.jpg)
В середине 2000-х г. компьютерный журнал, в котором я работал, поручил мне протестировать и описать специфический графический планшет фирмы Vacom. Планшетами (от англ. tablet — таблетка) тогда называли совсем другие устройства, чем сейчас: плоские манипуляторы, в принципе отличающиеся от тачпада ноутбука лишь размерами и автономностью – они подключались к компьютеру через внешний порт. Некоторые оригиналы использовали их вместо мыши, но в основном планшеты позиционировались как «продвинутые» инструменты, предназначенные для рисования на экране, вследствие чего они получили распространение среди дизайнеров.
Поскольку моя статья была заказана пиар-отделом, я умолчал в ней о своей полной несовместимости с этими устройствами. У меня начинали закипать мозги при попытке провести хотя бы относительно прямую линию, глядя не на пальцы, а на экран, находящийся совсем в другом месте. Несмотря на то, что планшеты Vacom и по сию пору есть в продаже, я уверен, что далеко не все смогут с ними работать — потребуется длительное и терпеливое обучение. Мышь, безусловно, «тупее» графических планшетов, но освоить ее неизмеримо проще.
С тех пор Vacom выпустила целый класс продуктов, лишенных отмеченного недостатка. Это перьевые дисплеи, представляющие собой те же графические планшеты, но объединенные с обычным экраном. Правда, цена их довольно высока: монитор-планшет Wacom Cintiq 22HD с диагональю 22 дюйма продается более чем за 100 тыс. руб. При нынешней распространенности сенсорных дисплеев это может показаться странным, но простое объяснение такому положению вещей будет дано в конце статьи.
Понятно, что требование специального пера вряд ли применимо к мобильным устройствам, да и такое суперразрешение, как в планшетах Vacom (более 5000 линий на дюйм), также им без надобности. Еще меньшая точность позиционирования нужна для экранов платежных терминалов или справочных электронных киосков, зато их разработчикам приходится учитывать особые пожелания, относящиеся к надежности и вандалоустойчивости. И потому сенсорные дисплеи делаются для разных областей применения по совершенно разным технологиям, что выделяет данное направление развития Hi-tech среди других, в которых в каждый исторический момент обычно доминируют одна-две разновидности.
Здесь будут рассмотрены эти технологии с учетом того, насколько они удовлетворяют запросам потребителей. Даже многие продавцы-консультанты в магазинах путаются в том, на каких принципах основана работа разных типов сенсорных дисплеев, приписывая одним типам свойства других. А ведь знание особенностей сенсорных экранов помогает при выборе устройства. Так, вас не удивит, почему ваша электронная книга произвольно переключает страницы от присевшей на экран любопытной мухи, тогда как сослуживец со своим «айпадом» о такой проблеме и не слышал.
В одной статье трудно привести исчерпывающий перечень технологий. Самыми распространенными физическими принципами, на которых работают сенсорные дисплеи, являются резистивный, емкостной, оптический, акустический и индуктивный (электромагнитно-резонансный). Помимо того что каждый из перечисленных типов может иметь много разновидностей, радикально различающихся потребительскими свойствами и конструкцией, есть еще совсем редко используемые тензометрические, оптические дисперсионные или пиксел-сенсорные панели, которые заслуживают упоминания хотя бы из остроумных идей, положенных в их основу.
Разумеется, здесь не будут обсуждаться все эти разновидности, а будут представлены лишь наиболее актуальные с практической тички зрения – те, с которыми можно столкнуться в обычной жизни. По традиции обзор начнется с рассмотрения самой простой и дешевой технологии, до сих пор остающейся одной из самых распространенных, – резистивной.
Резистивные экраны
Сенсорный экран, функционирующий на резистивном принципе, изобрел в 1971 г. доктор Самюэль Херст из Университета штата Кентукки. В 1974 г. основанная им фирма Elographics (ныне — Elo TouchSystems) разработала прозрачный резистивный сенсор, а в 1982 г. представила на всемирной ярмарке в Ноксвилле, штат Теннесси, первый телевизор с сенсорным экраном.
Резистивные экраны бывают четырех-, пяти-, шести-, семи- и восьмипроводные. С точки зрения рассмотрения принципов работы интерес представляют четырех- и пятипроводные, остальные же являются лишь непринципиальными усовершенствованиями одного из этих двух типов.
.jpg) |
| Рис. 1 |
Рассмотрим устройство простейшего четырехпроводного резистивного экрана (рис. 1). Он состоит из двух прозрачных пластин, расположенных поверх обычного ЖК-экрана на небольшом расстоянии друг от друга и покрытых слоем, обеспечивающим сопротивление постоянному току. По краям пластин размещены электроды: на задней — вертикальные Э1 и Э2, на передней — горизонтальные Э3 и Э4. Контроллер попеременно подает на электроды задней и передней пластины напряжение питания и потенциал «земли», измеряя при этом потенциал электродов второй пластины, в тот момент обесточенной.
Если на переднюю пластину, сделанную из гибкого материала, нажать любым предметом (на рис. 1 условно представлена рука), то она соприкоснется с задней, в результате чего резистивные части пластин образуют два делителя напряжения. При подаче напряжения питания и потенциала «земли» на электроды передней пластины потенциал задней будет равен напряжению в точке касания для передней пластины (делитель R3/R4), которое пропорционально вертикальному положению точки касания. И наоборот, при подаче напряжения питания и потенциала «земли» на электроды задней пластины потенциал передней будет равен напряжению на делителе R1/R2, т.е. пропорционален горизонтальному положению точки касания. Измерив оба напряжения, микроконтроллер выдаст положение точки касания относительно краев экрана. Четырехпроводная схема очень проста с точки зрения измерений: ее ничего не стоило воспроизвести даже примитивными средствами 1970-х гг., когда приличный аналого-цифровой преобразователь мог стоить несколько тысяч долларов. Поэтому в течение определенного времени сенсорные экраны такого типа доминировали.
Недостаток диспля, представленного на рис. 1, заключается в том, что при повреждениях резистивного слоя (что на гибкой поверхности случалось сплошь и рядом) он выходит из строя. Этого минуса лишены пятипроводные экраны. У них передняя пластина покрыта не резистивным слоем, а полностью проводящим. Она представляет собой один большой электрод для съема сигнала, а четыре питающих электрода размещены по углам задней пластины с обычным резистивным слоем. Если попеременно подавать на эти четыре электрода напряжение питания и «земли», то можно определить положение точки касания. Именно такая схема, дожившая до наших дней, занимает большую часть рынка сенсорных экранов, предназначенных для недорогих смартфонов или плееров. Достоинства резистивной технологии заключаются в том, что экран на ее основе нечувствителен к поверхностным загрязнениям и простота обеспечения тактильной обратной связи, недостаток – невысокая прозрачность пластин с проводящими слоями (не более 75-85%) и боязнь низких температур из-за уменьшения эластичности передней пластины.
Как следует из описанного принципа работы, характерный признак резистивного экрана – то, что он реагирует именно на нажатие (а не просто касание), причем любым подходящим предметом – пальцем, зубочисткой, специальным пластиковым стилусом и т. д. На резистивном экране крайне сложно реализовать распознавание нажатия одновременно в нескольких точках (мультитача), потому они постепенно вытесняются емкостными, имеющими существенно иные свойства.
Емкостные экраны
Вопреки растиражированному мнению (вероятно, благодарить за это следует соответствующую статью в «Википедии»), емкостной принцип работы сенсорных дисплеев был изобретен существенно раньше появления достижений доктора Херста. Непосредственным предшественником емкостных дисплеев, вероятно, следует считать RAND Tablet – сенсорный планшет для SAGE (системы полуавтоматического наведения на цель). Весьма совершенная даже для нашего времени конструкция планшета (правда, реализованная на примитивной элементной базе тех времен), которая была создана сотрудниками корпорации RAND Малкольмом Дэвисом и Томасом Эллисом в 1963 г., широко применялась в военных разработках. Несколько экземпляров планшетов RAND были переданы университетам, что стимулировало гражданские разработки тачскринов. В 1968 г. некто Джонсон (E. A. Johnson) из исследовательского подразделения английских войск связи в
Малверне опубликовал описание первого емкостного дисплея, который работал на принципе, близком к современному, и был предназначен для систем воздушного управления движением.
Устройство простейшего емкостного экрана схематически показано на рис. 2. На четыре угла экрана, покрытого, как и в предыдущем случае, резистивным слоем, подается переменное напряжение (~U — на схеме). Если прикоснуться пальцем к этому слою, переменный ток начнет течь от всех четырех углов через емкость человека на «землю» 1 . Измерив четыре составляющие I1 − I4 общего тока IΣ, можно вычислить координаты точки касания.
.jpg) |
| Рис. 2 |
В таком емкостном экране, прежде всего, отсутствует гибкая панель, которая служит основной причиной выхода из строя резистивных экранов. Емкостные экраны, допускающие сотни миллионов нажатий, прозрачнее двуслойных резистивных (до 90%). Простые емкостные панели могут работать при небольших отрицательных температурах, но так же, как и резистивные, не допускают мультач. Кроме того, из-за наличия открытого электропроводного слоя они боятся механических повреждений, влаги и других проводящих ток загрязнений экрана.
От большинства этих недостатков помогает избавиться проекционно-емкостная технология (рис. 3). В проекционно-емкостном сенсорном экране под прозрачным изолирующим стеклом (оно может быть закаленным толщиной до 10--12 мм) размещена сетка изолированных электродов, на которые по очереди подается переменное напряжение либо потенциал «земли». В исходном положении емкость между электродами мала, так что утечка тока незначительна. Если поднести палец, то емкость человеческого тела добавляется к емкости электродов, и можно будет определить точку касания, найдя точку пересечения проводников, где сила тока максимальна. Графики, расположенные справа и внизу, иллюстрируют распределение емкости по длине и ширине устройства при касании.
.jpg) |
| Рис. 3 |
Проекционно-емкостные экраны нечувствительны к загрязнениям и прозрачнее других. Они могут работать при температурах до --40 о С. На них легко реализуются мультач и распознавание жестов. Такое решение сложнее и дороже обычного, но в последнее время под емкостной технологией почти всегда понимают именно проекционно-емкостную. Она применена в экранах iPhone и iPad, их главного конкурента Samsung Galaxy и других смартфонов и планшетов, в тачпадах ноутбуков, банкоматов, платежных терминалов и электронных справочных киосков. В общем, можно без преувеличения утверждать, что проекционно-емкостная технология используется повсюду, постепенно вытесняя резистивную даже в недорогих устройствах.
Особенность проекционно-емкостного типа экранов – их нечувствительность практически ни к чему, кроме человеческого пальца 2 Они реагируют на касание, нажимать на поверхность не требуется, однако к просто поднесенному пальцу, без прикосновения, останутся нечувствительны. Впрочем, подобные дисплеи могут реагировать на палец в перчатке (в отличие от обычных емкостных), но любым другим предметом (кроме редко употребляемого стилуса специальной конструкции) на такой экран нажимать бесполезно 3 . С одной стороны, это хорошо – меньше ложных срабатываний. С другой – такое свойство проекционно-емкостных экранов привело к необходимости пересмотра принципов построения интерфейсов мобильных ОС. Стоит заметить, что именно доминирующая технология сенсорных экранов привела в итоге к появлению Windows 8 с ее плитками. Ведь ни один привычный элемент оконного интерфейса GUI без капитальной переработки не годится для 3-дюймового экрана, управляемого пальцем.
Оптические экраны
В подавляющем большинстве случаев под оптическим дисплеем подразумевается выполненный по инфракрасной технологии. Здесь заложен следующий принцип: сетка лучей, сформированная светодиодами, размещенными по двум сторонам экрана, прерывается посторонним предметом, например рукой (рис. 4). Определив прерванные лучи с помощью фотоприемников, размещенных по двум другим сторонам экрана, можно найти точку касания. Когда-то относительно редкая сетка лучей ограничивала разрешающую способность — для снижения стоимости и энергопотребления шаг размещения оптопар делают не меньше 2--4 мм. Но потом научились интерполировать показания датчиков, что позволило повысить разрешающую способность. Поэтому теперь точности современных инфракрасных экранов хватает почти для всех применений, кроме разве что дизайнерских нужд.
.jpg) |
| Рис. 4 |
Отличить инфракрасный сенсорный экран от практически любого другого можно по чувствительности. Он будет реагировать на любой предмет, даже на тот, что находится на некотором расстоянии от поверхности. Инфракрасная технология имеет два главных достоинства: во-первых, она легко масштабируется на любые размеры, во-вторых, не взаимодействует с экраном, расположенным под рамкой с датчиками, вследствие чего не влияет на светоотдачу. На ней легко реализуются мультитач и жесты. Благодаря этим свойствам инфракрасных панелей им отдают предпочтение изготовители оборудования для проведения презентаций. Кроме того, инфракрасные рамки можно производить отдельно от экранов в виде накладных сенсорных панелей, которые подходят для настенных дисплеев любого типа, в том числе даже проекционных. И потому их выпускают довольно много компаний по всему миру (подробности см., например, на сайте TouchGames.ru). Такие панели будут реагировать на любой предмет, в частности на привычную учительскую указку, вследствие чего их часто устанавливают в школах.
Что же касается карманных устройств, то инфракрасную технологию, благодаря ее свойству не снижать и без того невысокую контрастность электронной бумаги, широко используют производители электронных книг. Например, она применена в хорошо известной у нас модели Amazon Kindle Touch и в специально оринтированных на российский рынок Sony PRS-T1 и Sony PRS-T2. Именно про них я упоминал в начале статьи, как реагирующих на каждую пролетающую муху: высокая чувствительность в сочетании с безразличием к материалу указателя здесь превращаются из достоинства в недостаток. Так, мой PRS-T1 требует крайне осторожного обращения: его нельзя задеть рукавом, потянувшись к телефону, или оставить летом на дачной веранде без присмотра. Даже в течение 3 мин до автоматического «засыпания» неизбежные насекомые, садящиеся на экран, обязательно успеют привести к непредсказуемым переключениям.
Обзор оптических сенсорных экранов будет неполным, если оставить в стороне их разновидности, не используемые в портативных устройствах, зато хорошо известные в других областях. Прежде всего, это широко разрекламированный интерактивный стол Microsoft PixelSense, ранее известный как Microsoft Surface. Использованная в нем технология не получила короткого названия, и обычно ее называют просто «оптической». Нечто подобное пытались продвигать в середине 2000-х г. другие компании, к примеру, Smart Technologies и NextWindow. Но это было рассчитано на быстро исчезнувший рынок проекционных телевизоров, и, кажется, только PixelSense получил известность как законченный продукт.
Сенсорный дисплей Microsoft PixelSense (рис. 5), наверное, самый коструктивно сложный из всех аналогичных устройств. Внутренняя поверхность стола, сама по себе являющаяся ЖК-экраном, подсвечивается инфракрасным источником света, а пять видеокамер, размещенных по всей площади внутри, ловят отражения. Отдельный компьютер анализирует картинку, распознает точки касания (причем до 50 точек одновременно), а в случае использования указок со специальными метками – даже желаемую операцию. Все устройство с 40-дюймовым экраном предназначено для применения в информационно-справочных системах и для проведения презентаций. Мое личное и ни к чему не обязывающее мнение, заключается в том, что это устройство быстро скончается, не получив ни широкого распространения, ни развития, – к этому приведут высокая цена (вторая модификация — от 7600 долл.) и излишняя навороченность.
.jpg) |
| Рис. 5. Изображение с сайта Microsoft.com |
Индуктивная (электромагнитно-резонансная) технология
Индуктивные сенсорные экраны, о которых речь шла в начале статьи в связи с планшетами Vacom, устроены довольно сложным образом и, следовательно, дороги в производстве. Под ЖК-экраном размещается панель, снабженная плоскими катушками индуктивности, размещенными на отдельной печатной плате. Катушки, питающиеся от источника переменного напряжения, формируют на поверхности экрана электромагнитное поле. В специальном пере находится настроенный в резонанс контур (упрощенный вариант – просто ферромагнитный сердечник). Когда перо подносится к экрану, этот контур (или сердечник) искажает электромагнитное поле, изменяя индуктивности расположенных под дисплеем печатных катушек. Причем чем ближе перо к катушке, тем значительнее изменение ее индуктивности, что позволяет распознавать силу нажатия. В свежих версиях технологии, разработанных Wacom, перо различает 2048 градаций силы нажатия и дополнительно распознает угол своего наклона, изменяя характер рисуемой линии. Другие технологии такие возможности сейчас практически не реализуют. Противоположный конец пера обычно выполняет функции ластика. Компания Wacom добавила в технологии Intuos5 к функциям стилуса обычный пальцевый мультитач, благодаря чему управлять дисплеем стало удобнее.
Все устройств фирмы Wacom обладают двумя существенными преимуществами перед другими подобными девайсами. Их поверхности, чувствительные к нажатию или перемещению, во-первых, обеспечивают исключительно точное позиционирование с разрешением 0,005 мм (5080 линий на дюйм или 200 на миллиметр), во-вторых, в традиционном исполнении они не чувствительны ни к чему, кроме специального пера. На такой дисплей можно поставить локти или опереться рукой, не испортив ничего из сделанного. Технология, разработанная Wacom, как никакая другая, приспособлена для рисования.
Необходимость иметь для таких устройств специальное перо здесь не имеет особого значения, ибо они обычно никуда не путешествуют. Гораздо более существенным их недостатком представляется плохая масштабируемость при увеличении размеров, из-за чего экраны производства Wacom стоят так дорого. Например, цена 24-дюймовой модели Cintiq 24HD touch приближается к 200 тыс. руб. Следует отметить, что драйверы Wacom входят во все распространенные ОС и позволяют органично использовать планшеты линеек Intuos и Cintiq при установке популярных графических и CAD-пакетов производства компаний Adobe, Corel, Autodesk и др.
Но из-за столь специфического предназначения вкупе с дороговизной графические планшеты в повседневной практике почти не встречаются. Впрочем, Wacom и другие производители выпускают и планшеты для домашних пользователей, но они малопопулярны. В середине 2000 г. даже предрекалось полное вытеснение индуктивной технологии в нишу «продвинутых» дизайнерских бюро. Однако производители электронных книг своевременно вспомнили о том, что индуктивные экраны так же, как и инфракрасные, не влияют на светопропускание поверхности. Так что если покопаться в многочисленных продуктах компании PocketBook, легко обнаружить среди них две модели с сенсорным экраном, использующим индуктивную технологию, – PocketBook Pro 603 и PocketBook Pro 612.
Не вызывает сомнений, что индуктивный сенсорный экран куда приятнее в повседневном обиходе, чем требующий особого обращения инфракрасный, вот только необходимость иметь специальное перо для мобильного устройства оборачивается существенным неудобством. Кроме того, наличие такого дисплея заметно повышает цену. Модель PocketBook Pro 602, практически идентичная модели 612, но лишенная сенсорного дисплея, стоит в среднем почти на 2000 руб. дешевле. Ее цена примерно такая же, как у PocketBook Touch, которая не имеет Bluetooth, но выполнена с применением обычной для планшетов емкостной сенсорной технологии. Как и ожидалось, в Touch, по отзывам пользователей, все-таки заметно ухудшилась контрастность по сравнении с обеспечиваемой другими устройствами с аналогичными экранами E-Ink Pearl.
Сравнивая между собой рассмотренные здесь технологии, можно прийти к тривиальному выводу, что идеальных сенсорных экранов не существует. Потому при выборе устройства вам нужно учитывать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться и какие его свойства для вас важнее: высокая чувствительность и реакция на любой предмет или защищенность от ложных срабатываний.
1 Обычный гальванический ток, проходя через тела человека и преодолевая его сопротивление, также может течь одновременно с емкостным, но его наличие необязательно и полагаться на него нельзя. Обутый человек на сухом полу неплохо изолирован от
«земли».
2 Иногда встретчаются утверждения, что проекционно-емкостные экраны реагируют на проводящий предмет, зажатый в пальцах. Однако все мои попытки расшевелить iPad с помощью таких предметов, как канцелярские скрепки и обрезки медного провода, закончились неудачей.
3 При использовании технологии Super Sensitive Touch компании Synaptics чувствительность емкостного экрана повышена, так что он будет реагировать на касания ногтями и предметами наподобие ключей. К примеру, эта технология используется в новейших смартфонах Nokia 920/820. Однако неясно, насколько такая высокая чувствительность полезна на практике. Так, компании Nokia даже пришлось развеивать опасения, что подобный телефон способен самостоятельно выходить из заблокированного состояния.