簡述單點觸摸,點觸摸,多點觸摸的關系與區別

多點觸摸技術就是指允許用戶同時通過多個手指來控制圖形界面的一種技術，能構成一個觸摸屏（屏幕，桌面，墻壁等）或觸控板，同時接受來自屏幕上多個點進行計算機的人機交互操作。與多點觸摸技術相對應的當然就是單點觸摸，單點觸摸設備已經有很多的年頭了，最早起源于20世紀70年代，小尺寸的有觸摸式手機，大尺寸最常見的就是銀行里的ATM機和排隊查詢機。

而蘋果公司在iPhone上采用感應電容式觸摸屏，讓用戶與設備的互動不在局限于一根手指，為互動觸摸用戶界面革命做出了不可估量的貢獻。很多人以為多點觸摸僅限于放大縮小功能。其實，放大縮小只是多點觸摸的實際應用樣例之一。有了多點觸摸技術，怎么應用就可以通過無限想象來無限擴展。程序員可以把多點觸摸應用到很多方面，從一定程度上改變或者創新出更多的操作方式來。

就電子產品，特別是消費類產品而言，如何將用戶復雜的控制動作轉變為直觀、便捷且可生產的體驗，是用戶界面設計面臨的終極挑戰。用戶界面設計一方面要考慮到用戶視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺等五種感官的需求，另一方面還要考慮到用戶需求對器件或系統的影響。目前市場上推出的大部分產品雖然有效，但主要都是將用戶的視覺和觸覺分開來處理。從計算機鍵盤、手機鍵盤、MP3播放器、家用電器甚至電視遙控器等上面的簡單按鈕或按鍵，到音量調節滑條、滾輪和跟蹤板等上面更高級的單擊和滾動特性，輸出位置（也就是用戶的輸入或操控動作的結果）與用戶的輸入位置是截然不同的。而這種視覺和觸覺的一致性正是觸摸屏的基本優勢所在。讓視覺和觸覺完全達到一致說起來簡單，但做起來則不啻為一場意義深遠的技術突破，其將徹底改變用戶與電子產品互動的方式，因此有人將此稱為用戶界面的革命。

簡述單點觸摸、點觸摸、多點觸摸的關系與區別

單點觸摸屏

觸摸屏的功能發展由簡及繁，最初的產品只支持最簡單的操控，就是一個手指觸摸屏幕上的一點來實現操控。比如我們每天在附件超市的POS終端機，或者在機場的check-in終端上進行的操作。以前，我們只能通過屏幕周邊的機械按鈕進行操控，單點觸摸屏在此基礎上實現了用戶界面方面的一大進步。當然，機械和新型電容式觸摸感應按鈕在我們的家庭、辦公室及其他地方無所不在：手機、固定電話、遙控器、電視、電腦及其各種外設、游戲機、電冰箱、微波爐、烤箱，以及無線電和空調等車內電子控制設備等等?，F在，如下列圖所示的單點觸摸屏在顯示屏上直接集成了用戶控制界面，因此再也不需要傳統的機械按鈕了。

這種屏幕為用戶界面帶來兩大好處：一是設備設計空間得到優化，特別有利于小型設備，因其能在同一區域內同時“安裝”屏幕和按鈕；二是由于按鈕能綁定于操作系統中的任意應用，所以設備使用的“按鈕”可以達到無限多個。

上述功能主要建立在電阻式觸摸屏技術基礎之上，在消費電子產品、機場報刊亭、食品雜貨店POS終端和車載GPS系統等各種應用中都得到了廣泛推廣。

點觸摸屏

盡管單點觸摸屏和電阻式觸摸屏技術很令人吃驚并頗具革命意義，但其還是有兩大缺點，一是電阻式技術依賴于觸摸屏的物理運動，盡管影響不大，但經過正常的磨損老化后，性能就會下降；二是這種技術只支持單點觸摸，也就是一次只能用一個手指在屏幕的某個區域做單一動作。

為什么用戶與設備的互動只能局限于一根手指呢？蘋果公司為用戶界面革命做出了不可估量的貢獻，其推出的iPhone采用了感應電容式觸摸屏。即使在智能電話等小型化設備中，要想充分發揮應用和操作系統的功能，也需要多個手指才能實現最佳的可用性。因為有了蘋果公司，用戶現在已經很難設想過去是怎么在不支持兩個手指的手勢動作的情況下，完成諸如下列圖所示的照片縮放，以及相冊、網頁視圖的方位改變等相關操作的。

其他技術革新者正在多種設備系統上繼續沿用這種多點觸摸技術，其中包括GoogleG-1和BlackberryStorm智能電話、MacBookPro和惠普touchsmart臺式機和筆記本電腦、便攜式媒體播放器以及其他多種應用等。

多點觸摸屏

與單點觸摸屏一樣，識別手指方向的多點觸摸屏也有一個局限，就是該技術能在屏幕上同時識別的操作點數量有限。為什么一次只能識別兩個操作點呢？用戶的兩只手有十個手指，當用戶之間彼此互動時，屏幕上會出現更多的手指。這就是識別手指位置的多點觸摸概念的由來，它可以實現兩個手指以上的操控。

Cypress將此技術稱為“多點觸控全區輸入”，它進一步提升了觸摸屏可靠的可用性，能滿足多種特性豐富的應用需求?？煽啃允侵肝覀兡芤宰罡吡６葴蚀_捕獲到屏幕上所有觸點的原始數據，盡可能減少屏幕觸點定位不準帶來的混亂問題的能力?？捎眯允侵副姸喙δ軓姶蟮膽每稍诓煌笮〉钠聊簧鲜芤嬗陔p手或兩個手指以上的屏幕操控的能力。3D互動游戲、鍵盤輸入和地圖操作等都是使用這種觸摸屏功能的一些主要對象。

從根本上來講，多點觸控全區輸入技術為設備和系統OEM廠商提供了唾手可得的所有觸摸數據，幫助他們發揮創造性，以開發下一代新型實用的技術。

賽普拉斯半導體公司推出的TrueTouch觸摸屏解決方案就是多點觸控全區輸入的一個應用實例。TrueTouch采用了賽普拉斯PSoC可編程片上系統架構，該架構集成了帶有可編程模擬和數字塊的8位微控制器?？蓪崿F無與倫比的靈活性和可配置性。TrueTouch解決方案的感應式電容觸摸屏控制器能擴展支持各種尺寸的屏幕，可靈活支持單點觸摸、識別手指方向的多點觸摸和識別手指位置的多點觸摸技術。TrueTouch可高度集成外部元件，而且特別適合與各種觸摸屏感應器或LCD顯示屏協同工作。靈活的PSoC架構使設計人員能夠在產品設計的最后階段方便地進行修改，而這是其他觸摸屏產品無法做到的。

多點觸控（Multi-Touch）屏幕技術發展歷史

多點觸控技術始于1982年由多倫多大學發明的感應食指指壓的多點觸控屏幕。同年貝爾實驗室發表了首份探討觸控技術的學術文獻。

1984年，貝爾實驗室研制出一種能夠以多于一只手控制改變畫面的觸屏。同時上述于多倫多大學的一組開發人員終止了相關硬件技術的研發，把研發方向轉移至軟件及界面上，期望能接續貝爾實驗室的研發工作。

1991年此項技控取得重大突破，研制出一種名為數碼桌面的觸屏技術，?容許使用者同時以多個指頭觸控及拉動觸屏內的影像。

1999年，“約翰埃利亞斯”和“魯尼韋斯特曼”生產了的多點觸控產品包括iGesture板和多點觸控鍵盤。經過多年維持專利的iGesture板和多點觸控鍵盤。

2006年，Siggraph大會上，紐約大學的Jefferson Y Han教授向眾人演示最新成果，其領導研發的新型觸摸屏可由雙手同時操作,并且支持多人同時操作。利用該技術，Jefferson Y Han在36英寸×27英寸大小的屏幕上，同時利用多只手指(拇指似乎還無法感應到)，在屏幕上畫出了好幾根線條。與普通的觸摸屏技術所不同的是，它同時可以有多個觸摸熱點得到響應，而且響應時間非常短——小于0.1秒。

多點觸摸的基本原理

傳統觸摸屏的本質是傳感器，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。而基于光學感應的多點觸摸系統是用戶通過觸摸投影屏幕表面，影響光學感應成像設備的輸入結果，成像設備將成像結果輸入軟件系統進行處理，一般經過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，最后將輸入位置、狀態等信息發送給上層應用程序。應用程序處理結果最終被投射到顯示屏幕表面上，從而與用戶產生真正的所見即所得的交互效果。根據不同的光學感應原理，目前常見的多點觸摸實現方式包括FTIR(受抑全內反射)、DI、LLP等技術。

多點觸摸的技術特點

1、?多點觸摸是在同一顯示界面上的多點或多用戶的交互操作模式，摒棄了鍵盤、鼠標的單點操作方式。

2、用戶可通過雙手進行單點觸摸，也可以以單擊、雙擊、平移、按壓、滾動以及旋轉等不同手勢觸摸屏幕，實現隨心所欲地操控，從而更好更全面地了解對象的相關特征（文字、錄像、圖片、衛片、三維模擬等信息）。

3、可根據客戶需求，訂制相應的觸摸板，觸摸軟件以及多媒體系統；可以與專業圖形軟件配合使用。

多點觸摸的技術解析

識別手勢方向

我們現在看到最多的是?Multi-Touch Gesture,即兩個手指觸摸時，可以識別到這兩個手指的運動方向。但還不能判斷出具體位置?？梢赃M行縮放、平移、旋轉等操作。這種多點觸摸的實現方式比較簡單，軸坐標方式即可實現。把?ITO?分為?X,Y?軸，可以感應到兩個觸摸操作，但是感應到觸摸和探測到觸摸的具體位置是兩個概念。XY?軸方式的觸摸屏可以探測到第?2?個觸摸，但是無法了解第二個觸摸的確切位置。單一觸摸在每個軸上產生一個單一的最大值，從而斷定觸摸的位置，如果有第二個手指觸摸屏面，在每個軸上就會有兩個最大值。這兩個最大值可以由兩組不同的觸摸來產生，于是系統就無法準確判斷了。有的系統引入時序來進行判斷，假設兩個手指不是同時放上去的，但是，總有同時觸碰的情況，這時，系統就無法猜測了，我們可以把并不是真正觸摸的點叫做"鬼點。

識別手指位置

Multi-Touch All-Point?是近期比較流行的話題。其可以識別到觸摸點的具體位置。即沒有"鬼?點"的現象。多點觸摸識別位置可以應用于任何觸摸手勢的檢測，,可以檢測到雙手十個手指的同時觸摸，也允許其他非手指觸摸形式，比如手掌、臉、拳頭等，甚至戴手套也可以。它是最人性化的人機接口方式，很適合多手同時操作的應用，比如游戲控制。Multi-Touch All-Point?的掃描方式是每行和每列交叉點都需單獨掃描檢測，掃描次數是行數和列數的乘積。例如，,一個?10?根行線，15?根列線所構成的觸摸屏，使用Multi-Touch Gesture?的軸坐標方式，需要掃描的次數為?25?次，而多點觸摸識別位置方式則需要?150?次。

Multi-Touch All-Point?基于互電容的檢測方式,而不是自電容，自電容檢測的是每個感應單元的電容(也就是寄生電容?Cp)的變化，有手指存在時寄生電容會增加，從而判斷有觸摸存在，而互電容是檢測行列交叉處的互電容(也就是耦合電容?Cm)的變化，當行列交叉通過時，行列之間會產生互電容(包括:行列感應單元之間的邊緣電容，行列交叉重疊處產生的耦合電容)，有手指存在時互電容會減小，就可以判斷觸摸存在,并且準確判斷每一個觸摸點位置。

多點觸控技術種類

基于傳感器的Multi-Touch系統

許多Multi-Touch裝置基于傳感器技術，這些傳感器能同時檢測到多個接觸點，從而識別多個點的輸入。和基于計算機視覺的Multi-Touch系統相比，基于傳感器的Multi-Touch系統一般不能從現成的組件來組裝，搭建的成本較高。而且環境溫度、濕度的會影響到系統的性能。但是由于可以把傳感器集成在接觸表面上，可用于手機、Pads等屏幕較小的手持設備上。

1985年提出的FMTSID(Fast Multiple-Touch-Sensitive Input Device)多點觸控裝置是最早的基于傳感器的多點觸控裝置之一。該系統由一個傳感器矩陣面板、行列選擇寄存器、A/D轉換器和一個控制CPU組成。通過測量電容的改變，來檢測手指的觸摸點。FMTSID可以精確的檢測多個手指的觸摸位置，而且還可以檢測出手指的接觸壓力。

三菱電子研究實驗室的Dietz等在2001年提出了DiamondTouch（DT），是一個支持多用戶的前置攝像頭的多點觸控系統。桌面是投影的屏幕，同時也是接觸屏。觸屏下面鑲嵌大量的觸角，每一個觸角傳遞一個特定的信號，每一個使用者有獨立的接收器，利用使用者的導電性，通過其座椅將信號傳遞。當使用者接觸面板，在接觸點附近的觸角在使用者的身體和接收器之間傳遞微弱的信號。這種獨特的接觸技術支持單一使用者的多種接觸（例如雙手接觸的動作），還能區別不同使用者之間的同時輸入（多達4個）而互不干擾。該系統還可以檢測接觸點的壓力，支持豐富的手勢，不受外來物體的干擾。和許多的多點觸控技術一樣，DT不能區分來自同一個用戶的多個接觸點是那個手指的。DiamondTouch存在如下的缺點：只能檢測到“touch”動作，而不能識別放在他表面上的物體；DT則從桌子上方投射圖像，因此使用的時候，人的肢體遮擋顯示屏，從而帶來操作上的不變。

根據FMTSID原理，Sony計算機科學實驗室的Rekimoto等在2002年提出具有更高分辨率的SmartSkin多點觸控系統，該系統由網格狀發射器/接收器組成。

SmartSkin可以不僅可以識別多個手的接觸位置和它們的形狀，而且通過電容感應和網格式的天線來計算手和接觸面的距離。和DiamondTouch相比，SmartSkin能夠返回更加豐富的接觸信息（如手指的接觸形狀）。這激發了Cao等人利用手指的接觸形狀來設計新穎的交互方式。

Apple在2007年推出的iPhone手機，是第一個支持多點觸控的移動設備。iPhone使用電容耦合來感應多個觸控點。iPhone能夠實現具有有限維度的多點觸控，允許人們以徒手的方式進行操作，并且可以通過虛擬的鍵盤進行打字，撥電話號碼以及由Krueger最先介紹的“pinching”技術（用一只手的大拇指和食指實現對地圖和照片的縮放操作）。這是鼠標、鍵盤這些傳統的輸入方式所辦不到的，iPhone的這些功能讓人們耳目一新。隨著Apple公布了iPhone SDK，引起了研究人員對于Multi-touch技術在手持設備中的應用研究的極大興趣。

基于計算機視覺的Multi-Touch系統

由于計算機成本的下降和性能的提高，計算機視覺技術得到了很大的進步，這使我們能夠實時、高速處理視頻信號，這足以滿足實時交互和人機交互的要求。由此研究人員提出了許多以計算機視覺為核心的Multi-Touch系統。

完全基于計算機視覺的多點觸控系統

完全基于計算機視覺的多點觸控系統僅使用圖像處理技術來識別接觸點及其接觸的位置。采用該技術的多點觸控系統可以在任何平整的表面使用，而不需要專門的顯示設備，具有很高的便攜性。但這種便攜性是以犧牲選擇精度為代價的。

Pinhanez等人設計了一個完全基于計算機視覺的觸摸顯示系統——Everywhere Display[4]。該系統使用一個攝像頭和投影儀通過圖像處理技術把一個普通的屏幕變成可以觸控互動的顯示屏幕。雖然Pinhanez在文章中沒有提供任何接觸檢測算法的選擇精度的數據，但很明顯為了便攜性而犧牲了選擇的精度。比起其它Multi-touch技術來說，Everywhere Display要精確確定手指觸摸顯示屏的時間和時長很困難。

Microsoft的Wilson等提出的PlayAnywhere系統]是一個相對比較緊湊和具有較好的移動性的前置攝像頭的桌面交互系統。Wilson為基于計算機視覺的前置攝像頭桌面交互系統提出了多種圖像處理技術，最顯著的是基于陰影的觸摸檢測算法，該算法能夠準確、可靠地檢測觸摸事件和它們的接觸位置。但Agarwal等指出，該算法只有在手指的指向是垂直的情況下效果才是最好的，這限制了該系統在協作環境下的應用。

Agarwal等人根據立體圖像和機器學習技術開發了計算機視覺算法，該算法改善了基于計算機視覺的多點交互桌面的選擇精度（精確度2~3mm），能夠準確地檢測指尖的觸摸事件，其準確率達到了98.48%，這和以前的技術級相比（之前的選擇精度一般是cm級別的），有了很大的提高。

基于計算機視覺和光學的多點觸控系統

基于計算機視覺和光學的Multi-touch技術搭建起來的設備具有很好的擴展性，而且成本相對較低，但其體積一般都比較大。下面介紹兩種基于計算機視覺和光學的Multi-touch系統。

1、受抑全內反射技術（FTIR）

FTIR（Frustrated TotalInternal Reflection）是一種光學現象，LED(發光二極管)發出的光束從觸摸屏截面照向屏幕的表面后，將產生反射。如果屏幕表層是空氣，當入射光的角度滿足一定條件時，光就會在屏幕表面完全反射。但是如果有個折射率比較高的物質(例如手指)壓住丙烯酸材料面板，屏幕表面全反射的條件就會被打破，部分光束透過表面，投射到手指表面。凹凸不平的手指表面導致光束產生散射(漫反射)，散射光透過觸摸屏被架設在亞克力板面下面的紅外攝像頭讀取，通過對應的軟件（Touchlib）就可以檢測到相應的觸摸信息。Touchlib?是NUI Group為多點觸控系統開發的一套軟件庫，它實現了計算機視覺大部分算法。這種技術使用簡單的Blob檢測算法就能檢測多個觸摸點和接觸的位置。

實際上，FTIR原理很早就被用來生產一些輸入設備，例如指紋閱讀器。Jefferson首次利用FTIR原理搭建了一個低成本的多點觸摸顯示屏，大大降低了Multi-touch技術的研究成本。根據Jefferson的方法，我們搭建了一個60cmx45cm的Multi-touch平臺，總共花費不到500元。

2、散射光照明技術（DI）

DI（DiffusedIllumination）多點觸摸技術指紅外光從底部照射在觸摸屏幕上，將漫反射幕放在觸摸屏幕的上面或者底部，當物體觸摸屏幕的時候會反射比漫反射幕更多的紅外光，然后被攝像頭讀取，通過Touchlib就可以檢測到相應的觸摸信息。用這個漫反射幕也可以用來檢測懸停和在界面上的物體。

DI技術和FTIR相比，有一定的優勢，DI系統可以檢測物體的懸停狀態（系統能識別手或者手指在屏幕上移動或者移近屏幕，而不需要真正觸摸）。另外，基于DI的系統依靠“看”什么在屏幕上，而不是檢測觸摸本身，因此，DI能夠識別和檢測物體和物體的標記。但是，和FTIR中使用的簡單的Blob跟蹤檢測算法相比，DI使用的圖像處理技術比較復雜。此外，DI系統容易受到外界光線的影響。

Microsoft的?Surface?是基于背面DI (Diffuse Illumination)技術的多點觸控系統。Surface內置的攝像頭可以感知觸摸和姿勢等用戶輸入（手指在屏幕上移動），還能夠捕捉識別放在上面的物體所需信息。這些信息發送到普通類型的Windows PC進行處理，處理結果由數字光處理（DLP）投影儀返回給Surface。Microsoft Surface能感應多個手指和手，能識別多種物體和它們在表面上的位置。

還有其他一些基于計算機視覺和光學的Multi-touch系統，例如：Alex?提出的激光平面多點觸摸技術（LLP）；由Nima提出發光二極管平面多點觸摸技術（LED-LP）；由Tim Roth?提出的散射光平面多點觸摸技術（DSI）。這些技術都可以用來搭建Multi-touch設備。

多點觸控的關鍵技術

Multi-touch技術可簡單的分解為兩部：硬件和軟件。硬件完成信息的采集，軟件完成信息的分析判斷，最終轉換成具體的用戶命令。由此可以認為Multi-touch的關鍵技術應包括以下幾個主要的部分：

Multi-touch硬件平臺

如本文前面介紹的硬件平臺，這些平臺各有各的優缺點，了解這些平臺的組成和原理的意義在于如何搭建成本更加低廉、安裝移植更加方便、目標選擇更加精確的交互平臺和研究一些與平臺無關的交互技術。

精度選擇技術

精度選擇技術實際上也就是觸點的檢測跟蹤，如何準確地跟蹤和定位觸點，實現手勢的自由交互有很大的意義。尤其，當目標尺寸很小時，我們的手指如何準確定位到我們想要的目標上，這也是一個值得深入研究的內容。

身份識別技術

現有的Multi-touch技術檢測到的觸點大都不攜帶用戶信息。目前可以識別用戶身份的技術有DiamondTouch（最多可以識別4個用戶）。文獻[30]提出的利用手指指向在FTIR平臺上實現的一種輕量級的用戶身份識別技術。研究識別觸點來自哪個用戶，更進一步，這些觸點來自用戶的那只手，還有就是哪些觸點只對特定的用戶響應等等，這對于大尺寸的交互區上的多用戶協同工作具有重要的應用價值。

雙手交互技術

雙手操作是人在日常生活中最常用操作方式，將這些自然操作應用與人機交互過程可以大大減輕操作者的認知負擔，形成很自然的“意識～動作”，提高交互操作的效率，我們認為將是以后的一個研究重點。

多點觸控技術的應用

多點觸控屬于感應式互動投影系統主要針對新型多媒體內容展示而設計。集合新的創意、新的表現形式、新的媒體平臺，配合普通桌面顯示絢麗的交互畫面，令用戶在觸覺、視覺、聽覺以及人機交互感知方面獲得極大沖擊力。用戶站在背投屏幕的面前，通過手掌點擊和拖動等方式與多媒體內容進行互動。

該系統的開發基于先進的計算機視覺技術和投影顯示技術，將用戶的自然運動與可交互的多媒體內容相結合，創造了一種神奇清新的互動體驗，系統交互所產生的絢麗效果可以有效的吸引目標人群的注意。使用本系統，用戶可以使用雙手或肢體與多媒體內容進行任意的互動，互動過程中，用戶可以收獲感官的新奇刺激，并對所交互的內容留下深刻的印象。

而多點觸控系大屏幕邊緣融合系統包含一組渲染子系統和一組圖像采集子系統。圖像采集子系統的硬件主要包含一個紅外信號感應器，其功能是捕捉觀展者的動作對其進行分析與處理，并將處理結果發送給渲染服務器。渲染子系統主要包含一臺投影儀，其功能是接收圖像采集子系統的處理結果，生成相應的圖像通過投影儀顯示到屏幕上，從而實現最自然的展示效果。所有的圖像采集處理/渲染工作均在工作站上完成。這樣的一來，多點平臺的應用就不在被投影屏幕尺寸規格所限制，擁有更強大的展示方式。

多點觸控技術，能構成一個觸摸屏（屏幕，桌面，墻壁等）或觸控板，都能夠同時接受來自屏幕上多個點的輸入信息。在與傳統的單點觸摸屏技術相比，已經突破了傳統的單一的鼠標左鍵功能，不在是單調的點擊，可以實現多人一起操作，擁有更華麗的操作模式和豐富的素材內容。

編輯：黃飛

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