中心議題：
- 電容感測的物理原理
- 手指位置的偵測和判別方法
- 雙指捏放手勢與螢幕縮放之間的設計技術
多點觸控已是當今觸控技術開發者最熱衷的研究課題。看似簡單的觸控動作，其實背后隱藏著錯綜復雜的運作過程，包括將觸控動作轉成數位訊號，并推算觸碰位置，然后和主控端進行通訊并執行解譯等步驟，每一個設計環節都將影響最終效能的呈現。
本文將對追蹤觸碰動作進行全面的闡述，從電容感測的物理原理，一直到螢幕的最終動作。包括介紹系統如何偵測到手指的位置，以及判讀手指位置的各種方法，并介紹手機的軟體堆疊，說明應用程式的設計方法，最后再揭露雙指捏放手勢與螢幕縮放之間的設計內幕。
電容感測的物理原理及手指位置判別
大部分的智慧型手機觸控螢幕都能對手指電容產生反應，觸控螢幕內有許多排列整齊的感測器，會偵測出因手指移動所導致的電容變化。當你的手指觸碰到螢幕時，就會影響這些感測器的自容（Self-capacitance），以及彼此之間的互容（Mutual Capacitance）。大多數智慧型手機都是感測互容而不是自容。由于互容是反映一對感測器之間的互動關系，因此可用來收集有關螢幕上每個位置的資訊（X×Y個感測點）；自容則僅能用來偵測每個感測器的反應（X+Y個樣本），而不是每個點。
電容感測含有數個層：頂層是玻璃或塑膠材質，接者依序是一個光學透明膠（OCA）層、觸控感測器及平面液晶顯示器（LCD）。觸控感測器是由許多感測元件所排列而成的網格，尺寸通常為5毫米×5毫米。
這些感測器采用氧化銦錫（ITO）制成。 ITO具有許多特別的屬性，為制作觸控螢幕的絕佳材質：超過90%透明度并具有導電性。有些設計采用鉆石狀圖紋，不會和LCD的紋線重疊，視覺觀感較佳，其他則采用較簡單的「直條與橫條」圖案設計。如果在充分的光照下，以正確的角度觀察你的裝置，并關閉液晶螢幕，就能看到ITO感測器的線紋。
圖1 互容基本原理
基本上，感測互容的原理（圖1）和感測自容完全不同。感測自容通常是量測含有感測器的電阻-電容（RC）電路之時間常數；感測互容的程序則包括量測X軸與Y軸感測器之間的互動。系統會感測經過每個X軸與Y軸的訊號，借此偵測感測器之間的耦合值（圖2）。耐人尋味的是，手指的觸碰動作會降低互容耦合值，但手指觸碰動作卻會增加自容的值。
圖2 互容偵測反應
不論是哪一種方法，光量測電容是不夠的，系統必須回應的是電容的變化，而不是個別的電容值。系統會對每個感測器設定一個基準值，這個基準值是經過長時間溫度與其他因素變化后求出的訊號長期平均值，讓系統允許訊號在各種狀況下產生些微的波動。在建構觸控螢幕系統時面臨其中一項挑戰，就是建立適當的基準值。例如，當手指觸碰到螢幕，系統必須能適當地啟動。當沾水的手指或手掌碰到螢幕時，系統也必須能啟動。
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當感測到的電容減去基準值時，就得到一個訊號值陣列，代表圖3所示的手指觸碰狀況。有許多種方法可根據這項資訊來判斷手指的位置，其中最簡單的方法是計算質心--質量中心（Centriod），計算出一維或二維軸向感測數值的加權平均值。運用一維質心計算法，根據上述例子的X軸數據，可算出（5×1+15×2+25×3+10×4）/（5+15+25+10）=150/55= 2.73。接著以液晶螢幕的解析度為標準，將這個位置值適當地縮放，以便和螢幕重疊。若ITO感測器的圖案超出液晶螢幕的邊緣，則必須進行一些轉換計算。
圖3 由個別的電容值判定手指位置
接觸范圍的邊緣，讓手指位置的問題變得更復雜。舉上述的陣列為例，若面板的邊緣處碰到這些線條區，采用上述的簡單質心推算法，當左側下移時，右側就會開始被「上拉」。為解決這個問題，必須用特別的邊緣處理技巧來檢查剩下訊號的形狀，再推測手指沒有接觸到螢幕表面的部分。
CPU/USB助陣 觸控感測功能升級
當一個有效的觸碰訊號出現，且觸碰動作的X/Y軸座標被偵測到之后，主控端中央處理器（CPU）就可以得到要處理的資料。嵌入式觸控螢幕元件會透過I2C介面或串列周邊介面（SPI）來進行通訊。較大尺寸的觸控螢幕通常會采用通用序列匯流排（USB）介面，因為包括Windows、Mac OS以及Linux等作業系統，都有內建USB介面的人機介面裝置（HID）支援功能。
雖然采用多個不同的介面，作業系統的驅動程式到最后做的事卻大致類似，以Android的驅動程式為例，由于Android與MeeGo都以Linux為開發基礎，因此這三種作業系統都使用類似的驅動程式。
觸控螢幕驅動程式的岔斷觸發器是一個岔斷服務函式（Interrupt Service Routine， ISR），負責作業執行緒的排程。 ISR中并沒有執行任何作業來維護岔斷的延遲以及避免優先權倒置。當作業系統呼叫作業執行緒，會啟動一個通訊交易，從裝置讀取資料，然后切換至睡眠模式。當通訊交易完成后，主控端驅動程式就得到自己要處理的資料。
主控端驅動程式會把裝置制造商采用的資料格式，轉換成標準格式。在Linux環境中，驅動程式會透過一連串的次函式（Subroutine）呼叫來復制事件區域，接著再透過一個最終呼叫來傳送事件資料。例如，要建立一個單一觸碰Linux輸入事件，整段程式可寫成：
input_report_abs（ts->input， ABS_X， t->st_x1）; // Set X location
input_report_abs（ts->input， ABS_Y， t->st_y1）; // Set Y location
input_report_abs（ts->input， ABS_PRESSURE， t->st_z1）; // Set Pressure
input_report_key（ts->input， BTN_TOUCH， CY_TCH）; // Finger is pressed
input_report_abs（ts->input， ABS_TOOL_WIDTH， t->tool_width）;// Set width
input_sync（ts->input）;// Send event
提升觸控效能 Android不可或缺
這個觸控事件之后交給作業系統來處理，如Android會把事件的歷史資料儲存在手勢處理緩沖區，然后把事件傳遞給View這個類別。有多款觸控螢幕元件，如賽普拉斯（Cypress）TrueTouch產品已經支援硬體手勢處理功能（圖4）。硬體手勢處理功能可紓解主控端作業系統的負荷，分擔手勢處理的工作，還能依照不同情況免去處理所有觸控資料的負擔，一直到看到手勢為止。
圖4 手勢觸控類型
舉例來說，若你正開發相片瀏覽器，主控端不必處理數十或數百個觸控事件的封包，就能讓使用者翻閱下一張相片，直到使用者實際翻閱下一張相片之前，不會出現任何岔斷。
感測/回應Android View/Widget至關重要
Android的View類別會判斷觸控事件發生時系統正執行哪些應用，在螢幕上顯示的每個應用，都有至少一個View類別。這個類別中含有許多方法負責處理使用者的輸入，其中包括OnTouchListener，負責處理從輸入驅動器收到的資訊，以及MotionEvent中的額外資訊。
如果你曾寫過Windows環境下能接收滑鼠事件的程式，就會驚訝地發現滑鼠事件與觸控介面之間的差異。 MotionEvent這個類別內含許多方法，包括WM_LBUTTONDOWN常見到的方法，例如GetX與GetY，以及處理觸控的位置還有手指停留在面板上的時間。
當應用看到事件后，就會對觸控動作做出回應，這種回應通常是由微程式（Widget）來執行，而不是由應用程式來負責。 Android的Widget內含一些簡單項目，像是按鈕等，還有包括許多復雜的介面，像是資料挑選器（Data Picker），以及附有取消鈕的進度顯示條視窗。
應用程式也可直接處理與回應觸控動作。繪圖程式可選擇混用兩種方法，在繪圖區使用直接觸控輸入功能，并搭配Widget負責處理選單與按鈕的操作功能。
Windows /Android手勢辨認各擅勝場
Windows Touch處理功能與Android之間的一項差別，就是解譯手勢。 Android提供為數眾多的手勢創作工具，但沒有提供任何內建的手勢定義。每個設計者都可自由創作自己的手勢，包括像手寫辨識等復雜的手勢。這種方法催生出許多應用，像是字符辨識的搜尋功能，但意謂在兩個不同的Android平臺上，同樣的手勢動作啟動的是不一樣的功能。
至于Windows則提供一組固定且眾所周知的手勢，并支援作業系統層級應用，包括GID_PAN、GID_ZOOM、GID_ROTATE、GID_PRESSANDTAP及GID_TWOFINGERTAP。這些手勢動作在任何程式都啟動相同的動作，這點讓使用者能快速學會使用新程式。兩種方法都各自有其優點。
觸控設計邁向未來的過程中會遇到技術層面的挑戰，還得應付許多層面之間的互動問題。從選擇材料、制造到電子，都是觸控感測必須面臨的議題。當系統把觸控動作轉成數位訊號后，還必須推算其位置和主控端進行通訊以及執行解譯等步驟。如今這些問題都已被克服，軟體研發業者必須在這些基礎上開發令人驚艷的應用。
