Ken North, Henry D’Souza, Elo TouchSystems

　一項稱之為聲學脈衝波辨識觸控(Acoustic Pulse Recognition，APR)的新式彎曲波(bending-wave)觸控式螢幕技術，利用「聲紋辨識技術(acoustic fingerprinting)」能夠在觸控式螢幕上更準確的定出敲擊觸控的位置。

　十年前，所有銷售的觸控式螢幕無外乎下列四個基本類型之一：紅外線觸控式螢幕、電阻式觸控螢幕、表面波觸控式螢幕或電容式觸控螢幕，直到今天依然如此；然而，目前發展的彎曲波(bending-wave)觸控式技術將會帶領我們進入與眾不同的未來。

彎曲波(Bending-Wave)觸控式螢幕：基本概念
　彎曲波(Bending-wave)觸控技術在概念上相當簡單(如圖一所示)，當手指觸碰到玻璃板所產生的聲波會在玻璃板之間傳遞開來，這些聲波會被連結在玻璃板上「麥克風」形式的壓電傳輸感應器(piezoelectric transducers，piezos)偵測到，而收集到的訊號會予以數位化後進行觸控位置重建處理。這樣的系統可以放置在液晶顯示器(LCD)前方作為觸控式螢幕(touch-screen)輸入裝置。

　許多類型的聲波或「聲波模式(acoustic modes)」會在玻璃板上展開，大部份由手指碰觸所產生的聲波模式屬於彎曲波，聲波及超音波專家會使用「撓性板波(flexural plate wave)」及「最低規則反對稱Lamb波(lowest order anti-symmetric Lamb wave)」名詞來表示，但在本文章中，我們則是使用同義字「彎曲波(bending wave)」，而在機械工程上，以「彎曲(bending)」一詞來表示承載重量下的樑柱。同樣地，當玻璃板承受筆尖輕輕觸碰時(像是手指按壓一樣)會產生彎曲。在這部份，我們特別專注在觸碰撞擊及移動筆尖之滑動磨擦力所造成的暫態作用力(transient forces)，這些暫態接觸力(transient touch forces)在玻璃板產生彎曲波(如圖一所示)，彎曲波觸控式螢幕就是利用這樣的波來偵測觸控的訊息。

　在更詳細了解觸控螢幕外觀特徵以及彎曲波觸控式螢幕工程技術前，回顧目前主流觸控式螢幕(touch-screen)技術將將會有助於了解文章前後技術發展的來龍去脈。

主流的觸控技術
　當旅行或日常生活中碰到紅外線觸控式螢幕、電阻式觸控螢幕、表面波觸控式螢幕及電容式觸控螢幕時，好奇的技術員可以快速地辨別出觸控式螢幕的類型。簡單的實驗設計可以揭露出更多關於主流觸控式技術的基本觸控偵測(touch-detection)機制。

　紅外線觸控式螢幕：如果以一張衛生紙輕拂螢幕便可以達到觸控效果，那麼該螢幕就會是屬於紅外線觸控式螢幕。隱藏在該面板後面的部份是承載發光二極體(LEDs)的電路板以及類似圖示架構的光子晶體(phototransistors)所包圍之觸控面積，藉由觸控表面上方紅外線光束形成的緻密格線來偵測及定位觸控時的陰影，使用者不必真的碰觸到螢幕表面便可以啟動紅外線觸控式螢幕。

　電阻式觸控螢幕：假如用牙籤刺碰便可啟動觸控式螢幕，那麼該螢幕這就不會是紅外線觸控式螢幕，而是所謂的電阻式觸控螢幕。電阻式觸控螢幕的啟動是藉由足夠的按壓力使塑膠薄膜與覆蓋基板(如玻璃板)之間的空隙靠近。為了讓電子訊號能讀取觸控位置，兩者的表面會在電阻層形成空隙。姑且不管「電阻(resistive)」這個名詞，電阻式觸控螢幕屬於壓力啟動式裝置，與手指或筆尖的導電性完全無關。

　表面波觸控式螢幕：假如觸控螢幕以鉛筆尾端橡皮擦便可以啟動，那這樣的螢幕就不會是紅外線或電阻式觸控螢幕，而極有可能是表面波觸控式螢幕。表面波觸控式螢幕有時稱為「SAW」或「表面聲波(surface acoustic wave)」觸控螢幕。在兆赫頻率範圍下，玻璃表面將支撐小規模次毫米(sub-millimeter)波長的「海浪(ocean waves)」。手指或鉛筆橡皮擦在玻璃表面的碰觸將會產生表面聲波(surface acoustic waves)陰影，就像海洋上行駛的貨船一樣會產生一道波浪陰影。在對照上，牙籤般小面積的接觸就類似小型海洋救生圈一樣不會產生海浪陰影，表面波觸控式螢幕的啟動是藉由足夠面積的機械式接觸來遮避表面聲波，指甲或信用卡邊緣的接觸力道是不足以啟動表面波觸控式螢幕的。

　電容式觸控螢幕：假如觸控式螢幕無法藉由鉛筆尾端橡皮擦確實的觸碰而啟動，那麼該螢幕便是屬於電容式觸控螢幕。電容式觸控螢幕透過觸控螢幕表面與周遭環境間形成的電容量測交流電(AC)能量的傳遞。感應器的部份是由覆蓋一層薄薄絕緣層的透明導電塗佈物所構成。當適當的AC訊號振幅及頻率導入導電塗佈層時，電子裝置可以量測到任何高導電性物體的電容承載，人們一開始以手指按壓感應玻璃板後會成為大型導體而容易被偵測到，但因為橡皮擦並非導體而無法形成電容電路。

　除了這些簡單的筆尖測試外，下面的例子是個有趣的單螢幕雙觸控(dual-touch)實驗。首先，用左手觸碰一下螢幕，同時將左手指停留在觸碰的表面位置，再以右手觸碰螢幕的另一個位置，此時會發生什麼事呢？針對電阻式觸控螢幕及電容式觸控螢幕來說，游標將會移到兩個觸控點中間的位置，在對照上，表面波觸控式螢幕及紅外線觸控式螢幕將感應到這兩個觸控的陰影，而且一般軟體編碼將會把游標移到新觸控的位置。

　如果用戶遇到的觸控螢幕會直接回覆觸控指令，在雙觸控(dual-touch)實驗中會定位新觸碰的位置，而且在指尖確實接觸到觸控表面時會進一步回應指尖碰觸螢幕所下的任何指令，這樣的螢幕意味著什麼呢？那應該是指彎曲波觸控式螢幕的時代已經來臨了。

　彎曲波及表面波：表親關係(Distant Cousins)
彎曲波觸控式螢幕和表面波觸控式螢幕具有許多相同之處，兩者都是屬於聲波紋觸控式螢幕(acoustic touch screens)，它們在觸碰輸入位置不需要多餘的玻璃板。彎曲波和SAW觸控式螢幕同時具備一般所重視的高透明度、無磨擦(no-wear)機制用用途的特點，以及穩定的音速校正。

　然而，彎曲波觸控式螢幕和表面波觸控式螢幕兩者之間只是遠親關係(distant cousins)而且彼此間仍有著顯著的差異。舉例來說，當必需持續供給表面波觸控式螢幕動能產生波動來感知觸控動作時，相同條件下的彎曲波觸控螢幕則完全不需要供給訊號源動能(非常像接收收音機的天線)。

　特別有趣的差異還可以注意到觸控表面污染物對觸控螢幕的影響。當對照於表面波時，彎曲波環繞在玻璃基板內部，當面板表面被觸碰時，彎曲波便很難停止，那是因為彎曲波能量會分散在整塊玻璃板，但表面波能量卻是集中在玻璃表面。此外，彎曲波觸控式螢幕的操作頻率也比SAW觸控式螢幕低，更進一步造成彎曲波嵌入行為發生，因此，彎曲波會些微受到觸控表面污染物的影響，諸如水滴或甚至於使用者的手掌。

觸控式技術之間的比較
　表一詳細述述彎曲波觸控式螢幕與工業上四種標準觸控式螢幕規格特徵之比較。

　表示的穿透度為典型值或某個範圍。所給的周長邊界寬度是典型的值或某個範圍。

　彎曲波式、表面波式及紅外線觸控式螢幕提供簡單而透明的玻璃視窗，但某些部份則是和電阻式觸空螢幕的多層化結構有著很大的差異，而彎曲波觸控式螢幕可以消除電阻式觸控螢幕的薄膜磨擦(membrane-wear)問題。

　彎曲波觸控式螢幕提供的觸控面積幾乎涵蓋整個玻璃板表面甚至於周長窄小的位置(可以小到3 mm)，但對於紅外線觸控式螢幕來說，狹窄的觸控邊框造成電路板及密封紅外線透明的刃角(bezel)設計困難而無法套用。

　穩定度的校正是個極為敏感的話題，而紅外線觸控式螢幕校正是非常穩定的，主要是因為紅外線光束的幾何形狀是靠發光二極體(LEDs)和光子晶體(phototransistors)的位置來界定，這是為何紅外線觸控式螢幕能廣泛用在互動式數位看板(digital signage)(包括40吋及更大的螢幕)的原因。電阻式觸控螢幕包含半直流電壓(quasi-DC voltage)量測裝置，而且在電子裝置上需要穩定的DC參考電壓及穩定的低頻增益(low-frequency gain)組件－對於現代的電子產品來說，並不是什麼可怕的挑戰。電容式觸控螢幕目前是工程師與最佳化校正穩定度的挑戰：各種AC增益和沖銷(offset)必須控制良好以避免校正漂移。在對照上，表面波觸控式螢幕系統可以輕易的提升校正的穩定，因為適當的幾何形狀是藉由訊號的時間控制以及玻璃中非常穩定的聲速來決定。因此，彎曲波觸控式螢幕校正也可以追蹤觸控訊號時間以及在玻璃中的聲速，它也同時具備了非常穩定的表面波觸控式螢幕校正。

彎曲波訊號處理程序及聲學脈衝波辨識觸控技術(APR)
　以上的討論從科學的角度推測，彎曲波觸控式技術有它偏好之處，但為何彎曲波技術在多年前無法成為主要的觸控技術呢？這個答案是因為相關訊號處理上的工程瓶頸。
「飛秒技術(time-of-flight)」是最常見的觸控位置重建方法。基本的飛秒技術(time-of-flight)在概念上則是相當簡單。手指碰觸產生的波在已知的位置被壓電式傳輸感應器(piezos)偵測到，當壓電式傳輸感應器訊號開始之間的延遲時間除以彎曲波速度會得到手指到每一個壓電式傳輸感應器(piezos)的距離。藉由足夠的壓電式傳輸感應器(piezos)數目以及適當的數學運算便可以準確的偵測出碰觸的位置。早期在飛秒(time-of-flight)觸控式定位系統的專利工作上專注在主動式(active)筆尖觸控研究多過手指觸控[案例請參閱美國專利US 4,488,000 (1984)，作者William E. Glenn]。最初的彎曲波觸控式螢幕產品其中一項利用被動式筆尖(passive stylus)啟動設計是由法國Intelligent Vibrations所進行的(請參閱PCT應用專利WO 00/38104，作者Jean-Pierre Nikolovski等人)。的確，直到目前為止，這項設計仍是所有彎曲波觸控式螢幕研發工作的基礎。

　在概念簡單的同時，實際上彎曲波訊號處理程序也有挑戰性的複雜度。彎曲波具高度分散性，且彎曲波的速度會隨頻率的平方根增加。對於假設性極短暫的輕敲碰觸所產生的波動會快速地散開「分散(disperses)」，較高頻率組件的波會朝向較低頻率的組件前進，參見圖二繪製的「直線波(direct wave)」圖示。此時要如何測量這樣分散的波包(wave packet)抵達的時間呢？尤其當觸控的頻率內容控制不好時？英國New Transducers股份有限公司所開發的創新訊號處理方法消除了接收訊號分散的問題(案例請參閱美國應用專利US 2001/0006006中的圖10，作者Nicholas P. R. Hill)。與3M Touch合作的New Transducers股份有限公司以「分散式訊號處理技術(Dispersive Signal Technology)」或簡稱為「DST」來標示這項彎曲波技術的變異。

　另一個困難度在於任何壓電式感應傳輸器的訊號不單只有直線波(direct wave)會產生，就連玻璃板周邊反射掉的彎曲波也會。事實上，玻璃邊緣是個非常有效率的彎曲波反射器－這類似於同軸電線(coaxial cable)的尾端電子訊號反射來開啟或關閉電路。在能量衰減之前，彎曲波一般都會反射多次，反射的波增添了飛秒(time-of-flight)訊號處理上的複雜度。這裡所提到的方法之一是在玻璃周邊增加特殊設計的聲波調節器(acoustic dampers)以降低反射波(案例請參閱New Transducers股份有限公司所提出的美國專利US6,871,149)。另一種方法是限制觸控式螢幕在非常大尺寸的設計上使用以減少或減弱反射波及延遲產生的時間，在這種設計上，飛秒(time-of-flight)訊號處理上可以增加設計需求，但會使得感應器的結構複雜化。

　此外，複雜化的問題在於實際手指碰觸是不是理想的波源－它們像隔離的雷達訊號一樣，屬於尖端觸控體在面板上拖行的顯著例子。然而，人所感受的是在有限次數下連續且快速的觸控面板，這樣所產生出的訊號之複雜度會趨向於使用飛秒(time-of-flight)訊號處理。

　然而，有個用於彎曲波觸控式螢幕訊號處理的新方法稱為聲學脈衝波辨識觸控技術(acoustic pulse recognition；APR)使得彎曲波訊號的複雜度簡化許多。APR技術處理的方式可以用聲波紋(acoustic fingerprinting)來描述說明，當接收到觸碰的訊號時，並沒有人嚐試去計算抵達的時間或是清除訊號的時間。複雜的訊號會非常像收集指紋一樣簡單的被記錄，在觸控式螢幕表面上的每個位置具有它本身獨特的指紋，所以此時訊號的複雜度會變得更好處理了。APR訊號處理不會用到飛秒(time-of-flight)量測，而比較像警方用指紋資料庫來比對犯罪現場指紋的方式。

　圖三所示的APR感應器如同美商易觸控系統公司(Elo Touch Systems)於2006年在舊金山舉辦的國際資訊顯示研討會暨展示會(SID 2006 International Symposium, Seminar, and Exhibition)介紹的1。當關鍵字APR的縮寫代表已知位置的指紋「辨識」，那麼APR感應器的用戶會很快地發現「脈動(pulse)」這個字的解釋非常寬鬆。用戶體驗了觸控面板優越的滑動觸控效能，即使是非常輕的碰觸也會使游標配合滑動的手指移動。因此，APR所呈現不單只是簡易的指尖敲擊訊號的處理，而且也會由手指滑過觸控式螢幕表面時產生連續推進的聽覺噪音形式「脈動(pulses)」。

　由以上的觀察可以看出彎曲波及表面波觸控式螢幕像親屬一樣(cousins)巧妙的暗示著表面波專業製造技術與APR感應器製造息息相關。舉例來說，在圖三看到的玻璃感覺上是「表面波觸控螢幕玻璃」，它的光學特性、規格品質、防炫光(anti-glare)表面處理等等都是直接取自於表面觸控螢幕設計。甚至在圖三所看到的壓電式傳輸感應器(piezos)與美商易觸控系統公司(Elo Touch Systems)所銷售的表面波觸控式螢幕產品上看到的相同，而APR和表面波觸控式螢幕的操作原理及效能特徵還是有許多差異，APR的感應器非常適合用在表面波觸控式螢幕產線。
　
　如同以上所討論的一般彎曲波觸控式螢幕，聲學脈衝波辨識觸控技術(APR)實現了防水(water-immune)觸控表面的設計。為了達到全方位的優點，防水(water-tight)密封處理就勢在必行了，這方面的需求可以利用連續式發泡膠帶填充在APR感應器表面和刃角(bezel)口之間。

　簡單的發泡膠帶貼合對於完成觸控式監視器組裝上面所有感應器的安全機械架設是必要的。在美商易觸控系統公司(Elo Touch Systems)銷售的APR觸控式監視器上的觸控式螢幕玻璃暫停使用刃角(bezel)設計，所展示的多功能APR聲控系統及訊號處理上採用最簡單的防水(water-tight)架置方法與APR操作是彼此相容的。

　圖三的APR觸控式螢幕只巧妙的透露出飛秒(time-of-flight)彎曲波技術到APR彎曲波技術之概念上的極大轉變。表面上壓電式傳輸感應器(piezos)的任意位置設計增加了複雜度，而因此在任何已知的觸碰位置產生獨一無二的聲波紋(acoustic fingerprint)。在圖三中接近排線尾端的小型黑色物體是一個包含多種聲波紋的4-MB記憶體，掌握著像APR彎曲波技術一樣關鍵而全新的手法。

結論
　聲學脈衝波辨識觸控技術(APR)代表著彎曲波觸控式螢幕技術正向前跨出一大步，APR技術秉持著承諾，勢將彎曲波技術發展成觸控式螢幕的標準技術並與建立的紅外線、電阻式、表面波及電容式觸控螢幕並列。CSOT

參考文獻
http://www.elotouch.com/Products/Touchscreens/AcousticPulseRecognition/default.asp

圖一：彎曲波觸控式螢幕概念圖。
圖二：彎曲波訊號機制示意圖。