Večdotične tehnologije

Priča smo bliskovitemu razvoju večdotičnih tehnologij, v katerih potrošniki (ne)zavedno uživajo. Najsi bodo to pametni telefoni, tablice ali večdotične mize, še pred nekaj leti so bili ti izdelki bolj kot ne redkost. Danes lahko trdimo, da so se večdotične tehnologije že dobro uveljavile med potrošniško srenjo, vendar njihov pravi razcvet šele prihaja.

Večdotičnost (multi-touch) je tehnologija, ki lahko zaznava vsaj tri simultane dotike na površini (single ali dual-touch ne velja za multi-touch). Interakcija med uporabnikom in računalnikom se je z večdotično tehnologijo od grafičnega uporabniškega vmesnika (tipkovnica-miška) prelevila v bolj intuitiven uporabniški vmesnik, ki je uporabniku bolj naraven, a hkrati neviden. Tako nova oblika vmesnika, zasnovana na dotikih in kretnjah, posnema interakcijo ljudi z okoljem.

Večdotična tehnologija je bila v različnih oblikah na voljo že konec sedemdesetih let prejšnjega stoletja. Vendar velja za pravega začetnika teh tehnologij pionir Jeff Han, ki je leta 2005 z nizkocenovno optično zasnovano tehnologijo FTIR ilustriral njen pravi potencial pri oblikovanju intuitivnih uporabniških vmesnikov nove generacije. Bistvo njegove tehnike je, da je cenovno ugodna in enostavna za izdelavo. Nato je leta 2007 sledil izid Applove senzacije iPhone, ki je večdotično tehnologijo približala množici potrošnikov. Kasneje istega leta je Microsoft poslal na trg svojo klubsko mizico Surface 1.0, vendar zaradi cene in takratne tehnologije seveda ni požela takšnega uspeha kot iPhone. Lani je Microsoft v sodelovanju s Samsungom izdelal novodobno večdotično mizo PixelSense (prej znana kot Surface 2.0), ki ima izboljšano strojno opremo in drugačno tehniko zaznavanja dotikov in objektov.

Večdotična tehnologija ni nova, saj je na voljo že več kot trideset let, so pa aplikacije v tem segmentu bolj izjema kot pravilo.

Neoptične rešitve

V grobem bi lahko tehnike za prepoznavanje dotikov razdelili v dve skupini. V prvo sodijo neoptične rešitve površin za prepoznavanje dotikov, kot so na primer uporovne (resistive), kapacitivne (capacitive) in površinski zvočni valovi (saw), vendar je njihova dostopnost za navadne smrtnike zelo omejena, saj zahtevajo industrijsko proizvodnjo in niso primerne za izdelavo po načelu "izdelaj si sam". Te tehnologije navadno omogočajo do največ dva simultana dotika, tako da tu ne govorimo o večdotičnosti v pravem pomenu.

Uporovne površine

Do nedavna je bila najpogosteje uporabljena tehnologija za zaznavanje dotikov uporovni (resistive) zasloni. Sestavljeni so iz več slojev. Spodnji sloj je iz stekla, zgornji pa iz poliestra. Najpomembnejša elementa sta prevodna sloja (Indium Tin Oxide - ITO), ki sta hkrati tudi prosojna, ločujejo pa ju distančniki (navadno iz silikona). Ob dotiku se ustvari stik med prevodnima slojema in povzroči prehod električnega toka, pri čemer se zaznajo koordinate.

Uporovni zasloni so cenejši od drugih zaslonov na dotik, porabijo majhno količino energije, odporni so proti prahu in vodi, vendar je njihova slabost v slabši prepustnosti svetlobe in občutljivosti za poškodbe. Se pa lahko stik na površini izvede s prstom ali paličko. Uporabljali so se za mobilne telefone in tablice nižjega cenovnega razreda, monitorje, prenosne igralne konzole, digitalne fotoaparate in dlančnike. Uporabnik jih hitro prepozna po tem, da je na zaslon treba večkrat kar močneje pritisniti, če želimo, da je pritisk zaznan.

Kapacitivne površine

Kapacitivne (capacitive) površine bi lahko razdelili v dve podskupini. Površinski kapacitivni (surface capacitive) zasloni so sestavljeni iz steklenega sloja, prek katerega se razteza tanek prozoren prevodni material (ITO). Iz vsakega kota zaslona elektrode vzdržujejo določeno količino elektronov, ki so enakomerno porazdeljeni po površini in ustvarjajo homogeno električno polje. Ker smo ljudje tudi prevodna bitja, se ob dotiku prstov s površino del električnega naboja prenese na nas. Senzorji zaznajo, na katerem mestu zaslona je prišlo do električnega odboja.

Večdotične zaslone, ki uporabljajo projicirno kapacitivnost (projected capacitive), najdemo v napravah, kot so iPhone in večina novejših pametnih telefonov (Android, Windows Phone 7). Zasloni so sestavljeni iz dveh slojev stekla, med njima pa je napeljana mreža senzorjev iz zelo tankih žic, ki projicirajo električno polje skozi zgornji sloj stekla. Ob dotiku s prstom se kapacitivnost zmanjša, na tej podlagi se izračuna mesto dotika.

V primerjavi s površinsko kapacitivnimi zasloni so projicirni superiorni, saj so zelo robustni in skoraj popolnoma prosojni. Če jih primerjamo z uporovnimi, imajo ti višjo prosojnost (uporabljen je namreč en prevodni sloj in ne dva), so bolj odporni (zaščiteni s steklom) in tudi bolj odzivni. Njihovo slabost bi lahko pripisali dražji izdelavi, upravljati pa jih je mogoče samo s prsti ali kakšnim drugim prevodnim predmetom.

Površinski zvočni valovi

Zasloni s površinskimi zvočnimi valovi (Surface Acoustic Wave - SAW) imajo integrirane pretvornike signalov za oddajanje in sprejemanje (tipala) ultrazvočnih valov po osi X in Y. Zvočni valovi so razporejeni po celotnem zaslonu in se odbijajo od reflektorjev. Ob dotiku s prstom se zvočni val absorbira. V zaznanju spremembe je mogoče izračunati lokacijo interakcije.

Takšni zasloni nimajo kovinskih slojev in to omogoča popolno prosojnost svetlobe ter s tem najboljšo sliko. Dotik deluje samo z mehko konico (prsti ali rokavica), ne pa s trdnimi. Tehnologija se uporablja večinoma v bančnem sektorju, kot so bančni avtomati, ali pa za kakšne druge aplikativne sisteme informativne narave, ki so v prostorih in kjer je pretok ljudi visok. Njihova izdelava je v primerjavi z uporovnimi in kapacitivnimi zasloni najdražja, poleg tega so občutljivi za umazanijo, prah in vodo.

Infrardeči okviri

Edino izjemo neoptičnih rešitev, ki ne potrebuje industrijske integracije v sisteme, predstavljajo infrardeči (IR) okviri LED, ki se namestijo na površino zaslona (LCD ali plazmo) in se prek kabla USB povežejo z računalnikom. Za registriranje dotikov je treba v operacijski sistem naknadno namestiti primerne gonilnike. V preteklosti je namreč ta tehnologija omogočala dotik enega ali dveh prstov hkrati, trenutno pa zaradi razvoja novih gonilnikov že omogoča pravo večdotičnost, kar se pozna tudi do 32 simultanih dotikih. Dimenzije okvirov se gibljejo od 32 do 65 palcev, s palci pa se dviguje tudi cena. Ravno razmerje med velikostjo površine (nad 30 palcev diagonale zaslona) in razumno ceno pa je največja prednost uporabe infrardečih okvirov v primerjavi z drugimi neoptičnimi tehnologijami. Tehnologija deluje tako, da so ob robovih okvira napeljane diode LED, ki osvetljujejo površino. Dotik prstov prekine svetlobni žarek in povzroči upad signala, ki je zaznan s strani detektorjev svetlobe.

Sliši se lepo, vendar tudi ta tehnologija ni imuna za slabosti. Najprej bi izpostavili odzivni čas okvirov, ki so ga izdelovalci okvirov vendarle znižali na "znosnih" 10 milisekund. Potem je tu debelina okvira, ki jo je treba upoštevati pri montaži na zaslon, ter neprijazno kablovje USB.

Optične rešitve

Optične rešitve veljajo za resnične večdotične tehnologije, predvsem pa se uporabljajo za nadzor zaslonov večjih površin. Razlogi za priljubljenost so zagotovo skalabilnost, nizka cena, enostavna namestitev komponent, glavni razlog pa je nedvomno to, da z nekaj navodili lahko sestavimo svojo večdotično površino kar sami. Nekatere znane tehnike optičnih rešitev so FTIR, DI, DSI, LLP in LED-LL.

Vsako večdotično optično napravo sestavljajo tri komponente: optično tipalo (navadno gre za kamero), infrardeči vir svetlobe (LED diode ali laserji) ter površina (projektor ali zaslon LCD). Kamera zajema infrardeči svetlobni spekter, ki omogoča zaznavanje prstov ob dotiku s površino, projektor pa je povezan z računalnikom, v katerega je nameščena programska oprema za zaznavanje dotikov. Kamera je povezana z računalnikom, ob pomoči aplikacije, ki zaznava sledenje, mu pošilja koordinate dotikov.

Osnovni gradniki

Za optični senzor lahko uporabimo čisto navadno spletno kamero, vendar jo je treba prilagoditi za naše potrebe. Običajne kamere večinoma dopuščajo samo vidno svetlobo in zaustavljajo infrardečo. Z odstranitvijo infrardečega filtra pa je moč doseči nasproten učinek - prepustnost infrardeče svetlobe. To velja večinoma pri cenejših spletnih kamerah. Trenutno večina samostojnih izdelovalcev optičnih tehnik prisega na kamero PlayStation Eye, saj omogoča zajemanje slike pri ločljivosti 640 × 480 pik do 75 sličic na sekundo (pri nižji ločljivosti tudi do 125), filter je mogoče enostavno odstraniti, prav tako je cenovno ugodna.

Vir infrardeče svetlobe lahko ustvarimo z diodami LED, ki so dandanes cenovno zelo dostopne. Če obvladamo vsaj osnovno znanje o spajkanju in električnih žicah, si lahko omislimo svojo sestavo postavitev teh diod. Za tiste malo manj vešče pa so na voljo vnaprej pripravljeni trakovi LED (gre za zaporeden skupek diod), ki se jih enostavno prilepi. Na voljo je še tretja preprostejša rešitev z reflektorji LED, ki se uporabijo v zaprtih ohišjih, vendar je njihova postavitev dokaj občutljiva zaradi odboja svetlobe od strani in tal.

Eden najpogostejših načinov prikazovanja vizualnih površin večdotičnih površin je z uporabo projektorja. Pri nakupu projektorja je treba paziti na dvoje: svetilnost, merjeno v ANSI lumnih, in projicirno razdaljo, ki predstavlja razdaljo od leče do projekcijske površine. V praksi je znano, da so projektorji s kratko ali ultrakratko projicirno razdaljo iz višjega cenovnega razreda. Zato če izdelujemo večdotično mizo z zaprtim ohišjem, za podaljšanje projicirne razdalje uporabimo ogledalo.

Medtem ko veljajo rešitve s projektorji za najbolj prožne, ko govorimo o sestavi zaslona (velikost, svetilnost, kontrast), je druga možnost uporaba zaslonov LCD. Vsi ti zasloni so po naravi transparentni, kar pomeni, da če odstranimo vse dodatne materiale, kot so na primer IR blokirni difuzorji, dobimo prepustno LCD matrico. Ta matrica omogoča prepustnost infrardeče svetlobe in obenem prikazovanje slike. Preden se odločimo za poseg razstavljanja matrice, je smiselno preučiti, ali je mogoče podaljšati kabel FFC (flat flex cable). To lahko ugotovimo z informativno zbirko podatkov, ki jo najdemo v spletu (LumenLab LCD Monitor Database).

Recept za sestavo večdotične površine

V kartonasto škatlo v središču tal pritrdimo spletno kamero, ki je usmerjena navzgor. Kamero prek kabla USB povežemo z računalnikom. Škatlo najprej pokrijemo s prosojnim materialom (pleksi ali navadno steklo), nato pa nanj pritrdimo še papir, ki naj bo istih mer. V prostoru naj bo dovolj svetlo, saj v temnih prostorih izdelana enota ne bo delovala. Infrardečega filtra v spletni kameri ni treba odstraniti, saj kamera zaznava senco prstov (uporabljena optična tehnika je FDI).

Seveda potrebujete še programsko opremo, ki bo iz zajete slike znala razbrati dotike. Vse to in še kaj najdete tukaj: sethsandler.com/multitouch/mtmini

FTIR

Tehnika Diffused Illumination (DI) lahko deluje na dva načina, odvisno od izvora svetlobe. V obeh primerih se difuzor namesti pod projicirno površino ali nad njo (pleksi steklo). Če svetloba pada na površino od zgoraj, govorimo o Front Diffused Illumination (FDI). V tem primeru se, ko se dotaknemo površine, ustvari senca in kamera jo zazna. V drugem primeru, ko govorimo o Rear Diffused Illumination (RDI), pa se izvor svetlobe ustvari z reflektorji LED, nameščenimi pod površino, tako da infrardeča svetloba sveti s tal navzgor. Glavna prednost tehnike DI v primerjavi s FTIR je v zmožnosti zaznavanja predmetov na površini in v enostavni izdelavi, po drugi strani pa je zaradi uporabe reflektorjev težje zagotoviti enakomerno razporejeno osvetlitev, ima nižji kontrast svetlih točk, ohišje pa mora biti zaprto.

Diffussed Surrface Illumination (DSI) predstavlja hibridno rešitev tehnik FTIR in DI. Uporablja posebno pleksi steklo, imenovano Endlighten, ki je sestavljeno iz tisočerih delčkov, ki delujejo kot majhna ogledalca. Ko posveti IR svetloba v robove materiala Endlighten, se svetloba enakomerno porazdeli po celotni površini. Lahko bi rekli, da je sestava tehnike DSI podobna FTIR z dodanim okvirom LED. Pri tehniki DSI ne potrebujemo silikonskega materiala, na površino pa lahko damo steklo, kar da površini občutek prestiža. Tehnika lahko zaznava predmete, svetloba je enakomerno razporejena, zaznava lahko tudi pritisk prstov. Če gledamo na ceno, je njena slabost ravno v materialu Endlighten, ki je cenovno manj ugoden kot navadno pleksi steklo.

LLP

Pri tehniki Laser Light Plane (LLP) infrardeča svetloba sveti kak milimeter nad površjem. Infrardeči blob se registrira, ko se dotaknemo laserske površine s prstom. Za sestavo večdotičnega sistema potrebujemo do štiri laserje, ki so ob robovih površine. Pri laserjih je svetilnost odvisna od moči napajanja. Tehnika ne potrebuje silikonskega materiala. Namesto pleksi stekla se lahko uporabi tudi kak drug transparenten material, kot je na primer steklo. Ne potrebujemo okvirja LED. Gre za dokaj ugodno in enostavno rešitev z odprtim ohišjem. Tehnika ni zmožna zaznavati predmetov in različnih pritiskov prstov. Če uporabimo en ali dva laserja, se lahko naredijo sence in se zaradi tega ne zazna dotik.

Pomnimo: laserji lahko škodujejo očem, zato ob sestavljanju sistema LLP nosimo zaščitna infrardeča očala in nikoli ne svetimo naravnost v oči.

LED-LP

Tehnika LED Light Plane (LED-LP) deluje po enakem načelu kot tehnika FTIR, vendar ne uporabimo pleksi stekla, tako da infrardeča svetloba prehaja skozi površino. Pri tej tehniki ne potrebujemo silikona, lahko se uporabi poljuben transparenten material, zaprto ohišje pa tudi ni potrebno. Ker so diode IR LED postavljene okrog površine, se ustvari svetilna površina nad tistim območjem. Navadno pri tej tehniki uporabimo namesto projektorja zaslon LCD.

Kakšna je prihodnost?

V prihodnjih letih se bo investiranje v večdotične tehnologije zagotovo povečalo in to bo posledično vodilo k številčnejši izbiri aplikacij in večdotičnih naprav. Tudi razvojni oddelki ne spijo. Raziskovalci iz oddelka Microsoft Applied Science Group so npr. pred nekaj meseci demonstrirali nov prototip uporabniškega vmesnika za večdotične zaslone z odzivnim časom le 1 milisekundo, kar v praksi pomeni, da se zakasnitev med registriranjem prsta skoraj ne opazi. Če primerjamo ta podatek z odzivnim časom trenutnih zaslonov na dotik, kjer je odzivni čas med 5 in 10 milisekund, lahko trdimo, da gre za velik dosežek.

Ključno vlogo pri oblikovanju večdotičnih tehnologij bo seveda še vedno igral Apple. Letos jim je ameriški urad za patentiranje (USPTO) dodelil lepo število patentov, ki se navezujejo na generalno delovanje večdotičnih uporabniških vmesnikov. Vendar pa strokovnjaki špekulirajo, da najverjetneje ti patenti ne bodo služili bitkam v sodnih dvoranah, temveč bolj kot osnova za pogajanja s konkurenco zunaj njih.

Skratka, era naravnih uporabniških vmesnikov se je že začela in se potihoma pomika v ospredje, pravo poplavo pa bomo najverjetneje doživeli v prihodnjem letu, ko se bo na trgu znašla množica večdotičnih prenosnikov z operacijskim sistemom Windows 8. Telefoni in tablice so pa tako ali tako že vsi večdotični.

Katera tehnika je najboljša?

Preprostega odgovora na to vprašanje ni. Vsaka tehnika ima svoje prednosti in slabosti. Glede na naše spretnosti in zastavljeni cilj se odločimo, katero izbrati. Da bi bila odločitev lažja, si lahko pomagate z nekaterimi značilnostmi, ki so nanizane v tabeli.

Tabela primerjav nekaterih lastnosti optičnih večdotičnih tehnik

Okvir:

Kako je s programsko opremo?

Programiranje za registriranje večdotičnih vnosov se ne razlikuje kaj dosti od programiranja za druge namene, a za to področje veljajo drugačni protokoli, metode in standardi. V letih so tako različne organizacije razvile ogrodja za programske jezike, kot so actionscript, phython, C, C++, C# in java. Pri programiranju gre namreč za dvoje: najprej aplikacija iz kamere zaznava in pretvarja podatke svetlečih točk iz surove slike, nato pa jih prenaša prek definiranega protokola v izbrano ogrodje in interpretira v kretnje. Visokonivojski jeziki lahko te kretnje naposled uporabijo v interakciji z aplikacijami.

Protokol TUIO (Tangible User Interface Protocol) je postal industrijski standard za izmenjavo abstraktnih opisov interaktivnih površin. Poznamo tri poglavitne programske opreme, ki uporabljajo ta protokol: Touchlib, Community Core Vision (CCV, imenovan tudi tbeta) in reacTIVison. V praksi se je dodobra uveljavil CCV (naslednik Touchliba), ima dober nabor funkcionalnosti in ga je enostavno uporabljati. reacTIVison je namenjen sledenju markerjev (fiducials), ki se prilepijo na spodnjo ploskev predmetov, postavljenih na večdotično površino.

Sistemske zahteve za uporabo programske opreme CCV:

strojna oprema:

Pentium 4 (priporočljivo dvojedrni ali več)

512 MB RAM (priporočljivo 1024 MB ali več)

spletna kamera

programska oprema:

Windows:

Microsoft Visual C++ 2005 SP1 Redistributable Package (x86)

QuickTime

Mac

QuickTime

Linux

libpoco

ccv.nuigroup.com