三維觸控技術詳解 突破“二向箔”的束縛

觸摸屏技術的回顧

觸摸屏技術至少可以追溯到上世紀70年代的美國伊利諾伊大學，當時科學家們把這項實驗室里的最新成果安裝到了PLATO IV計算機上用于課堂輔助教學，觸摸屏由此第一次走出實驗室正式進入實際應用階段。不過，觸摸屏的技術并不成熟，商用價值在此后的很長時間內也并沒有被發(fā)掘出來。到了90年代，觸摸屏出現在高端PDA（年紀稍長的讀者一定還記得快譯通和文曲星）中，可惜仍然不溫不火。

一方面，PDA的市場規(guī)模并不大，另一方面由于觸摸屏的精度有限，大多數PDA用戶還是更喜歡直接用實體鍵盤操作。2004年，任天堂的掌上游戲機NDS在全球熱賣，其最大的賣點就是NDS擁有兩塊屏幕并且其中一塊是觸摸屏，于是觸摸屏隨著NDS的流行而進入了更多人的視野。

不過，直到那時候，觸摸屏的使用還是局限于特定的人群。 真正讓觸摸屏走進千家萬戶還是要歸功于蘋果的喬幫主。2007年，初代iPhone發(fā)售，它重新定義了智能手機。在iPhone發(fā)售之前，智能手機的定義是“用戶能夠自主安裝軟件的手機”，而在iPhone發(fā)售之后，智能手機的定義變成了“屏幕可以滑的手機”，觸摸屏對于iPhone來說是標志性不可或缺的模塊。實際上，在手機上搭載觸摸屏蘋果并非首創(chuàng)，但是蘋果iPhone使用觸摸屏完全更新了手機的操作方式，在iPhone中引入了拖曳，縮放等手勢操作，極大地改善了用戶的操作體驗。隨著iPhone銷量節(jié)節(jié)攀升，三星、HTC等公司也不甘示弱，紛紛推出了搭載觸摸屏且操作方式類似iPhone的智能手機。一夜之間，地鐵上再也聽不到手機的按鍵聲，因為所有人都開始用觸摸屏“滑”手機。

觸摸屏首次出現在PLATO IV計算機中（左上，此后陸續(xù)出現在快譯通（右上），NDS（左下）等設備中，最后蘋果推出的iPhone（右下）讓觸摸屏真正走進千家萬戶

在iPhone推出之后，觸摸屏并沒有停止更新。

第一代iPhone使用的是電阻觸摸屏，可以支持基本的觸控交互。之后，蘋果iPhone逐漸開始使用電容屏，極大地提升了操作手感，幾乎使滑手機屏幕變成了一種享受。另一方面，為了使手機變得更輕更薄，屏幕制造技術也經歷了out-of-cell到on-cell直至最薄的in-cell。相對于十年前的觸摸屏，今天的觸摸屏更薄，操作手感更好。

| 突破二向箔的束縛：三維觸控

然而，人們對觸摸屏交互方法的探索并沒有到此為止。這里不妨再梳理一下手機與用戶交互方式的進化過程。

最初，用戶只能通過按手機上若干位置固定的按鍵來操作手機，這種方式可以稱作一維的操作方式。在蘋果引入觸摸屏以及手勢操作后，用戶可以在手機觸摸屏的二維空間里自由動作，因此可以稱作二維的操作方式。如果我們的觸摸屏不再進化，那么用戶與手機的交互維度將會被限制在二維，就像《三體》中被二向箔擊中的文明一樣。

很自然地，我們會想到：既然人類生活在三維的空間里，為什么用戶與設備的交互只能是在二維空間里呢？有沒有可能實現三維的交互方法呢？

要實現三維交互，就必須能夠實時捕捉到用戶的手在三維空間中的坐標，并且根據用戶手的三維坐標（及其變化）做出相應回應。

幸運的是，科學家和工程師們已經開始開發(fā)三維觸控來實現超越二維的人機交互。在具體地分析技術之前，我們不妨先來展望一下三維人機交互方法都能帶來哪些革命性的應用？

1、游戲（含VR）

說到三維觸控，大家首先想到的就是在游戲中的應用。確實，游戲是所有應用中對于交互方式要求最高的。使用與游戲相配合的專用交互設備，玩家才能完全體會到游戲的魅力（不信你用鍵盤玩賽車游戲試試），這也是為什么一些游戲需要開發(fā)專用外設（如早年《熱舞革命》的跳舞毯，《吉他英雄》的吉他，各類賽車游戲的方向盤等等）。

當觸摸屏在手機上剛普及時，《憤怒的小鳥》，《水果忍者》等一批完美利用觸摸屏交互特性的游戲也獲得了大家的青睞。當觸摸屏可以捕捉到人手在三維中的動作時，在游戲中可以實現許多新的玩法。一個非常有潛力的方向就是和VR技術結合，例如類似《水果忍者》的游戲可以在三維空間內通過玩家的手勢進行，《街頭霸王》等格斗游戲的出招可以由玩家的真實手勢觸發(fā)，從而使玩家的代入感大大增加。

3D觸屏結合VR技術可以極大地增加游戲可玩性

2、增強現實（Augmented Reality， AR）

三維觸摸屏很有潛力成為AR應用中人機交互的基礎技術。

在AR技術中，用戶佩戴的專用眼鏡作為顯示屏，通過計算機視覺技術將AR的圖像界面與現實世界有機地結合在一起并投射到用戶眼睛的視網膜上。當用戶的手做出動作時，AR設備必須能準確地捕捉到手的實時位置并根據用戶手的動作做出相應反應。三維觸摸屏正是能夠捕捉到手的精確位置，從而成為AR人機交互的基礎技術。在AR技術普及后，不僅僅手機、電腦會用到三維觸摸屏，甚至日常家具（如桌子，櫥柜）的表面都可能需要支持三維觸摸技術，從而讓用戶隨時隨地能使用AR。

增強現實將計算機圖像與現實結合在一起（左），AR與用戶交互方式需要能精確地捕捉用戶手的三維位置（右）