Управление любым устройством без помощи сторонних манипуляторов является едва ли не самым естественным для человека. Оно и не удивительно — все действия производятся не с помощью всяких посторонних предметов
(мыши или стилуса) и управляемго ими курсора, а непосредственно руками, как будто бы мы нажимаем физические клавиши или листаем настоящие страницы. Мысли о такой технологии можно увидеть в работах Николо Теслы или в романах Жюля Верна. Но только в наши дни это действительно стало возможным. Сегодня тачскрины нашли себе весьма широкое применение, начиная от карманных гаджетов и заканчивая высокоточной медицинской техникой, включая уличные сенсорные киоски и автоматы самообслуживания. Но не все экраны одинаковы. В зависимости от используемых технологий они могут обладать различной степенью защищенности, вандалоустойчивости, долговечности, иметь различные качество картинки, чувствительность, да и со стороны удобства использования имеются некоторые различия. Некоторые экраны реагируют исключительно на точные нажатия определенными предметами (например, стилусами), с остальными можно «общаться» посредством чего угодно: просто пальцами.

Начало начал

Первый сенсорный экран появился в далеком 1972 году в США. У истоков сего технологического новшества стояла компания Elo TouchSystems в лице некоего Сэмюэля Херста, являвшегося идейным вдохновителем разработки. Именно его стараниями в 1971 году появился своеобразный прототип современных тачскринов — элограф, представляющий собой графический планшет, действовавший по четырехпроводному резистивному принципу. Однако
ему пока нельзя было найти толкового практического применения, ведь изобретение было непрозрачным, а значит информация, отображаемая на нем, оставалась слабо читаемой. Тремя годами позже тому же Херсту удалось исправить эту проблему, а еще через некоторое время появилась пятипроводная технология, позволяющая достичь более точного отклика системы.

В тандеме с Siemens компании удалось произвести на свет первое устройство с применением сенсорного дисплея. Им стал телевизор с выпуклым кинескопом, представленный на специализированной выставке в 1982 году. Конечно, можно упомянуть еще и компьютерную систему PLATO IV, появившуюся на десять лет раньше. Но там применялся сенсорный экран, основанный на ИК-технологии, состоящий из сетки в 16х16 блоков. Такое низкое разрешение ограничивало возможности пользователя и предъявляло некоторые требования к интерфейсу — на нем нельзя было разместить много элементов, и они должны были быть достаточно больших размеров, чтобы дисплей правильно функционировал.

Прибор Elograph был, скорее, дигитайзером и исполь зовал так называемый резистивный принцип определе ния координат

На данный момент существует четыре основные типа тачскринов.

Резистивная технология

Исторически первой была резистивная технология. Экран, на ее основе состоит из четырех элементов: стеклянной или акриловой панели, располагающейся снизу и играющей роль каркаса; пластиковой мембраны, слегка прогибающейся под давлением; собственно резистивных покрытий, нанесенных на обе части, и микроизоляторов, заполняющих все пространство и предотвращающих контакт проводящих покрытий в обычном состоянии. Таким образом, при нажатии токопроводящие покрытия мембраны и панели соприкасаются друг с другом, а специальный преобразователь вычисляет координаты прикосновения. В простейшем случае используется 4-проводная схема, которая достаточно проста и дешева. Несколько более надежны, долговечны и точны экраны, построенные по 5-проводной технологии AccuTouch. Преимуществами резистивных экранов является то, что они достаточно дешевы в производстве, хорошо реагируют на любое прикосновение, будь то рука, кредитная карта, стилус или что-нибудь еще. Однако они не лишены и недостатков: у них хуже прозрачность и ниже долговечность, чем у представителей других технологий. Чтобы защитить их от быстрого износа, приходится приобретать специальные защитные пленки, наклеиваемые на поверхность таких экранов.

Принцип действия 4- и 5-проводных резистивных сенсорных экранов

Емкостные экраны

Экраны, изготовленные по емкостной технологии, представляют собой также стеклянную панель, покрытую проводящим материалом. По краям стекла расположены тонкие электроды, равномерно распределяющие низковольтное электрическое поле по проводящему покрытию.

Проекционно-емкостная технология

При прикосновении к экрану образуется емкостная связь между пальцем и экраном, что вызывает импульс тока в точке контакта. Поскольку сила электрического тока из каждого угла экрана пропорциональна расстоянию до точки касания, контроллеру достаточно просто, сравнив эти токи, определить место касания. Такие экраны позволяют распознать даже силу нажатия, ведь чем ближе проводник к панели, тем меньше ее сопротивление, а значит, сила тока больше. Благодаря этому емкостные тачскрины широко используются в графических планшетах и школьных интерактивных досках. Преимущество данных дисплеев их высокая прочность и долговечность — они выдерживают порядка 200 млн нажатий в одну точку. Также они обладают высокой прозрачностью и практически нечувствительны к загрязнениям. К недостаткам относится то, что они реагируют только на нажатия предметами, проводящими ток, или рукой. Но если рука будет в перчатке, ничего не получится.

Дальнейшим развитием этой технологии стала проекционно-емкостная, в которой сетка электродов нанесена на внутреннюю сторону экрана. Электроды вместе с телом человека образуют конденсатор, а электроника измеряет емкость этого конденсатора, подавая импульс тока и измеряя напряжение. Такие экраны достаточно долговечны и вандалоустойчивы, поскольку в них можно применить стекло до 18 мм толщиной. Они распознают прикосновение руки даже в перчатке, но недостатком является сложная электроника, обрабатывающая нажатия, и не очень высокая точность.

Принцип работы экрана с использованием емкостной технологии

Распознавание прикосновения

Процессор и программное обеспечение являются основными элементами, интерпретирующими информацию сенсорного экрана на входе. При этом обрабатываются исходные данные как в виде команд, так и жестов. Вот как это происходит, например, в нашумевшем iPhone.

Последовательность обработки прикосновения к экрану iPhone

После того, как экран зафиксировал прикосновение в виде электрических импульсов, формируется матрица данных в виде пятна. Процессор, используя программу анализа данных, устраняет шум и определяет свойства каждого касания, включая размер, форму пятна контакта, выделяя в ней области с различным давлением и в итоге координаты зоны влияния на экране. В некоторых случаях процессор группирует касания со сходными свойствами в группы. Например, когда палец двигается, процессор вычисляет разницу между точкой начала и конечной точкой касания. При этом процессор использует программу интерпретации жестов, чтобы определить, какое движение вы совершили. Он соединяет ваше физическое движение с информацией о приложении, которым вы воспользовались, а также, что делало это приложение, когда вы дотронулись до экрана. Если данные не совпадают ни с одним
применимым жестом или командой, телефон распознает их как постороннее касание.
Аналогичная технология была использована в телефоне LG Arena , но в нем экран имеет более высокое разрешение (480×800), что позволяет просматривать на нем даже DivX/Xvid Video.

Применение ультразвука

Следующий тип сенсорных экранов использует технологии IntelliTouch поверхностных акустических волн. В трех углах монитора расположен набор пьезоэлек-трических излучателей, на которые подается электрический сигнал частотой 5 МГц. Возникающие ультразвуковые колебания с помощью отражателей, вмонтированных в рамку, распространяются по всей поверхности экрана, а специальные рефлекторы фокусируют ультразвук
и направляют его на приемный датчик, который снова преобразует полученное им акустическое колебание в электрический сигнал. Прикоснновение к экрану  в любой его точке вызывает активное поглощение волн, благодаря чему картина распространения ультразвука по поверхности несколько меняется. Управляющая программа сравнивает принятый от датчиков изменившийся сигнал с хранящейся в памяти компьютера картой экрана, и вычисляет координату касания, причем значение координаты высчитывается для вертикальной и горизонтальной оси независимо. Существенным преимуществом ультразвуковых дисплеев является их высокая прозрачность, достигающая 100 %. Это связано с тем, что здесь отсутствуют какие-то дополнительные покрытия. Кроме того, эти тачскрины, также как и емкостные, способны реагировать на силу нажатия и имеют высокий запас прочности. Недостатков же у таких дисплеев несколько. Не говоря уже о бОльших габаритах, можно отметить, вопервых, плохую реакцию на твердые предметы, которые не поглощают ультразвук. В бытовых условиях это сводится к тому, что воздействовать на них можно только рукой. Вовторых, такой экран сложно герметизировать, потому их применение возможно лишь в закрытых помещениях там, где точность изображения имеет крайне важное значение, например, в медицинских учреждениях. В-третьих, любой посторонний предмет, случайно прилипший к экрану, помешает его работе. Таким образом, подобные экраны требует аккуратности и особого к ним отношения.

Объемный сенсорный экран

Стремление сделать сенсорные экраны в мобильных устройствах более «отзывчивыми» к действиям пользователя привело к появлению в них вибрации и звуковых сигналов. Однако ученые из Университета Карнеги Меллон в Пенсильвании пошли дальше и разработали дисплей, способный делать кнопки на нем объемными. Крис Харрисон и Скотт Хадсон создали сенсорный экран на основе латекса, способный делать кнопки, на нем изображенные, выступающими или, наоборот, утопающими. Их физическая форма определяется потоком воздуха, протекающим под экраном, чья интенсивность и направление регулируется насосом. Созданный прототип представляет собой клавиатуру для банкомата с цифровыми и управляющими кнопками, которые могут быть как выпуклыми, так и вогнутыми.

Инфракрасные волны

Подобно ультразвуковому функционирует и инфракрасный тачскрин. Только излучатели, расположенные по его краям, выпускают не ультразвук, а невидимые человеческому глазу инфракрасные лучи.
Направлены они как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. В результате на поверхности экрана формируется ИК-сетка. Напротив излучателей смонтированы датчики, улавливающие лучи и преобразующие их в электрический сигнал. Когда при касании любым предметом отдельные линии сетки прерываются, контроллер определяет координаты и передает их процессору. Эти экраны также имеют высокую прозрачность и обеспечивают качественное изображение, хорошо реагируют на любые прикасающиеся предметы. Поскольку контакт с поверхностью здесь не является обязательным, то и износостойкость из высока, абсолютно не нужна калибровка, обязательная в других технологиях, проще, а следовательно, и дешевле, контроллер. Однако экраны этого типа не столь компактны, как первые два, очень хрупкие и чувствительны к загрязнениям. Кроме того, у них невысокое разрешение сенсора и иногда могут возникать ложные срабатывания от посторонней засветки. Основные сферы применения — большие экраны, используемые в медицине и военном деле.

Схема работы экрана на основе инфракрасной технологии

Подводя итог, следует сказать, что в сенсорных экранах можно встретить и целый ряд других технологий (матричную, оптическую, тензометрическую и индукционную), но в таких портативных устройствах, как телефоны и КПК доминируют именно резистивная и емкостная, которые постоянно совершенствуются и не перестают нас удивлять своими возможностями. Среди них наиболее нашумевшей является MultiTouch, позволяющая распознавать одновременно несколько прикосновений и движений. Например, в большинстве подобных устройств, раздвигая пальцы, касающиеся экрана, можно увеличить изображение, а сдвигая, наоборот, уменьшить.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЙ СЕНСОРНЫХ ЭКРАНОВ