Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 25-26 от 11 июля 2006 года (645 и 646 номер)
Последний из упомянутых недостатков 4-выводной матрицы (старение и соответствующее изменение сопротивления резистивного слоя верхней плоскости от частых деформаций) оказался весьма критичным, в связи с чем мысль инженеров пошла дальше. В качестве верхнего слоя была применена металлизация с достаточно низким сопротивлением, а все четыре шины, от которых сделаны выводы, переместились на нижнюю поверхность, причем в ее углы. Изменился и порядок коммутации. Теперь для измерения горизонтальной координаты «земля» стала прикладываться к двум левым углам, а калиброванный плюс — к двум правым; для вертикальной — соответственно к нижним и верхним углам. Средней точкой в матрице служит отдельный вывод от металлизированного верхнего слоя, так что матрица стала 5-выводной (5-wire). Стабильность характеристик такого решения значительно выше, чем у предыдущего, а размеры выпускаемых матриц доходят до 17—19 дюймов.
Погрешности измерения, однако, обусловлены не только старением. В процессе измерения по проводникам в шлейфе матрицы течет весьма значительный ток, а сопротивление этих проводников трудно привести к идеальному нулю. В зависимости от точки нажатия ток в проводниках перераспределяется, что вносит существенную нелинейность в показания. Для устранения этого эффекта опорные входы аналоговой части АЦП было решено перенести непосредственно на шины матрицы, исключив проводники шлейфа. Таким образом, появились дополнительные два (для пятивыводной матрицы от двух диагональных углов) или четыре (для четырехвыводной матрицы от всех четырех шин) проводника в шлейфе, не несущие токовой нагрузки, но фактически просто параллельные основным. Эти два варианта получили название соответственно 7-выводной и 8-выводной матриц (7-wire, 8-wire).
Имеются и специфические решения — для тех случаев, когда требуется распознавать два и более одновременных нажатий. Вся площадь сенсора разделяется на участки, каждый из которых представляет собой отдельную матрицу. Впрочем, допустимые зоны одновременного нажатия оказываются привязаны к определенным местам, и применимость таких конструкций, как правило, ограничена единственным графическим интерфейсом.
Аналоговые резистивные матрицы весьма чувствительны к помехам, особенно если учесть, что их основное применение — тачскрины, где они расположены поверх ЖК-дисплея — расстояние-то от шин ЖК-матрицы мизерное. Избавиться от наводок помогает дополнительный слой металлизации между ЖК-дисплеем и тачскрином, подключенный к «массе», однако сделать его с достаточно малым сопротивлением тоже затруднительно — это дополнительная потеря прозрачности. Поэтому сигналы с выводов матриц обычно фильтруют конденсаторами, номинал которых снова являет компромисс между уровнем фильтрации и скоростью реакции матрицы. Среди плюсов резистивных матриц — независимость от предмета, которым производится нажатие, будь то стилус, палец или он же в перчатке.
Второй по распространенности тип датчиков — ёмкостные. Кроме прозрачных накладок на экран они применяются и в непрозрачных устройствах — например, тачпады ноутбуков в большинстве своем построены на их основе. Эти датчики уже не работают от стилуса и не слишком хорошо воспринимают перчатки, но позволяют изготовить сенсор на стеклянной пластине без использования сильно подверженных износу полимерных пленок или закрыть сенсор слоем износостойкого материала. Кроме того, у них значительно выше точность и линейность. Существует несколько вариантов реализации таких датчиков. К примеру, в тачпадах сенсор состоит из двух относительно независимых частей — горизонтальной и вертикальной, расположенных друг под другом. Каждая часть представляет собой линейку размещенных с некоторым шагом шин, на которые подается импульсный сигнал от контроллера (со сдвигом по времени для каждой шины), и «расческу» приемного электрода, с которой снимается аналоговый сигнал. Да, да — именно аналоговый, так как шин гораздо меньше, чем точек, характеризующих разрешающую способность сенсора. Фактически здесь тоже работает аналоговая технология — положение точки касания вычисляется по разности амплитуды отклика в разные моменты времени. Кроме прочего эта технология позволяет распознавать несколько касаний одновременно, хотя на практике это используется не часто. Из недостатков емкостных сенсоров можно отметить плохую масштабируемость (при увеличении размеров требуется изменение количества шин, а значит, и схемотехники контроллера) и опять же необходимость периодической калибровки. Выпускаемые сейчас емкостные датчики достигают размеров 21-дюймового дисплея.
В известных продуктах компании Wacom применяется индуктивная технология, отчасти похожая на предыдущую (быстродействие, однако, повыше — нет перезарядки емкостей шин). Но работать здесь можно только стилусом, причем специальным — с ферритовым сердечником в наконечнике (который значительно увеличивает магнитную связь между шинами, к тому же у этого решения более высокая чувствительность, позволяющая снимать данные, даже не касаясь планшета стилусом). Шин здесь тоже значительно меньше, чем точек разрешения, и положение стилуса тоже вычисляется по амплитудам отклика. Среди других достоинств технологии — возможность подмешивания в снимаемый с приемных шин сигнал некоторых дополнительных данных (аналог кнопок мыши) путем создания резонансных контуров с разными частотами (для чего применяется обмотка на сердечнике и несколько разных емкостей, подключаемых кнопками).
Ультразвуковые тачскрины (в англоязычных документах чаще используется аббревиатура SAW — Surface Accoustic Waves, поверхностные акустические волны) тоже сделаны весьма непросто. Пьезоэлектрический излучатель посылает импульс вдоль кромки стеклянной пластины, где нанесена штриховая насечка под углом 45 градусов, при этом каждый штрих отражает часть энергии волны к противоположной стороне. На противоположной имеется такая же насечка с обратным наклоном, отражающая волну опять же вдоль кромки к приемнику. Единственный импульс излучателя порождает пакет сдвинутых во времени импульсов на приемнике (длина пути прохождения волны для каждой пары штрихов своя). Ровно так же сделано и для второй координаты на той же самой стеклянной пластине. Прикосновение к такому сенсору гасит волны между отдельными парами горизонтальных и вертикальных штрихов, что и обнаруживается контроллером. В данном случае нетрудно обеспечить хорошую прозрачность датчика, так как используется единственная стеклянная пластина без металлизации, но вот уменьшить его толщину, увы, сложно — ультразвуковые волны быстро затухнут. Толстое же стекло поверх дисплея зачастую воспринимается даже хуже, чем просто потеря яркости, в связи с чем ультразвуковые датчики применяются в основном при больших размерах, от 10 до 30 дюймов. В плюсах технологии — не слишком частая необходимость калибровки, так как отражающие штрихи нанесены механическим способом и длина пути прохождения волны постоянна (тем не менее скорость волны и ее затухание зависят от внешних условий, поэтому совсем без калибровки не обходится). В зависимости от назначения датчика контроллер может использовать как дискретный сигнал от каждого отражателя (есть отклик/нет отклика), так и вычислять промежуточные положения точки касания по разнице амплитуд откликов, обеспечивая разрешение, превышающее количество штрихов.
А вот инфракрасные датчики — это чисто дискретная матричная система. В данном случае у тачскрина нет собственной поверхности — сенсор представляет собой «рамку», установленную над поверхностью дисплея. Читатели, видимо, уже догадались — для каждой координаты используется банальная линейка излучателей и соответствующая линейка приемников на другой стороне. Система реагирует на перекрытие лучей, то есть даже не нужно касаться самого экрана. В плюсах системы — отсутствие необходимости калибровки (если только такой сенсор не установлен на ЭЛТ-дисплей, у которого не фиксированы размеры изображения), в минусах — сложность (большое количество выводов), фиксированное разрешение и некоторое увеличение толщины тачскрина за счет наложенной сверху «рамки» с излучателями и приемниками. Инфракрасные сенсоры выпускаются сегодня для дисплеев размером от 10 до 60 дюймов.
Но самый, пожалуй, перспективный способ — непосредственное распознавание объекта, прикасающегося к поверхности (в том числе на фоне спроецированного на нее изображения), в сигнале, снятом видеокамерой. Такие системы гораздо меньше ограничены в размерах и позволяют без особых ухищрений распознавать множественные нажатия без привязки к заранее заданным зонам. Правда, для реализации этого способа нужны приличные вычислительные мощности, но некоторые хитрости позволяют упростить задачу. К примеру, упомянутая несколько раз и на наших страницах виртуальная лазерная клавиатура имеет не самый мощный процессор и распознавать движущиеся объекты не в состоянии, но помогают ориентиры в виде разделяющей «клавиши» лазерной сетки и символов — их исчезновение с положенного места (когда луч перекрывается пальцем) как раз и отслеживается.
