利用人體感官的回饋來提升電容式觸控的實用性

本文作者:admin       點擊: 2010-02-11 00:00
前言:
  人體具有許多驚人的感官。音樂家能聽出C 和C#的不同,即使這兩種音調實際上只有15Hz的差距。奧運步槍射擊選手能察覺到即使只有兩千分之一英吋的失準誤差。盲人能利用指尖的觸覺進行點字閱讀,每分鐘可以閱讀4,000個字,即使點字的凸點只比紙張高出兩百分之一英吋,且點和點的距離僅為十分之一英吋。

  當我們談到現今有關人性化介面裝置的設計技術,感官是很重要的因素。設備製造商正面對持續的挑戰,他們必需滿足特定的期望-亦即當按壓觸摸的瞬間(可能只壓低四分之一至二分之一英吋),腦部會下令減低手指的速度至零,在此情況下,按鈕或按鍵必需要有所動作。

  就拿越來越多人使用的平面螢幕來說,像是液晶顯示器的應用,通常而言玻璃表面或是塑膠防護層的使用日益增加,因此改善觸控解決方案的需求越來越明顯。錯誤的感官回饋會造成負面的結果,包括使用困難、不正確的數據通訊,最可怕的就是造成人體傷害,例如因為按鈕或按鍵無法回應腦部的期望所造成的重複施力傷害(Repetitive Stress Injury,RSI)。除此之外,移動消費性電子的製造商必須特別考量其他技術因素,包括減少反應延遲、減少對基頻處理器(baseband processor)的依賴,以及降低成本和改善電源消耗。

  近年來元件整合的趨勢有助於消費性電子朝向電容式觸控功能的方向發展,此一發展能符合使用者的特定期望,並迎合業界朝向更低成本、更高效能解決方案發展的趨勢。此篇文章將討論改善觸控解決方案的必要性、選擇性,以及整合方式能為電容式觸控帶來的好處。

  隨著技術不斷演進,消費者對於「尖端」的定義也不斷改變。僅有機械式按鍵的行動電話或MP3播放器並非未來趨勢,而使用薄型氣泡樣式的薄膜按鍵不但觸感遲鈍,更會產生使用過久會破裂的情況。就現階段而言,不管是在商業或工業市場區隔皆獲得眾多青睞的人機介面(HMI),就非觸控輸入莫屬,且無論是具有顯示器的裝置,例如觸控螢幕,或是不具顯示器的裝置,例如按鈕或者是圓形滾軸,觸控功能皆備受重用。

  薄膜式按鍵的相關研究為最新世代的觸控人機介面技術提供許多極具價值的參考資料,因為這兩種技術面臨相同的基本挑戰:當在平板螢幕上,例如家電或行動電話的LCD,其玻璃表面或塑膠防護層上執行觸控輸入時,並沒有任何「管道」會將無效的觸控事件回應給使用者。然而對於薄膜式按鍵的觸控感覺回饋,透過薄型氣泡樣式或其他物理技術增加管道也是不切實際的,因此我們需要新的回饋方式。隨著這些觸控輸入的控制越來越複雜,以及越來越重要的產品功能,觸控回饋更形關鍵,因為它能決定此種全新的輸入方法是否能提升使用者經驗,或者是會留下壞印象。

各種回饋方式

  早期的薄膜式按鍵結合了觸覺回饋,但不久之後便加入其他形式的回饋,例如視覺和聽覺。在今日多重感官回饋的方式已是稀鬆平常;事實上,因為太過細微,所以它們幾乎被忽略。雖然不容易被注意到,但是基於許多理由,感官回饋依然是非常重要的,這將在之後的段落中加以說明。

  視覺、聽覺和觸覺是最常被用於產品感官回饋的三種感覺方式,也會被單獨或是合併使用。根據應用的不同,可能其中一種方式會是最適合的。就一般而言,使用兩種或是全部三種感官會是最有效的。相關研究已經證明感官回饋可以改善使用的精確度,讓使用者在使用複雜的產品時能更容易且快速,並能讓使用者擁有更佳的「情緒」反應註解1。

視覺回饋

  人類最發達的感官是視覺。因此結合視覺回饋通常能產生令人滿意的正面效果。視覺回饋有很多形式, 從按鈕被按壓時LED燈會亮起的簡單方式,到更複雜的呈現,例如手機上電話簿會隨著圓形觸控滾軸而捲動顯示等。高解析度LCD螢幕加上觸控功能的使用,似乎比使用按鍵和圓形觸控滾軸應用的視覺反應來說是有點氾濫了。微軟和其他業者已接近未來的技術應用,將會讓觸控執行更複雜的動作,例如藉由簡單的「縮放」觸控螢幕顯示器上的影像,進行影像大小的更改。

聽覺回饋

  人類另一項高度發展的感官是聽覺。就整體歷史來看,聽覺一直被做為基本的溝通工具。視覺上的警示總是伴隨尖銳的聲音,以快速地攫取每個人的注意力,例如使用鐘聲來告訴全村現在的時間等。再者,人類利用聲音來說出語言絕對是溝通的最重要工具。

  因此聲音是重要的感官刺激回饋方法。在第一台推出的薄膜式鍵盤中,按壓氣泡式薄膜(刻意設計或是無心插柳)便會發出點擊聲,事實證明,這大大強化了人類在按鈕按下時空間移動的正面效果。此研究延伸應用於現今的系統,其中一些採用了精密聲音生成裝置的系統,不只是提供回饋(以及娛樂),更可以模仿其他聲音。有時候這僅僅是為了好玩,但是一些例如機械式按鈕或是撥打電話號碼的特定,則能強化產品的實用性。

觸覺回饋

  視覺和聽覺導向的感官回饋確實非常重要,但是沒有一個設計可以忽略觸覺回饋的重要性。除了在視覺和聲音警示不適用的情況下,例如當手機處在需使用震動的靜音模式,觸覺回饋還有可以降低重複性壓力傷害風險的好處。

  觸控已被視為擴展產品功能性的一種方式,且藉由時尚和吸引人的工業設計實現產品差異化。由於硬質平面越來越傾向於使用新的觸控方式,因此就產品吸引力和重要性而言,有效觸控回饋的需求已是日漸成長。

  精密的撫觸反應機制稱為觸感(Haptics)。觸感的效果在於藉由觸摸對使用者提供力量、動作或震動,不只是以基本的震動提供簡單的感官回饋,還能增強效果。後者可能是透過震動效果的形塑和時間安排去真實模擬機械式輸入,例如按鈕和滾軸轉動的觸摸感覺。

  觸感回饋的用途遠超過單純的撫觸動作確認。根據按鍵的結果,按鈕按壓或圓形滾軸滾動也能結合不同的觸感回饋效果。例如,正確的回應可以採用一種觸覺回饋,錯誤的回應則採用另一種。觸感回饋也能被用以表達其他訊息。隨著施加在觸控按鈕上壓力總量的不同,轉換成第三度空間(Z軸)輸入,那麼對使用者而言,感官可以代表的意義將更為多元。

  一般而言,相較於沒有或是可觸性較差的產品,較佳的可觸性可以提升產品的使用經驗及精確度。根據Nokia研究中心在2003年所發佈,針對手機數字輸入工作進行觸控效果的調查註解2,採用突出、相距少於1 mm的按鍵(高可觸性),與平面、水平連接、相距僅0.5mm的按鍵(低可觸性),此兩者的可觸性是不同的。在測試中,當使用者無法看到電話(「沒有視覺回饋」)時,在較佳的可觸條件下,其結果錯誤率約可好上六倍(請見圖1)。即使當使用者可看到電話時(「有視覺回饋」),高可觸性手機的錯誤率也幾乎可以比低可觸性手機低三倍。

 
圖1:Nokia研究中心於2003年所發表的資料,說明可觸性對於資料輸入錯誤率的影響


觸控技術的選擇

  今日有多種觸控技術可供選擇。當然,每一種技術都有其優缺點,各有適合的應用。其中最受歡迎的技術包括可攜式導航裝置觸控螢幕所使用的電阻式觸控技術、機場或者是博物館使用的互動式多媒體資訊平台和自動提款機使用的表面聲波(SAW)或是紅外線觸控,以及行動電話和可攜式多媒體播放器所使用的電容式觸控技術等等。

  針對大量的消費性應用,電阻式和電容式技術為市場主流。電阻式技術應用於智慧型手機和可攜式導航裝置的觸控螢幕顯示已有一段時間,不過,對於最近新推出且非常重視差異化及工業設計的產品,例如Apple iPhone及LG巧克力機(LG Chocolate)而言,電容式觸控則是它們選擇採用的技術。電容式技術之所以受到歡迎的兩大理由分別為:實作的彈性及多點觸控的功能。

  電容式觸控輸入,像是按鍵及圓形觸控滾軸可以採用多種材料,包括印刷電路板、可繞性印刷電路板及薄膜上ITO或玻璃等。再者即使在感應器陣列上覆以不同厚度的玻璃、塑膠(透明或不透明),或是其他防護性或裝飾性的覆蓋層,其觸控效能也不會受到影響。這樣的特性能提供工業設計極大的發揮空間,可打造產品外型和功能性的差異化,這在充斥眾多樣選擇的終端市場中是很重要的。

  多點觸控的方式能使其使用者介面有者獨特與差異化。iPhone在大眾市場上推出多點觸控手勢功能,以常用指令,例如縮放或是切換至下一螢幕或圖片的直覺式多點觸控手勢,取代傳統的「下拉式」選單系統。此種由電容式觸控技術所實現的革命性使用者介面設計,成為iPhone系列自推出以來銷售突破2,000萬台的主要原因。電容式技術的另一個優點是耐久性。消費性產品被使用的方式不同於實驗室中的設備,因此耐久性是很重要的考量。利用電容式技術,並不會產生電阻式觸控會發生的薄膜耗損或損壞的問題。

電容式觸控和整合

  電容式按鍵和圓型觸控滾軸採用非常簡單的架構,然而此架構所測量到的電容值極小,因此很重要的一點是,觸控偵測電路必須非常接近感應器本身。結果使電容式觸控控制器更傾向於整合多重架構元素,且經最佳化能提供各種整合型感官回饋選項的多種組合。

  雖然「整合」對電子產品來說總是好的,但在某些應用中,仍有些例子是「過度整合」的。有時候,這是因為整合了數十種整合型功能的系統單晶片,過度的整合反而犧牲了效能。其他時候,之所以會「過度整合」只是因為新功能和需求出現得太過快速,晶片業者還無法整合此功能。顯而易見的是,重點在於要決定整合哪種功能,以及原因為何,而非在一個單晶片上儘可能整合最多的功能。

  當使用電容式觸控時,很重要的是要將控制器中的驅動和感應電路放在靠近觸控感應器的地方。因為被測量到的電容值相當小,太長的導線或PCB電路可能會導某個點容易受到雜訊的影響,於是該點的有效觸控可能會因為雜訊而無法辨識。因此,若將電容感應整合至基頻或應用處理器中,這些元件通常會遠離觸控感應陣列,如此便可能導致不穩定的觸控效能。基於此理由,將電容觸控控制器獨立於這些高度整合的系統單晶片之外是現今最可靠及實際的作法。雖然獨立,不過電容式觸控控制器並不需要是單一功能的元件,基於感官回饋可以提升觸控經驗的重要性,將回饋功能整合至觸控控制器通常能進一步發揮感應功能,且對系統設計帶來明顯的好處。

  雖然有些感應回饋邏輯和控制功能可藉由基頻或應用處理器中的軟體加以實現,然而這樣的作法只是讓這些已經高度使用的處理器徒增無謂負擔。根據處理器中斷的優先等級,這些回饋功能可能會出現延遲,而由於回饋機制的時序錯誤,並造成可怕的回饋輸入的衝突,將導致不佳的使用者經驗。因此將所有的回饋控制功能整合至基頻處理器雖是最簡單的作法,卻不是最好的解決方案。此外,為求強化感應回饋,一些像是靈活的LED亮度選擇以及逼真的觸感效果、諸如LED驅動器和觸感驅動器等外部元件,通常也都是必要的。

多重感官的未來

  隨著越來越多的人性化介面(HMI)相關研究出現,我們越來越瞭解多重感官的導入將能顯著提昇產品的易用度和效率。此回饋不僅能為使用者提供更佳的使用者經驗,還能提供大腦必要的資訊,以適當地使用這些產品。事實上,若是缺少感官回饋甚至可能造成人體傷害。再者,除了易用及傷害的預防外,感官回饋(特別是觸覺回饋)已被證明能提升使用精確度避免錯誤的輸入。

  這些研究發現正引起一些有關使用者介面的思考,從強調視覺和聽覺回饋,觸感回饋只是搭配選項的思維,轉向另一種想法,亦即在許多應用中,觸覺可能是最重要的感官回饋。這樣的思考正引出所謂「信封外」解決方式,例如使用觸覺去標示特定來電者、通知使用者輸入結果的正確與否,或甚至是影響使用者的情緒。觸覺對使用者而言是私密的,因為是無聲且不會引人注意。一些相關研究便是在探討如何在非私人環境中使用觸覺傳遞私密及無聲的訊息。

  將觸控和感官回饋電路整合為一單晶片,不僅可讓主處理器不用負擔驅動LED或觸感元件等一般性的工作,而且具有明顯的成本及生產上的好處。整合型觸控控制器可以盡可能被放置在接近觸覺感應器陣列的地方,而主處理器就可以擺在其他適合的地方,不用受限一定要擺在靠近感應器的位置。再者,此完全整合的觸控晶片的功耗極低,且相較於離散解決方案或是採用基頻處理器執行控制,整合型觸控所需的外部元件少了許多。

  毫無疑問地,就在不久的將來,我們將可在消費性和商業及工業產品上,看見觸控和使用者回饋領域的明顯改變及成長。

註解:
1. MacLean, Karon, Designing with Haptic Feedback, Proceedings of the IEEE Robotics and Automation, 2000.
2. Silfverberg, Miika, Using Mobile Keypads with Limited Visual Feedback: Implications to Handheld and Wearable Devices, Mobile HCI 2003, LNCS 2795: 76-90.

作者介紹

Eric Itakura為IDT 觸控技術產品資深行銷經理,並在半導體領域擁有超過十五年的工作經驗。

Eric的第一份工作是在AMD擔任快閃記憶體產品工程師。在經歷數次與網路相關的初創工作後,Eric回到半導體領域,先後在AMD及Sipex Corporation負責技術行銷及業務開發的工作,期間專注於光儲存應用所需的光傳感類比IC。2005年,Eric加入Leadis Technology擔任業務開發總監,隨後加入IDT於2009年收購的Touch Technology事業群。

Eric擁有美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)的學士學位,以及聖塔克拉拉大學的企業管理碩士學位。

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