国家的最新动态、领导讲话、重大会议活动精神及图片视频信息。

3.3.2在工作方面：展示工作状态和改进工作效率，如现阶段各个单位的工作情况及活动信息、优秀单位及优秀个人、文章发表等等。

3.3.3在文化生活方面：建立各个单位的图片档案库，单位最新活动照片及时更新，整合出访类多媒体，形成全球多媒体资料库，地图数据查询、各类杂志浏览、在线电视等等。

3.5 触控软件开发和现有软件升级
我所很多科研成果都与计算机有着很大的关系，这些成果在电脑的显示器上无论是操作还是演示都有着诸多不便，如果能进行改进和升级，使其能够在显示更直观、操作更简便的多点触控环境下运行，对于我所得科研成果和思路又是一大进步和拓展。

另外还可以开发出新的多点触控软件。

如做一套可以多人同时作业的军事标图及地理信息系统，解决我们现在所用的军事标图软件操作复杂，无法做到战术意图的互动、不能多人同时标图等问题。

4 特点
4.1 简单易用性
多点触控操作打破以往鼠标键盘输入方式，在屏幕用户界面上，使用便捷高效的UI设计，界面简洁、操作简单，使用者仅需用手指所需要的内容即完成交互过程，论是首长参观还是不懂电脑的人员使用，都不会产生面对键盘时的困惑、恐惧心理，也不会象鼠标或轨迹球一样难以控制。

应用触摸屏的计算机系统一般都具有良好且友善的交互界面，用户在使用之前不需要经过培训即可操作自如。

4.2 灵活性
触摸屏不像利用数字接口的按钮或键盘一样，它完全由软件进行各项设置，通过强大的手势识别功能，然后即可实现交互输入。

凭借系统提供的菜单，用户可以输入并获得大量的信息。

4.3 经济性
由于基于光学的多点触控屏，在制作材料上相对简单，不需要另开模生产配件，大部分配件都可以在市场上购买到，所以如果自己制作的话成本要会比较低。

5 技术特点
多点触控的硬件实现方式有很多种,不同的组成实现方式有着不同的特点,举例比如说,现在的iphone手机用的是电容屏,它的触控方式是用手指肚来操作,对压力(坚硬的物体)无法识别,诺基亚先前的手机采用的是电阻屏, 它的触控方式是用指甲或者坚硬的物体来触控,对手指肚肉部分无法识别,和iphone正好相反。

另外还有一些触控技
术如声波器、动作捕捉器、定位器、压力感应条等。

不同的技术实现方式，有着不同的应用途径和优缺点，如iphone 用的电容屏和诺基亚先前用的电阻屏仅限于小尺寸使用，如手机，mp3，导航仪等，如果尺寸做大的话会产生点的漂移、无法识别触控点等。

目前支持大尺寸和多点触控的硬件搭建方案主要分以下五种
●受抑全内反射多点触摸技术（FTIR）
●背面散射光多点触摸技术（Rear-DI）
●激光平面多点触摸技术（LLP）
●发光二极管平面多点触摸技术（LED-LP）
●散射平面多点触摸技术（DSI）
基于光学原理的多点触摸技术
这五项技术都是基于光学原理的多点触摸技术，基于光学原理的多点触摸技术搭建的设备体积相对较大，但它的可拓展性较强、成本较低以及容易搭建。

目前受抑全内反射多点触摸技术（FTIR）和激光平面多点触摸技术（LLP）应用最为广泛，而且技术相对成熟稳定。

每个基于光学原理的多点触摸技术都包含光学感应器（通常为摄像头或摄像机）、红外光源以及通过投影仪或者显示面板显示的屏幕。

这个五种搭建方案都包含这三种设备，因为搭建方法的不同所以各有各的优缺点图（5-1）。

图（5-1）
6 基于激光平面多点触摸技术(LLP)的系统组成及原理
6.1多点触控互动信息系统组成有三个部分，硬件部分、底层软件部分、和用户端软件部分组成。

多点触控互动信息系统
硬件部分底层软件部分用户端软件部分
6.1.1硬件部分是整套系统的物理组成部分,是通过人的肢体（手，手指等）直接操作的数字化界面。

主要的作用是感知到有物体接触到
该多点触摸设备。

6.1.2底层软件部分的作用是触点追踪。

他的作用是获取摄影机
拍摄到的包含特定对象的一系列视频帧，并进行分析运算,区别出每个触点，然后转换为电相关的信息（位置，ID，区域等）,当一个触点被发现，消失或者移动的时候，这些触点相关的信息（位置，ID，区域等）都会以事件的形式发送出去，开发者就可以利用这些信息区监听这些触点开发出应用程序。

6.1.3用户端应用软件部分主要完成接收软件底层部分发来的相关触点信息，然后开发者就可以利用这些信息开发出相应的应用程序。

6.2系统物理组成
大功率一字激光发射器4-6个
背投式透明触摸屏幕1块
红外线摄影机4个
相应波段的红外带通滤镜4个
短焦距高清投影仪1台
短焦镜头1个
电源1个
电脑1台
反光镜1块
6.3工作流程
首先在触摸屏的四个角分别放置4个激光发射器，使其发射出来的红外光线铺满整个屏幕从而形成一个均匀的红外面，当手指触摸屏幕的时候，光线便被反射，从而被红外线摄影机可以扑捉到（图1-1），
手指的尖部会作为一个红外点显示出来，然后通过底层软件对红外点的定位（图1-2），便可实现多点触控。

图1-1
图1-2
系统工作流程图
6.4工作原理
激光平面多点触摸技术（LLP）是利用光学的原理实现的多点触摸，首先需要一块背投式漫反射屏幕，这个屏幕有几个特点，一是，透光率高且背投可清晰成像，二是，最大程度的过滤背景，意思就是，当我们把五个手指放到屏幕上后，下面摄像机要得到的图像是五个手指指头肚部分的图像，而其他的包扩手臂、人、背景等等信息都要最大程度的过滤掉，因为我们要得到的仅仅是手指和屏幕接触点的图像，所以其他的图像都是没有用途的。

我们需要4个一字型扇面激光发射器，因为一个激光发射器所发
射的光束不能铺满整个屏幕，这样的话就会产生盲区（图2-1）,还有一点就是如果使用一个摄像头的话，距离发射器进的那个触摸点会挡住光线的发射，造成另一个触摸点无法识别（图2-2）。

图2-1
图2-2
激光发射的光束人肉眼是看不到的，但是红外线摄影机可以扑捉到。

因为激光光束平铺在玻璃上方，当有物体接触到屏幕时，光线会被发射，从而被下面的红外摄像机扑捉到（图2-3）。

图2-3
红外摄像机所拍摄到的图像序列帧，交给底层软件来处理
底层软件部分的作用是触点追踪，获取摄影机拍摄到的包含特定对象的一系列视频帧，并进行分析运算,区别出每个触点，然后转换为电相关的信息（位置，ID，区域等），当一个触点被发现、消失或者移动的时候，这些触点相关的信息（位置，ID，区域等）都会以事件的形式发送出去，
然后开发者就可以利用这些信息开发出相应的应用程序供客户实用。

7 激光平面多点触摸技术（LLP）技术指标
７.1整体指标
屏幕尺寸： 32", 42", 46", 52", 65", 100", 150", 200"（可按需求进行定制）
整机厚度：≤1m
表面材质：钢化玻璃投影幕
支持触摸点： 32点
响应时间： 7ms - 12ms
刷新率：60fps
图像比例：4：3或16：9
分辨率：1024*768或 1920*1080
亮度：2000-5500流明
可视角度(水平/垂直)：178/178
功耗：200-500W
待机功耗：2-30W
开关电源：AC 100 - 240 V~ (+/- 10 %) 60 Hz；
运行温度：5-40°C (41°-104°F)；
湿度：10~80%；
重量：约31kg
接口：USB2.0 （Full Speed）
支持开发工具：Flash、WPF、C++、C#、Java等；
支持操作系统：Windows 2000, XP, Vista, Windows 7 7.２大功率一字激光发射器
光束类型：扇面
发射角度：≥90º
波长：980nm 850nm
功率：200mw 50mw
工作电压：DC5-12V
工作温度：-10º-50º
7.３红外摄影机
接口：USB 2.0
电源：5V（最大）500mA
外观尺寸：约84×67×57mm
重量：约173g
Operation Temperature：5oC～35oC
影像像素数（最大）：640×480像素
影像每秒格数：640×480像素时60fps；320×240像素时120fps
镜头：F值/F2.1固定焦点
摄影距离：25cm～∞（使用广角模式時）
摄影范围：标准模式（56°）～广角模式（75°）
声音输出：四声道指向性麦克风。