利用触觉回馈设计改善触控面板输入体验
2010-12-18 11:40:02
来源：《半导体器件应用》2009年03月刊
1 前言
由于3C电子产品功能日趋多元，制造商必须寻求各种方法改善人机接口（Human-Computer Interface；HCI）。触控屏幕具有直觉化操作与软件弹性等特性，拥有精致外观与精密封装的屏幕触控接口，因此大受欢迎。然而，上述触控输入装置并未提供按钮设置及按下按钮的触觉确认机制，因此，在使用者互动及理解上反而造成障碍，影响产品操作效能，甚至于无法理解交易是否完成，相对使操作过程产生了负面影响。
触控屏幕技术可以说是3C产品的特色。自苹果计算机(Apple)推出iPhone、iPod Touch触控设计的手机与MP3播放器后，全球掀起一股触控面板使用风潮。不管是3C产品或是原本就运用大量触控技术的公用信息站，没有触控技术整合似乎已经失去使用便利性。
即便触控面板设计能使3C或公用信息站这类电子装置操作更简便，但在某些应用场合中，触控操作过程总是好像少了一点什么感觉，尤其是没有如实按键、开关的触感。而缺乏触觉回馈功能所造成的问题，已足以浇熄业者将机械按键转换为数字控制的意愿。上述问题最简单的解决方法便是加入触觉回馈功能。
触控回馈功能亦称作「弹力回馈」，可整合至无移动或低度移动的触控接口中，像是固定式公用信息站、公众计算机等设备。以Immersion推出的TouchScreen系统为例，这项技术是透过独特的反馈机制，使虚拟屏幕或图形化面板按钮能拥有如逼真按键的触觉反馈感受。例如，在按下与放开虚拟按钮时，面板系统会同时产生类似机械式按钮触觉，即可改善前述未搭配弹力回馈设计的触控面板操作问题，更能增加其它使用功能(如按键时同时回馈操作音效、回馈反应等)。
2触觉回馈运作原理—类似机械式按钮触感
为提供触控面板具有触觉回馈功能，系统组件就必须依赖触控输入装置的质量，但与其基本架构相同，大多透过1个致动器支持高速控制功能。例如，当使用者按下1个屏幕上的虚拟图形按钮时，弹力回馈系统即根据预设触觉效果迅速驱动致动器(致动器产生类似行动电话内的来电震动马达回馈反应)。
当使用者触碰屏幕时，具有触觉反馈技术的触控屏幕，会将触按讯号传送至触控输入装置控制器，该控制器提供被接触点的屏幕位置信息。这个位置信息将传送到主控端应用，主控端应用再命令TouchSense控制器执行特定触觉效果。
而该致动器震动时，触控面板的图形操作接口(User Interface；UI)亦会同时提供图形按钮移动触觉，就像按下与放开的机械按钮完整操作动作状态。由于触控输入装置产生震动时，不仅反应速度极快(几乎实时反馈)，且震动位移幅度相当小，因此，触觉回馈功能并不会干扰屏幕显示画面质量。
现今，若想让具有触控操作技术的终端装置支持1个触控系统，对于处理器的运作负荷量来说，并不是太沉重的负荷，整合后亦可让整个触控流程与反馈反应表现更加顺畅、实时，加上触控输入技术已十分普遍，市场上已有提供现成致动器的相关解决方案。
弹力触控技术的触控启动控制功能，其最初开发假设为复制实体按钮或开关的完整动态反应与效果。然而，人类手指的辨识(体验)能力实际上并不如想象中高。经过数千小时研究实验发现，若结合适度加速度，人类手指的神经元能侦测出极微幅的动作。即仅须0.1mm的微小震动动作、加上至少1.5gee的加速度反应，就能提供整个压按机械按键、开关特有的响应手感反应。但1.5 gee加速度的低门坎，并不足以产生最佳触觉回馈，反而需利用加速度与包含较强刺激的位移设定组合，才能产生更有效的压按回馈体验结果。
关于加速度与位移设定(可见图3(a))，透过「相位影像」(phase portrait)具体化。观察A300加速度与位移相空间行为图所示图3(c)，当触觉技术与触控接口装置成功完成电子机械整合后，即可产生相位影像。
至于触觉震动或「效果」，整个触按回馈系统亦可搭配声音与显示变化同时出现，甚至可强化触按体验的真实性，让触控屏幕也能有机械式按键、开关才有的压按感受，创造更吸引人的多重感官经验。从产生各种机械开关的按压与推/拉效果，甚至是更复杂的非线性震动运作与仿真，各种触觉效果皆能利用触压感应与致动器独特的反馈模式被重塑呈现出来。
例如，呈现触控屏幕所缺乏的机械压按感受的致动器，可藉由变更频率、波型、振幅与效果持续时间等不同致动条件，让这些回馈反应亦能支持各式使用者接口要求的不同呈现功能：
(1)短暂且细微的触觉效果：可用来协助使用者寻找他们在键盘上的对应位置，用途类似计算机键盘J键与F键上的小凸点。
(2)常用功能按钮：例如键盘上的Enter、Start、Back、Next等重要按键，可提供独特触觉反馈，并呈现不易出错的特殊反馈行为确认机制，同时协助警告使用者已经按错按键。
(3)快转与回转等控制功能：可依速度增加或减少，产生微幅震动效果。
(4)拖曳清单卷轴滑杆效果：可在经过每个选项时，搭配滴答声或止动感觉反馈效果，提供使用者更多的控制手感。
3弹性与高效率的整合
理论上，上述触按反馈技术可运用在各式尺寸触控式输入装置，甚至整合触控面板与处理器搭配设计，检视Immersion目前的相关解决方案，Immersion现仅支持对角线2.5至36.0吋的屏幕与面板应用。
观察Immersion系统架构内容，当业者欲设计具有触觉反馈技术的触控控制功能时，应考虑如下设计关键。
(1)控制软件：控制软件可以安装在1个专属或现有的微处理器内，或搭配Immersion提供的控制机板上实现此功能。
(2)致动器：其实致动器即为现货供应的偏轴转动惯量(Eccentric Rotating Mass；ERM)组件，这也可以是Immersion设计的装置组件。
(3)触觉效果组件库：触觉效果组件库事实上是将各式按键触觉效果，逐一转为数字化反馈数据，将数据汇整、编码架构专属触感反馈仿真动作数据库。
(4)应用程序接口(API)：API(Application Programming Interface)为系统软件开发，可直接在程序中应用、呼叫各种触觉效果，藉以简化反馈触控屏幕设计，让功能逻辑在产品上更容易完成，并增加开发效能的程序接口设计。
Immersion提供3种TouchSense整合套件，此可为开发者快速开发各种尺寸触控输入装置原型方案。整合套件中包含致动器样本、已安装软件的控制机板、参考设计概要、机械与电子整合指南与软件开发套件等必备工具与文件。
4控制软件
在常见的触控反馈系统设计中，若产品开发者选择使用电路板设计，则有2种模式可供选择，包括透过RS-232或USB接口进行连接。如果选择嵌入型方案(如将控制软件直接与处理器整合)，则可选择TouchSense执行时可执行程序。
5 致动器
致动器的尺寸及种类，将影响其可支持的触控屏幕尺寸，例如小尺寸的行动装置，可选用体积小巧、功率较低的省电型致动器；大型屏幕(如公众显示器、公用信息站等)触控反馈设计中，所使用的致动器体积与反馈功率自然不能太低。
触控输入装置的大小将影响致动器尺寸与规格。根据质量、组装方法、成本、空间、功耗与触觉效果呈现细节决定。根据经验法则，超过9或10吋的触控式输入装置，若想呈现高质量的触按反馈效果，设计中至少需要1个Immersion横向致动器，至于小于6吋的触控式输入装置，则应实行ERM惯性致动器，介于7至9吋尺寸的触控装置设计，则可选择上述2种致动器搭配使用，但仍须根据装置整体功耗、尺寸、功能等要求进行零组件选择。
6触觉效果组件库
触觉效果组件库包括各种触压、触按反馈效果，是让使用者能明确分辨各种按键控制效果的重要设计内容，这将关系到终端产品的差异化与实用性。触觉系统可让研发者透过更便利的方法，实际感受各种效果，然后再选择最符合特定应用需求的呈现效果，把复杂的触按反馈设计整合到使用者接口中。触觉效果组件库设计时应充分考虑人体触碰产生的震动波形与生理学反应，并针对常见使用状况在回馈效果反应进行最佳化设计。
7应用程序接口(API)
TouchSense API可用来从主应用程序呼叫触觉效果。TouchSense软件开发套件内含大量程序开发选项，包括Windows Active-X控件、1个原始码形式的跨平台API及搭配客制化接口的通讯支持方案。此外，另提供大量范例程序代码，与加入主应用程序中的触觉回馈功能的全部流程描述也包含在内。
8设计的时间与成本
以TouchSense套件为例，如果开发商品想用最短时间整合触按反馈效果技术，亦可选择参考整合流程设计指南，例如，Immersion与整合业者经常共同支持更快的开发原形与搭配系统弹性设计，相关整合设计通常仅需1周或更短时间内即可完成软/硬件原型开发。
9针对不同应用与市场评估触觉回馈功能
针对不同应用与市场，产品开发者应选择不同触按回馈功能设计，而触控屏幕显示单位及应用实例，则可提供1个最简单、快速的产品开发途径，亦能协助厂商评估整合触觉回馈功能的触控式屏幕，是否能改善既有产品的操作功能。
虽然结合触觉回馈功能的触控屏幕与数字控制才刚进入市场，但它们已在改善HCI(Human-Computer Interface)人机操作接口，提供更直觉、更吸引人与更满意的触控经验。
（本文由 Immersion 触控接口产品部门提供）
由于3C电子产品功能日趋多元，制造商必须寻求各种方法改善人机接口（Human-Computer Interface；HCI）。触控屏幕具有直觉化操作与软件弹性等特性，拥有精致外观与精密封装的屏幕触控接口，因此大受欢迎。然而，上述触控输入装置并未提供按钮设置及按下按钮的触觉确认机制，因此，在使用者互动及理解上反而造成障碍，影响产品操作效能，甚至于无法理解交易是否完成，相对使操作过程产生了负面影响。
触控屏幕技术可以说是3C产品的特色。自苹果计算机(Apple)推出iPhone、iPod Touch触控设计的手机与MP3播放器后，全球掀起一股触控面板使用风潮。不管是3C产品或是原本就运用大量触控技术的公用信息站，没有触控技术整合似乎已经失去使用便利性。
即便触控面板设计能使3C或公用信息站这类电子装置操作更简便，但在某些应用场合中，触控操作过程总是好像少了一点什么感觉，尤其是没有如实按键、开关的触感。而缺乏触觉回馈功能所造成的问题，已足以浇熄业者将机械按键转换为数字控制的意愿。上述问题最简单的解决方法便是加入触觉回馈功能。
触控回馈功能亦称作「弹力回馈」，可整合至无移动或低度移动的触控接口中，像是固定式公用信息站、公众计算机等设备。以Immersion推出的TouchScreen系统为例，这项技术是透过独特的反馈机制，使虚拟屏幕或图形化面板按钮能拥有如逼真按键的触觉反馈感受。例如，在按下与放开虚拟按钮时，面板系统会同时产生类似机械式按钮触觉，即可改善前述未搭配弹力回馈设计的触控面板操作问题，更能增加其它使用功能(如按键时同时回馈操作音效、回馈反应等)。
2触觉回馈运作原理—类似机械式按钮触感
为提供触控面板具有触觉回馈功能，系统组件就必须依赖触控输入装置的质量，但与其基本架构相同，大多透过1个致动器支持高速控制功能。例如，当使用者按下1个屏幕上的虚拟图形按钮时，弹力回馈系统即根据预设触觉效果迅速驱动致动器(致动器产生类似行动电话内的来电震动马达回馈反应)。
当使用者触碰屏幕时，具有触觉反馈技术的触控屏幕，会将触按讯号传送至触控输入装置控制器，该控制器提供被接触点的屏幕位置信息。这个位置信息将传送到主控端应用，主控端应用再命令TouchSense控制器执行特定触觉效果。
而该致动器震动时，触控面板的图形操作接口(User Interface；UI)亦会同时提供图形按钮移动触觉，就像按下与放开的机械按钮完整操作动作状态。由于触控输入装置产生震动时，不仅反应速度极快(几乎实时反馈)，且震动位移幅度相当小，因此，触觉回馈功能并不会干扰屏幕显示画面质量。
现今，若想让具有触控操作技术的终端装置支持1个触控系统，对于处理器的运作负荷量来说，并不是太沉重的负荷，整合后亦可让整个触控流程与反馈反应表现更加顺畅、实时，加上触控输入技术已十分普遍，市场上已有提供现成致动器的相关解决方案。
弹力触控技术的触控启动控制功能，其最初开发假设为复制实体按钮或开关的完整动态反应与效果。然而，人类手指的辨识(体验)能力实际上并不如想象中高。经过数千小时研究实验发现，若结合适度加速度，人类手指的神经元能侦测出极微幅的动作。即仅须0.1mm的微小震动动作、加上至少1.5gee的加速度反应，就能提供整个压按机械按键、开关特有的响应手感反应。但1.5 gee加速度的低门坎，并不足以产生最佳触觉回馈，反而需利用加速度与包含较强刺激的位移设定组合，才能产生更有效的压按回馈体验结果。
关于加速度与位移设定(可见图3(a))，透过「相位影像」(phase portrait)具体化。观察A300加速度与位移相空间行为图所示图3(c)，当触觉技术与触控接口装置成功完成电子机械整合后，即可产生相位影像。
至于触觉震动或「效果」，整个触按回馈系统亦可搭配声音与显示变化同时出现，甚至可强化触按体验的真实性，让触控屏幕也能有机械式按键、开关才有的压按感受，创造更吸引人的多重感官经验。从产生各种机械开关的按压与推/拉效果，甚至是更复杂的非线性震动运作与仿真，各种触觉效果皆能利用触压感应与致动器独特的反馈模式被重塑呈现出来。
例如，呈现触控屏幕所缺乏的机械压按感受的致动器，可藉由变更频率、波型、振幅与效果持续时间等不同致动条件，让这些回馈反应亦能支持各式使用者接口要求的不同呈现功能：
(1)短暂且细微的触觉效果：可用来协助使用者寻找他们在键盘上的对应位置，用途类似计算机键盘J键与F键上的小凸点。
(2)常用功能按钮：例如键盘上的Enter、Start、Back、Next等重要按键，可提供独特触觉反馈，并呈现不易出错的特殊反馈行为确认机制，同时协助警告使用者已经按错按键。
(3)快转与回转等控制功能：可依速度增加或减少，产生微幅震动效果。
(4)拖曳清单卷轴滑杆效果：可在经过每个选项时，搭配滴答声或止动感觉反馈效果，提供使用者更多的控制手感。
3弹性与高效率的整合
理论上，上述触按反馈技术可运用在各式尺寸触控式输入装置，甚至整合触控面板与处理器搭配设计，检视Immersion目前的相关解决方案，Immersion现仅支持对角线2.5至36.0吋的屏幕与面板应用。
观察Immersion系统架构内容，当业者欲设计具有触觉反馈技术的触控控制功能时，应考虑如下设计关键。
(1)控制软件：控制软件可以安装在1个专属或现有的微处理器内，或搭配Immersion提供的控制机板上实现此功能。
(2)致动器：其实致动器即为现货供应的偏轴转动惯量(Eccentric Rotating Mass；ERM)组件，这也可以是Immersion设计的装置组件。
(3)触觉效果组件库：触觉效果组件库事实上是将各式按键触觉效果，逐一转为数字化反馈数据，将数据汇整、编码架构专属触感反馈仿真动作数据库。
(4)应用程序接口(API)：API(Application Programming Interface)为系统软件开发，可直接在程序中应用、呼叫各种触觉效果，藉以简化反馈触控屏幕设计，让功能逻辑在产品上更容易完成，并增加开发效能的程序接口设计。
Immersion提供3种TouchSense整合套件，此可为开发者快速开发各种尺寸触控输入装置原型方案。整合套件中包含致动器样本、已安装软件的控制机板、参考设计概要、机械与电子整合指南与软件开发套件等必备工具与文件。
4控制软件
在常见的触控反馈系统设计中，若产品开发者选择使用电路板设计，则有2种模式可供选择，包括透过RS-232或USB接口进行连接。如果选择嵌入型方案(如将控制软件直接与处理器整合)，则可选择TouchSense执行时可执行程序。
5 致动器
致动器的尺寸及种类，将影响其可支持的触控屏幕尺寸，例如小尺寸的行动装置，可选用体积小巧、功率较低的省电型致动器；大型屏幕(如公众显示器、公用信息站等)触控反馈设计中，所使用的致动器体积与反馈功率自然不能太低。
触控输入装置的大小将影响致动器尺寸与规格。根据质量、组装方法、成本、空间、功耗与触觉效果呈现细节决定。根据经验法则，超过9或10吋的触控式输入装置，若想呈现高质量的触按反馈效果，设计中至少需要1个Immersion横向致动器，至于小于6吋的触控式输入装置，则应实行ERM惯性致动器，介于7至9吋尺寸的触控装置设计，则可选择上述2种致动器搭配使用，但仍须根据装置整体功耗、尺寸、功能等要求进行零组件选择。
6触觉效果组件库
触觉效果组件库包括各种触压、触按反馈效果，是让使用者能明确分辨各种按键控制效果的重要设计内容，这将关系到终端产品的差异化与实用性。触觉系统可让研发者透过更便利的方法，实际感受各种效果，然后再选择最符合特定应用需求的呈现效果，把复杂的触按反馈设计整合到使用者接口中。触觉效果组件库设计时应充分考虑人体触碰产生的震动波形与生理学反应，并针对常见使用状况在回馈效果反应进行最佳化设计。
7应用程序接口(API)
TouchSense API可用来从主应用程序呼叫触觉效果。TouchSense软件开发套件内含大量程序开发选项，包括Windows Active-X控件、1个原始码形式的跨平台API及搭配客制化接口的通讯支持方案。此外，另提供大量范例程序代码，与加入主应用程序中的触觉回馈功能的全部流程描述也包含在内。
8设计的时间与成本
以TouchSense套件为例，如果开发商品想用最短时间整合触按反馈效果技术，亦可选择参考整合流程设计指南，例如，Immersion与整合业者经常共同支持更快的开发原形与搭配系统弹性设计，相关整合设计通常仅需1周或更短时间内即可完成软/硬件原型开发。
9针对不同应用与市场评估触觉回馈功能
针对不同应用与市场，产品开发者应选择不同触按回馈功能设计，而触控屏幕显示单位及应用实例，则可提供1个最简单、快速的产品开发途径，亦能协助厂商评估整合触觉回馈功能的触控式屏幕，是否能改善既有产品的操作功能。
虽然结合触觉回馈功能的触控屏幕与数字控制才刚进入市场，但它们已在改善HCI(Human-Computer Interface)人机操作接口，提供更直觉、更吸引人与更满意的触控经验。
（本文由 Immersion 触控接口产品部门提供）
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