Какие сенсорные технологии используются на больших экранах?

В последнее время стремительно дешевеют и набирают популярность устройства с большими сенсорными экранами (диагональю > 40”) – интерактивные столы, информационные и рекламные киоски, интерактивные дисплеи для бизнеса и образования. В этой статье я бы хотел сделать обзор сенсорных технологий, которые используются в таких устройствах, с их достоинствами и недостатками. Сразу скажу, что мир больших дисплеев в этом плане кардинально отличается от мира смартфонов и планшетов, в котором окончательно победила проекционно-емкостная (Projective-Capacitive Touch) технология. Все факты, приведенные в статье, основаны на реальном опыте работы с сенсорными экранами различных производителей.

Критерии

В первую очередь стоит сказать о критериях сравнения – иначе как мы сможем понять, какая технология лучше и в каких условиях? В этой статье я не буду говорить о методиках измерения этих параметров, так как это обширная и отдельная тема. Просто перечислю:

Разрешение

Разрешение сенсора в идеале не должно быть ниже графического разрешения дисплея. Для некоторых технологий (например, использующих триангуляцию) этот параметр рассчитать довольно сложно, да и зачастую бесполезно. На практике, сенсорное разрешение не так сильно влияет на удобство использования, как точность.

Точность

Точность сенсора определяется разницей между действительной точкой касания и точкой отображения касания на дисплее. На больших дисплеях такая ошибка может достигать нескольких сантиметров, в зависимости от технологии. Особенно важно то, что для некоторых технологий эта ошибка может очень сильно различаться в различных областях экрана. Очень редко имеет смысл добиваться от сенсора ошибки распознавания менее 2-3 мм, так как эту ошибку уже чаще всего поглощает следующий параметр – оптический параллакс.

Оптический параллакс

Проблема оптического параллакса заключается в том, что сенсорные дисплеи всегда покрыты стеклом (чтобы защитить матрицу и обеспечить работу сенсора). И на диагоналях >40” толщину этого стекла технологически очень сложно сделать менее 4 мм, поэтому между собственно матрицей и поверхностью стекла на больших дисплеях может быть расстояние от 5 до 10 мм. На рисунке ниже проиллюстрирована проблема параллакса (оптические преломления не изображены, но идея понятна).

Дистанция срабатывания

Дистанцией срабатывания называется расстояние до поверхности дисплея, на котором происходит срабатывание сенсора. В случае оптических сенсоров этот параметр может варьироваться в пределах 2-10 мм, причем, чем больше диагональ экрана, тем больше дистанция срабатывания. Для приложений, связанных с рисованием, этот параметр является крайне важным. Когда вы быстро пишете или рисуете, вы, как правило, часто отрываете маркер от стекла на очень небольшое расстояние. Если это расстояние меньше, чем дистанция срабатывания, то на экране появляются нежелательные линии. Также проблемы могут возникать с двойным кликом. Ниже на рисунке видно, как влияет дистанция срабатывания на появление лишних линий при быстром письме. На почерк не смотрите, сенсор тут ни при чем — он у меня просто корявый.

Задержка

Задержкой называется временной интервал между собственно прикосновением объекта к дисплею и моментом, когда информация о нем будет доступна операционной системе. Один из наиболее трудных параметров для измерения. Для современных сенсоров задержка составляет от 10 до 30 мс, однако следует помнить, что реальная задержка отклика приложения на действия пользователя будет значительно больше из-за задержки в ОС, приложении и при отрисовке. О том, как задержка влияет на удобство использования, можно посмотреть прекрасное видео от Microsoft Research, которое уже было на хабре.

Частота обновления

Частоту обновления сенсора характеризует количество сообщений о координатах распознанных объектов в единицу времени. Следует помнить, что для некоторых технологий этот параметр может значительно деградировать в зависимости от количества одновременно распознаваемых объектов.

Чувствительность к освещению

Все сенсорные дисплеи, основанные на оптических технологиях, в той или иной степени боятся паразитной засветки в ИК диапазоне. На практике это означает, что для дисплеев уличного исполнения оптические сенсоры непригодны. Однако, многие современные оптические сенсоры более чем хорошо работают в помещениях (хотя и не все).

Количество одновременно распознаваемых касаний

Думаю, комментировать этот параметр не нужно. Скажу лишь, что, в общем случае, чем больше касаний распознает сенсорный дисплей, тем хуже прочие его характеристики.

Технологии

Итак, с критериями оценки сенсоров для дисплеев больших диагоналей мы разобрались, теперь перейдем к технологиям. Я буду описывать лишь те технологии, которые действительно используются сегодня в LCD дисплеях больших (>40”) диагоналей. Соответственно, будут опущены резистивная и ПАВ (ПАВ = поверхностно-акустические волны) технологии. Достоинства и недостатки, о которых я буду говорить, тоже характерны именно для больших диагоналей.

Проекционно-емкостная технология (Projective Capacitive Touch)

Принцип работы проекционно-емкостной технологии заключается в следующем. На экран наносится сетка из проводников, пересечения которых можно рассматривать как конденсаторы. На емкость этих конденсаторов влияют поднесенные объекты (например, палец). Специальный контроллер поочередно измеряет емкость на всех пересечениях и по ее изменению вычисляет координаты прикосновений. К сожалению, масштабировать эту прекрасную технологию на большие экраны не так просто. Это связано со следующими проблемами:

• Прозрачность. На планшетах и смартфонах в качестве проводника используется прозрачное вещество ITO (Indium-Tin Oxide). На больших диагоналях длина проводника значительно больше, следовательно, больше и его сопротивление. Чтобы достичь приемлемого уровня сопротивления приходится делать проводники шире – во-первых, это дорого, так как расход ITO возрастает, а, во-вторых, начиная с некоторой диагонали, проводники уже становятся слишком широкими. В реальности, все PCT сенсорные экраны больше 40” сейчас используют медные проводники, а их можно легко увидеть невооруженным глазом. Ходят слухи о грядущих PCT сенсорах с нанопроводниками из серебра, но вживую я их пока не видел.
• Задержка. Очевидно, что количество проводников растет линейно по отношению к диагонали, а количество их пересечений – квадратично. Это значит, что для обеспечения приемлемой задержки распознавания нужна значительно более высокая частота опроса. Это требует более мощных контроллеров и, скорее всего, вызывает проблемы с электрическими наводками и переходными процессами в проводниках.
• Дистанция срабатывания. Чем больше расстояние между проводниками, тем труднее отличить объект, который поднесли к экрану, от объекта, который реально коснулся его. Поскольку это расстояние производителям приходится увеличивать по причинам, изложенным в пункте 2, это часто создает реальные проблемы, так как сенсор выдает сообщение еще до прикосновения (хотя для некоторых приложений это можно считать и фичей).

Все это вместе делает современные большие PCT дисплеи очень хорошим выбором для информационных киосков, в том числе уличных. Но рисовать на них вряд ли получится, и ожидать от них отзывчивости, как у планшета, явно не стоит. Немаловажным также является тот факт, что большой PCT сенсор недешев, так как технологией его производства владеют совсем немного компаний.

Оптическая технология (Optical Touch).

Данная технология использует камеры с ИК подсветкой для определения положения объекта. Здесь есть определенная проблема с терминологией. Несмотря на то, что другие технологии, о которых будет сказано ниже, тоже так или иначе используют оптические эффекты, среди производителей сенсорных дисплеев принято называть оптической (optical) именно технологию на основе камер в углах экрана.

Принцип работы довольно прост – в двух или четырех углах дисплея установлены камеры с ИК подсветкой. Подсветки камер поочередно зажигаются, и соответствующая камера фиксирует угловое положение объектов, касающихся дисплея. Далее контроллер триангулирует координаты объектов и передает их в компьютер.

Традиционными проблемами данной технологии изначально были большая дистанция срабатывания, а также плохая работа в режиме мультитач. Например, двухкамерный сенсор может работать максимум с двумя касаниями, и то на уровне пригодном только для жестов зума. Четырекамерные сенсоры значительно лучше работают в мультитач режиме, но все равно ошибки распознавания часты, и хотя в спецификации таких сенсоров часто указаны 4 или даже 6 касаний, назвать это настоящим мультитачем язык не поворачивается.

Вместе с тем, современные оптические сенсоры, избавленные от детских болезней, дают сейчас наилучшее сочетание цена-качество для indoor дисплеев. Особенно их отличает низкая задержка и высокая точность при условии хорошей калибровки. Причем задержка двухкамерных сенсоров ниже, чем четырехкамерных, потому что цикл опроса камер в два раза короче.

ИК матрица (IR Matrix Touch или просто IR Touch).

Принцип технологии IR Touch очень прост – на двух смежных сторонах рамки дисплея размещаются линейки ИК светодиодов, а на двух других – линейки фотоэлементов. Объекты, касающиеся экрана, перекрывают ИК лучи в образованной сетке, и по данным с фотоэлементов контроллер определяет их координаты.

Технология, как и оптическая, очень неплохо применима на практике. Относительно невысокая цена и неплохой мультитач (значительно более четкое распознавание 4-6 объектов, чем у Optical Touch) делают эту технологию очень привлекательной для indoor дисплеев. До недавнего времени задержка ИК матриц была довольно высока, но в последних моделях она уже сравнима с задержкой оптического сенсора.

Недостатком ИК матрицы является невысокое разрешение – это легко можно обнаружить в режиме рисования, если провести линию, немного отклоняющуюся от вертикали или горизонтали. Однако и в этом направлении производители ИК матриц постоянно совершенствуются.

Технология, основанная на FTIR эффекте (FTIR Touch).

Это, наверное, самая известная мультитач технология. Именно на ней был основан первый вариант Microsoft Surface (тогда еще интерактивного стола). Смысл заключается в том, что в торцах сенсорного стекла размещаются ИК светодиоды. Пока к стеклу не прикасается объект, ИК излучение остается внутри стекла за счет почти полного внутреннего переотражения. А как только объект приложен, излучение начинает в этой точке рассеиваться, и его может увидеть камера, расположенная за экраном.

Это единственная технология, обеспечивающая на дисплеях большой диагонали настоящий мультитач – более 30 касаний. Большим недостатком MS Surface (как и всех FTIR Touch дисплеев, основанных на обратной проекции) была большая глубина. В случае LCD дисплеев эта проблема решается за счет разнесения LCD модуля и подсветки, а также использования нескольких камер с ультракороткофокусными объективами и перекрывающимся полем зрения.

Конечно, такие дисплеи нельзя сделать тоньше, чем 20-25 см, а сторонней засветки они боятся как огня. Однако эту цену приходится платить, если нужен настоящий мультитач.

Электромагнитная (EM Touch)

В этой технологии за LCD модулем располагается панель с проводниками – по сути, антенна-приемник, а в специальном активном стилусе размещается передатчик. По изменениям электромагнитного поля в антенне контроллер вычисляет положение стилуса. Именно эта технология используется в планшетах Wacom и Galaxy Note S-Pen. В случае с дисплеями больших диагоналей, использование этой технологии – дорогое удовольствие, так как для ее реализации необходимо изготавливать огромные печатные платы. При этом дисплеи, комбинирующие электромагнитную технологию (для стилуса) с IR Touch (для пальца), были бы, возможно, наилучшим выбором, если бы не их цена. Кстати, именно такие дисплеи производила компания Perceptive Pixel, которую не так давно купила Microsoft.

PixelSense

Еще одна технология, о которой я хочу рассказать, реализована только в одном дисплее – Samsung SUR40, он же бывший Microsoft Surface 2, он же нынешний Microsoft PixelSense. Идея настолько гениальна, насколько и сложна в производстве технологически. Суть в том, что фотоэлементы встраиваются непосредственно в LCD матрицу. Благодаря этому, мы получаем настоящий мультитач, а также ряд дополнительных возможностей.

К сожалению, у меня не было возможности разобрать этот дисплей и подвергнуть полноценной серии тестов. Однако опыт работы с ним на выставках разбил все надежды на прекрасную технологию. Дисплей очень плохо распознавал маленькие объекты, показывал огромную задержку (хотя, возможно, это можно списать на ПО и плохой компьютер), а судя по затемнению света над стендами, с засветкой проблемы у него тоже есть. Ну и диагональ только 40”, и перспектив появления других диагоналей нет.

Panasonic TV Touch Pen

И последняя технология в этом обзоре – это технология, встроенная в новые серии плазменных телевизоров Panasonic. Интересным в этой технологии является то, что сам дисплей не имеет сенсора. Сенсор, а точнее фотоэлемент, расположен в специальном электронном стилусе. Идея заключается в том, что каждый пиксель на экране особенным образом модулирован. Когда стилус касается экрана (это определяется простым концевиком), фотоэлемент по параметрам модуляции (не знаю точно каким) вычисляет координаты и передает по радиоканалу в компьютер.

При всей оригинальности технического решения у этой технологии есть очень серьезные недостатки. Во-первых, используемая модуляция видна невооруженным глазом и очень сильно портит изображение, а во-вторых, проблема параллакса сильно осложняется тем, что распознанные координаты зависят еще и от угла наклона стилуса.

Тем не менее, я лично отношусь к этой технологии с большой симпатией, потому что она напоминает мне принцип работы пистолетов Dendy и заставляет ностальгировать по Duck Hunt. Если Panasonic сделает на основе своей технологии пистолет, который можно будет использовать с Dendy (ну или хотя бы с эмулятором) – обязательно куплю их телевизор!

Выводы

Итак, с уверенностью можно сказать о сенсорных технологиях для больших дисплеев следующее – ни одна из них на сегодняшний день не обеспечивает того уровня удобства, к которому мы привыкли на смартфонах. Однако если подходить к выбору технологии с умом, можно добиться решения своих задач на достаточно высоком уровне.

Если бы меня попросили в двух словах описать, для каких приложений какую технологию лучше использовать, я бы ответил так:

• Для уличных дисплеев и общественных мест – Projective Capacitive Touch
• Для развлекательных indoor решений – IR Touch
• Если нужно рисование – Optical Touch
• Если нужен реальный мультитач – FTIR Touch

Хотя, из любого правила бывают исключения! Главное – взвесить все плюсы и минусы различных технологий.