基于光學(xué)感應(yīng)的大尺寸多點觸摸控制技術(shù)

　引言

　　與傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤的輸入方式相比，多點觸摸技術(shù)是一種更加自然和諧的人機交互方式。這種技術(shù)最突出的特點是用戶可以不借助任何外部設(shè)備直接在顯示屏幕上進行操作，是一種真正的所見即所得的非常自然的人機交互方式，多個用戶可以同時與計算機進行交互，而且各個用戶之間并不相互影響，系統(tǒng)甚至還可以識別用戶的觸摸姿態(tài)和手勢。然而，在傳統(tǒng)的基于觸摸屏的觸摸控制解決方案中，大多都只是考慮用手指取代鼠標(biāo)的作用，即一般只考慮單點觸控的應(yīng)用情況。另一方面，無論是目前常見的電阻式還是電容式觸摸屏方案，大都應(yīng)用于面積較小的屏幕或者觸摸板上，對于40寸以上大尺寸觸摸控制設(shè)備上就鮮見傳統(tǒng)觸摸屏的應(yīng)用了，這其中不乏制作成本和制作工藝上的考慮。

　　多點觸摸基本原理

　　傳統(tǒng)觸摸屏的本質(zhì)是傳感器，它由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成，常見的傳感器包括電阻式和電容式觸摸屏。而基于光學(xué)感應(yīng)的多點觸摸系統(tǒng)是用戶通過觸摸投影屏幕表面，影響光學(xué)感應(yīng)成像設(shè)備的輸入結(jié)果，成像設(shè)備將成像結(jié)果輸入軟件系統(tǒng)進行處理，一般經(jīng)過3個步驟，首先是對原始輸入圖像進行包括矯正、濾波等預(yù)處理，然后通過光斑跟蹤引擎對觸點進行跟蹤，并將其解釋為各種輸入狀態(tài)，最后將輸入位置、狀態(tài)等信息發(fā)送給上層應(yīng)用程序。應(yīng)用程序處理結(jié)果最終被投射到顯示屏幕表面上，從而與用戶產(chǎn)生真正的所見即所得的交互效果。其實現(xiàn)框架如圖1所示。

　　根據(jù)不同的光學(xué)感應(yīng)原理，目前常見的多點觸摸實現(xiàn)方式包括FTIR(受抑全內(nèi)反射)、DI、LLP等技術(shù)。

　基于FTIR的多點觸摸實現(xiàn)原理如圖2所示。

　　紅外LED(IR LED)發(fā)射紅外線進入諸如亞克力板(Acrylic)，當(dāng)亞克力面板的厚度大于8mm時，光線會發(fā)生在亞克力內(nèi)不停反射，產(chǎn)生全內(nèi)反射現(xiàn)象，當(dāng)手指(或者其他材質(zhì)如硅膠等有一定韌性和反射性的材料)碰到亞克力表面時，全內(nèi)反射被破壞，光線被手指反射出來，此時，亞克力下方的紅外攝像頭(IR Camera)捕捉到手指反射的光斑，攝像頭捕捉到的光斑會送到計算機進行處理，最終形成輸入點。

　　這種技術(shù)的優(yōu)缺點如表1所示。DI方式原理比較簡單，通過IR光源照射投影屏幕，形成均勻的照射效果，當(dāng)有手指觸摸屏幕表面時，IR光線會被反射，從而在成像設(shè)備上形成光斑。基于DI技術(shù)的多點觸摸實現(xiàn)如圖3所示。

　　DI技術(shù)的優(yōu)缺點如表2所示。LLP技術(shù)的基本原理是通過紅外激光發(fā)射裝置在投影屏幕表面上方形成一層紅外激光表面，當(dāng)手指觸摸到屏幕上時，激光被散射到成像設(shè)備上從而形成光斑?；贚LP技術(shù)的多點觸摸實現(xiàn)原理如圖4所示。

　LLP技術(shù)同樣也有明顯的優(yōu)缺點，如表3所示。

　　系統(tǒng)實現(xiàn)硬件構(gòu)成

　　目前的多點觸摸硬件常見實現(xiàn)方法都有各自的優(yōu)缺點，特別是對于大尺寸多點觸摸控制系統(tǒng)而言更是明顯。我們的應(yīng)用目標(biāo)是要在一臺70寸的高清LCOS背投電視上實現(xiàn)多點觸摸控制效果，受到電視機本身結(jié)構(gòu)和背投屏幕材質(zhì)的光學(xué)特性的限制，無論是直接使用FTIR技術(shù)、DI技術(shù)還是LLP技術(shù)都不能取得理想的光學(xué)感應(yīng)效果。

鑒于此，我們使用了一種特殊的LLP的方式來進行硬件設(shè)置，即通過具備主動發(fā)射紅外光的觸筆來模擬手指的直接觸摸過程。具體來說：通過觸筆在背投屏幕上的觸壓發(fā)射紅外光信號，光信號穿透背投屏幕后經(jīng)過背投內(nèi)部的大反射鏡作鏡面反射;鏡頭板接收鏡面反射的光信號，再傳遞給計算機;觸筆產(chǎn)生的信號會在屏幕上形成一個大的光斑，系統(tǒng)采用逐行掃描的方式對信號進行采樣(30幀/秒)，取光斑的最亮值，并記錄該點在CMOS上成像的坐標(biāo);計算機對感應(yīng)到的光信號進行處理，形成一套坐標(biāo)系統(tǒng)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過特定的數(shù)據(jù)格式傳遞給上層應(yīng)用程序;從而達(dá)到跟蹤觸筆的運動，模擬出多點觸摸的效果。圖5展現(xiàn)了實際起作用的光路示意圖。

　　多點應(yīng)用軟件框架

　　我們實現(xiàn)的多點觸摸控制上層應(yīng)用是基于Touchlib構(gòu)建的，Touchlib是一個開源的用于創(chuàng)建多點觸摸交互界面的庫，它能夠處理紅外線光斑跟蹤，并向上層應(yīng)用程序發(fā)送諸如按下、移動、釋放等事件，使用該庫的多點觸摸應(yīng)用基本框架如圖6所示。

　　目前，Touchlib庫使用TUIO協(xié)議(Table-Top User Interfaces Objects)發(fā)送事件，這使得Touchlib可以勝任于包括Adobe Flash在內(nèi)的任何支持此協(xié)議的應(yīng)用程序。TUIO是一套簡單且通用的，特別為滿足可感知桌面用戶界面需要所設(shè)計的協(xié)議。因為TUIO協(xié)議本身是基于 OSC(OpenSound Control)的，所以TUIO協(xié)議可以看做是OSC數(shù)據(jù)的一種標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)，可以用于所有支持該協(xié)議的設(shè)備上。

　TUIO協(xié)議定義了兩類主要的消息，即set消息和alive消息。其中，set消息用于目標(biāo)對象特定狀態(tài)，如位置、姿態(tài)或其他任何可以識別狀態(tài)的通訊;alive消息則用于通過系列的sessionID來標(biāo)識當(dāng)前目標(biāo)對象。TUIO使用下面的格式來進行數(shù)據(jù)通訊：

　　/tuio/[profileName] set sessionID [parameterList]

　　/tuio/[profileName] alive [list of active sessionIDs]

　　/tuio/[profileName] fseq int32

　　其中的profileName代表定義好的常用可感知用戶界面配置，該配置定義了set消息中目標(biāo)對象的狀態(tài)數(shù)據(jù)格式，比如常用的2D Profile：

　　/tuio/2Dobj set s i x y a X Y A m r

　　/tuio/2Dcur set s x y X Y m

　　為了更好地展現(xiàn)多點觸控的視覺效果，我們在上層應(yīng)用中選擇了基于Flash的實現(xiàn)方式。需要指出的是，TUIO原生是通過UDP進行數(shù)據(jù)傳送的，而Flash本身只能通過TCP鏈接接收數(shù)據(jù)，因此還必需通過Flosc網(wǎng)關(guān)將OSC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為為Flash可以讀取的XMLSocket數(shù)據(jù)。上述流程如圖7所示。

　　通過轉(zhuǎn)換，上層的Flash應(yīng)用程序就可以接收Touchlib發(fā)送的觸點位置、編號、觸控事件等各種數(shù)據(jù)，進而做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，從而與用戶產(chǎn)生多點觸摸控制交互。綜合上文描述的硬件設(shè)置，我們以一臺70寸LCOS高清背投電視為基礎(chǔ)，基于光學(xué)感應(yīng)開發(fā)出一套使用主動紅外觸摸筆交互的多點觸摸控制應(yīng)用系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用于某風(fēng)景區(qū)電子交互導(dǎo)覽的實際應(yīng)用中，為大尺寸多點觸摸控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。