利用人体感官的回馈来提升电容式触控的实用性

人体具有许多惊人的感官。音乐家能听出C 和C#的不同,即使这两种音调实际上只有15Hz的差距。奥运步枪射击选手能察觉到即使只有两千分之一英寸的失准误差。盲人能利用指尖的触觉进行点字阅读,每分钟可以阅读4,000个字,即使点字的凸点只比纸张高出两百分之一英寸,且点和点的距离仅为十分之一英寸。

当我们谈到现今有关人性化接口装置的设计技术,感官是很重要的因素。设备制造商正面对持续的挑战,他们必需满足特定的期望-亦即当按压触摸的瞬间(可能只压低1/4～1/2英寸),脑部会下令减低手指的速度至零,在此情况下,按钮或按键必需要有所动作。

就拿越来越多人使用的平面屏幕来说,像是液晶显示器的应用,通常而言玻璃表面或是塑料防护层的使用日益增加,因此改善触控解决方案的需求越来越明显。错误的感官回馈会造成负面的结果,包括使用困难、不正确的数据通信,最可怕的就是造成人体伤害,例如因为按钮或按键无法响应脑部的期望所造成的重复施力伤害(Repetitive Stress Injury,RSI)。除此之外,移动消费性电子的制造商必须特别考虑其他技术因素,包括减少反应延迟、减少对基频处理器(baseband processor)的依赖,以及降低成本和改善电源消耗。

近年来部件整合的趋势有助于消费性电子朝向电容式触控功能的方向发展,此一发展能符合使用者的特定期望,并迎合业界朝向更低成本、更高效能解决方案发展的趋势。此篇文章将讨论改善触控解决方案的必要性、选择性,以及整合方式能为电容式触控带来的好处。

随着技术不断演进,消费者对于“尖端”的定义也不断改变。仅有机械式按键的移动电话或MP3播放器并非未来趋势,而使用薄型气泡样式的薄膜按键不但触感迟钝,更会产生使用过久会破裂的情况。就现阶段而言,不管是在商业或工业市场区隔皆获得众多青睐的人机接口(HMI),就非触控输入莫属,且无论是具有显示器的装置,例如触控屏幕,或是不具显示器的装置,例如按钮或者是圆形滚轴,触控功能皆备受重用。

薄膜式按键的相关研究为最新世代的触控人机接口技术提供许多极具价值的参考数据,因为这两种技术面临相同的基本挑战:当在平板屏幕上,例如家电或移动电话的LCD,其玻璃表面或塑料防护层上执行触控输入时,并没有任何“管道”会将无效的触控事件响应给使用者。然而对于薄膜式按键的触控感觉回馈,透过薄型气泡样式或其他物理技术增加管道也是不切实际的,因此我们需要新的回馈方式。随着这些触控输入的控制越来越复杂,以及越来越重要的产品功能,触控回馈更形关键,因为它能决定此种全新的输入方法是否能提升使用者经验,或者是会留下坏印象。

各种回馈方式

早期的薄膜式按键结合了触觉回馈,但不久之后便加入其他形式的回馈,例如视觉和听觉。在今日多重感官回馈的方式已是稀松平常;事实上,因为太过细微,所以它们几乎被忽略。虽然不容易被注意到,但是基于许多理由,感官回馈依然是非常重要的,这将在之后的段落中加以说明。

视觉、听觉和触觉是最常被用于产品感官回馈的三种感觉方式,也会被单独或是合并使用。根据应用的不同,可能其中一种方式会是最适合的。就一般而言,使用两种或是全部三种感官会是最有效的。相关研究已经证明感官回馈可以改善使用的精确度,让用户在使用复杂的产品时能更容易且快速,并能让使用者拥有更佳的“情绪”反应批注[1]。

视觉回馈

人类最发达的感官是视觉。因此结合视觉回馈通常能产生令人满意的正面效果。视觉回馈有很多形式, 从按钮被按压时LED灯会亮起的简单方式,到更复杂的呈现,例如手机上电话簿会随着圆形触控滚轴而卷动显示等。高分辨率LCD屏幕加上触控功能的使用,似乎比使用按键和圆形触控滚轴应用的视觉反应来说是有点泛滥了。微软和其他业者已接近未来的技术应用,将会让触控执行更复杂的动作,例如藉由简单的“缩放”触控屏幕显示器上的影像,进行影像大小的更改。

听觉回馈

人类另一项高度发展的感官是听觉。就整体历史来看,听觉一直被做为基本的沟通工具。视觉上的警示总是伴随尖锐的声音,以快速地攫取每个人的注意力,例如使用钟声来告诉全村现在的时间等。再者,人类利用声音来说出语言绝对是沟通的最重要工具。

因此声音是重要的感官刺激回馈方法。在第一台推出的薄膜式键盘中,按压气泡式薄膜(刻意设计或是无心插柳)便会发出点击声,事实证明,这大大强化了人类在按钮按下时空间移动的正面效果。此研究延伸应用于现今的系统,其中一些采用了精密声音生成装置的系统,不只是提供回馈(以及娱乐),更可以模仿其他声音。有时候这仅仅是为了好玩,但是一些例如机械式按钮或是拨打电话号码的特定,则能强化产品的实用性。

触觉回馈

视觉和听觉导向的感官回馈确实非常重要,但是没有一个设计可以忽略触觉回馈的重要性。除了在视觉和声音警示不适用的情况下,例如当手机处在需使用震动的静音模式,触觉回馈还有可以降低重复性压力伤害风险的好处。

触控已被视为扩展产品功能性的一种方式,且藉由时尚和吸引人的工业设计实现产品差异化。由于硬质平面越来越倾向于使用新的触控方式,因此就产品吸引力和重要性而言,有效触控回馈的需求已是日渐增长。

精密的抚触反应机制称为触感(Haptics)。触感的效果在于藉由触摸对使用者提供力量、动作或震动,不只是以基本的震动提供简单的感官回馈,还能增强效果。后者可能是透过震动效果的形塑和时间安排去真实模拟机械式输入,例如按钮和滚轴转动的触摸感觉。

触感回馈的用途远超过单纯的抚触动作确认。根据按键的结果,按钮按压或圆形滚轴滚动也能结合不同的触感回馈效果。例如,正确的响应可以采用一种触觉回馈,错误的响应则采用另一种。触感回馈也能被用以表达其他信息。随着施加在触控按钮上压力总量的不同,转换成第三度空间(Z轴)输入,那么对使用者而言,感官可以代表的意义将更为多元。

一般而言,相较于没有或是可触性较差的产品,较佳的可触性可以提升产品的使用经验及精确度。根据Nokia研究中心在2003年所,针对手机数字输入工作进行触控效果的调查批注[2],采用突出、相距少于1 mm的按键(高可触性),与平面、水平连接、相距仅0.5mm的按键(低可触性),此两者的可触性是不同的。在测试中,当用户无法看到电话(“没有视觉回馈”)时,在较佳的可触条件下,其结果错误率约可好上6倍(请见图1)。即使当用户可看到电话时(“有视觉回馈”),高可触性手机的错误率也几乎可以比低可触性手机低3倍。

触控技术的选择

今日有多种触控技术可供选择。当然,每一种技术都有其优缺点,各有适合的应用。其中最受欢迎的技术包括便携式导航装置触控屏幕所使用的电阻式触控技术、机场或者是博物馆使用的交互式多媒体信息平台和自动提款机使用的表面声波(SAW)或是红外线触控,以及移动电话和便携式多媒体播放器所使用的电容式触控技术等等。

针对大量的消费性应用,电阻式和电容式技术为市场主流。电阻式技术应用于智能型手机和便携式导航装置的触控屏幕显示已有一段时间,不过,对于最近新推出且非常重视差异化及工业设计的产品,例如Apple iPhone及LG巧克力机(LG Chocolate)而言,电容式触控则是它们选择采用的技术。电容式技术之所以受到欢迎的两大理由分别为:实作的弹性及多点触控的功能。

电容式触控输入,像是按键及圆形触控滚轴可以采用多种材料,包括印刷电路板、可绕性印刷电路板及薄膜上ITO或玻璃等。再者即使在传感器数组上覆以不同厚度的玻璃、塑料(透明或不透明),或是其他防护性或装饰性的覆盖层,其触控效能也不会受到影响。这样的特性能提供工业设计极大的发挥空间,可打造产品外型和功能性的差异化,这在充斥众多样选择的终端市场中是很重要的。

多点触控的方式能使其用户接口有者独特与差异化。iPhone在大众市场上推出多点触控手势功能,以常用指令,例如缩放或是切换至下一屏幕或图片的直觉式多点触控手势,取代传统的“下拉式”选单系统。此种由电容式触控技术所实现的革命性用户接口设计,成为iPhone系列自推出以来销售突破2,000万台的主要原因。电容式技术的另一个优点是耐久性。消费性产品被使用的方式不同于实验室中的设备,因此耐久性是很重要的考虑。利用电容式技术,并不会产生电阻式触控会发生的薄膜耗损或损坏的问题。

电容式触控和整合

电容式按键和圆型触控滚轴采用非常简单的架构,然而此架构所测量到的电容值极小,因此很重要的一点是,触控侦测电路必须非常接近传感器本身。结果使电容式触控控制器更倾向于整合多重架构元素,且经优化能提供各种整合型感官回馈选项的多种组合。

虽然“整合”对电子产品来说总是好的,但在某些应用中,仍有些例子是“过度整合”的。有时候,这是因为整合了数十种整合型功能的系统单芯片,过度的整合反而牺牲了效能。其他时候,之所以会“过度整合”只是因为新功能和需求出现得太过快速,芯片业者还无法整合此功能。显而易见的是,重点在于要决定整合哪种功能,以及原因为何,而非在一个单芯片上尽可能整合最多的功能。

当使用电容式触控时,很重要的是要将控制器中的驱动和感应电路放在靠近触控传感器的地方。因为被测量到的电容值相当小,太长的导线或PCB电路可能会导某个点容易受到噪声的影响,于是该点的有效触控可能会因为噪声而无法辨识。因此,若将电容感应整合至基频或应用处理器中,这些部件通常会远离触控感应数组,如此便可能导致不稳定的触控效能。基于此理由,将电容触控控制器独立于这些高度整合的系统单芯片之外是现今最可靠及实际的作法。虽然独立,不过电容式触控控制器并不需要是单一功能的部件,基于感官回馈可以提升触控经验的重要性,将回馈功能整合至触控控制器通常能进一步发挥感应功能,且对系统设计带来明显的好处。

虽然有些感应回馈逻辑和控制功能可藉由基频或应用处理器中的软件加以实现,然而这样的作法只是让这些已经高度使用的处理器徒增无谓负担。根据处理器中断的优先等级,这些回馈功能可能会出现延迟,而由于回馈机制的时序错误,并造成可怕的回馈输入的冲突,将导致不佳的使用者经验。因此将所有的回馈控制功能整合至基频处理器虽是最简单的作法,却不是最好的解决方案。此外,为求强化感应回馈,一些像是灵活的LED亮度选择以及逼真的触感效果、诸如LED驱动器和触感驱动器等外部部件,通常也都是必要的。

多重感官的未来

随着越来越多的人性化接口(HMI)相关研究出现,我们越来越了解多重感官的导入将能显著提升产品的易用度和效率。此回馈不仅能为使用者提供更佳的使用者经验,还能提供大脑必要的信息,以适当地使用这些产品。事实上,若是缺少感官回馈甚至可能造成人体伤害。再者,除了易用及伤害的预防外,感官回馈(特别是触觉回馈)已被证明能提升使用精确度避免错误的输入。

这些研究发现正引起一些有关用户接口的思考,从强调视觉和听觉回馈,触感回馈只是搭配选项的思维,转向另一种想法,亦即在许多应用中,触觉可能是最重要的感官回馈。这样的思考正引出所谓“信封外”解决方式,例如使用触觉去标示特定来电者、通知使用者输入结果的正确与否,或甚至是影响使用者的情绪。触觉对使用者而言是私密的,因为是无声且不会引人注意。一些相关研究便是在探讨如何在非私人环境中使用触觉传递私密及无声的信息。

将触控和感官回馈电路整合为一单芯片,不仅可让主处理器不用负担驱动LED或触感部件等一般性的工作,而且具有明显的成本及生产上的好处。整合型触控控制器可以尽可能被放置在接近触觉传感器数组的地方,而主处理器就可以摆在其他适合的地方,不用受限一定要摆在靠近传感器的位置。再者,此完全整合的触控芯片的功耗极低,且相较于离散解决方案或是采用基频处理器执行控制,整合型触控所需的外部部件少了许多。

毫无疑问地,就在不久的将来,我们将可在消费性和商业及工业产品上,看见触控和使用者回馈领域的明显改变及增长。

批注:

1. MacLean, Karon, Designing with Haptic Feedback, Proceedings of the IEEE Robotics and Automation, 2000.

2. Silfverberg, Miika, Using Mobile Keypads with Limited Visual Feedback: Implications to Handheld and Wearable Devices, Mobile HCI 2003, LNCS 2795: 76-90.

作者介绍

Eric Itakura为IDT 触控技术产品资深营销经理,并在半导体领域拥有超过十五年的工作经验。

Eric的第一份工作是在AMD担任闪存产品工程师。在经历数次与网络相关的初创工作后,Eric回到半导体领域,先后在AMD及Sipex Corporation负责技术营销及业务开发的工作,期间专注于光储存应用所需的光传感模拟IC。2005年,Eric加入Leadis Technology担任业务开发总监,随后加入IDT于2009年收购的Touch Technology事业群。

Eric拥有美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的学士学位,以及圣塔克拉拉大学的企业管理硕士学位。