Ekrany dotykowe wysuwają się na czoło HMI

Ostatnie postępy poczynione w technologiach konstrukcji ekranów dotykowych w dużym stopniu przyczyniły się do uplasowania ich na pozycji preferowanych metod interakcji w systemach HMI. Dawniej poddawano w wątpliwość ich trwałość, niezawodność i łatwość użycia. Obecnie skuteczność tych urządzeń poprawiła się na tyle, że często zastępują mysz i klawiaturę. Modernizacje zostały wprowadzone na wielu frontach; udoskonalono od dawna powszechnie stosowane typy rezystancyjne oraz wdrożono zupełnie nowe rozwiązania.

Fot. Ekrany dotykowe stają się stopniowo coraz bardziej powszechnymi komponentami systemów automatyki i sterowania. Istnieją tu sprawdzone technologie, pozwalające spełniać specyficzne wymagania, a na horyzoncie rysują się możliwości obiecujących zmian. Ten rezystancyjny ekran dotykowy to część HMI w pomieszczeniu o wysokiej czystości (zdjęcie dzięki Three-Five Systems Inc.).

 

Rozwój i udoskonalenia

Początkowo ekrany dotykowe działały poprzez kontakt mechaniczny (rezystancyjne), zaburzenie pola elektrycznego (pojemnościowe), na zasadzie Surface Acoustic Waves – akustycznych fal powierzchniowych oraz promieniowania podczerwonego (Infra Red). W maju 2004 r. firma 3M Touch Systems Inc. wprowadziła nową metodę. Technologia sygnału dyspersyjnego (DST – Dispersive Signal Technology) rozpoznaje dotyk poprzez wibracje, w jakie wprawiane jest podłoże. Ta opatentowana technologia, określana przez jej projektantów jako przełom w dziedzinie konstrukcji ekranów dotykowych, oferuje wysoki stopień przenikania światła (tj. światłości ekranu), możliwość posługiwania się piórkiem (rysikiem), precyzję, zdolność rozpoznawania sygatur (signature capture) oraz wysoką wytrzymałość szklanej powierzchni.

W każdym rogu ekranu znajduje się czujnik, mierzący energię oscylacyjną (Vibrational Energy). Dzięki zastosowaniu zaawansowanego przetwarzania sygnałów cyfrowych do analizowania sygnałów i precyzyjnego raportowania dotyku używane są algorytmy regulacji dyspersji (Dispersion Adjustments – dosł. dostosowania do rozpraszania się fal). Takie podejście pomaga wyeliminować problemy związane z zanieczyszczeniem ekranu oraz zarysowaniami powierzchni i oferuje ulepszone tłumienie błędnych sygnałów wywoływanych dotykiem całą dłonią (tzw. „efekt palmy”).

Na przykład dotyk może zostać zarejestrowany, gdy dłoń operatora lub inny obiekt opiera się na powierzchni ekranu. Palec, ręka w rękawicy czy rysik mogą zainicjować sygnał, mimo że osoba opiera się o powierzchnię, czy leży na niej notatnik. Dotyk wywołuje wibracje, które emitują falę ugiętą przenoszoną przez podłoże, rozchodzącą się od punktu dotyku w kierunku krawędzi ekranu. Inne elementy spoczywające (statycznie) na ekranie są ignorowane (bowiem leżąc statycznie, nie wywołują fal odkształcenia).

Fot. Technologia dyspersji sygnałów rozpoznaje dotyk poprzez analizę drgań rozchodzących się w podłożu (zdjęcie dzięki 3M Touch Inc.).

 

– Ten postęp techniczny może całkowicie zmienić krajobraz branży ekranów dotykowych i stać się platformą dla wielu nowych produktów, które będą oferowane przez 3M Touch Systems – mówi Doug Kuller, menedżer programu w firmie 3M Touch Systems, który zaprezentował nowe rozwiązanie na forum Stowarzyszenia Wyświetlaczy Informacyjnych (Society for Information Display – SID) podczas zorganizowanego w maju 2004 r. Międzynarodowego Sympozjum, Seminarium oraz Wystawy. Wynalazek jest efektem wspólnych prac badawczo-rozwojowych prowadzonych przez 3M oraz NXT Plc – angielską firmę zaangażowaną w rozwój techniki dźwięku i mowy.

Najnowsze rozwiązanie techniczne zostało opracowane po wprowadzeniu w zeszłym roku technologii „cyfrowego atramentu” przez Touch International. Metoda ta łączy wiele cech ekranów pojemnościowych i rezystancyjnych. Cienkie ekrany, dopasowane kształtem do aplikacji, niełamliwe i odporne na zużycie akceptują dotyk rysika, palca oraz ręki w rękawicy, równocześnie ignorując przypadkowe naciski wywołane dłonią czy rękąoperatora. Technologia ta szczególnie nadaje się do małych aplikacji, jak telefony, PDA czy inne urządzenia podręczne.

 

Ekrany rezystancyjne nadal na topie

Pomimo obiecujących nowo wprowadzanych technologii, produkty tradycyjne będą zapewne jeszcze dominować na rynku przez lata. Choć wybór produktu zależy od aplikacji oraz od gałęzi przemysłu, ekrany rezystancyjne sąnadal najczęściej wybierane. Produkty te są stosunkowo niedrogie, łatwe do wyprodukowania i wmontowania w wyświetlacz. Wprowadzane udoskonalenia pozwoliły wyeliminować wiele zastrzeżeń dotyczących precyzji i przenikalności światła. Obecnie produkty te stanowią elastyczne i ekonomiczne rozwiązanie, jakie można zastosować praktycznie w większości sytuacji. Pojawienie się modeli cztero-, pięcio-, siedmio- oraz ośmioprzewodowych pozwoliło ograniczyć liczbę zastrzeżeń dotyczących osiągów oraz udoskonalić właściwości optyczne i trwałość produktów.

– W każdej aplikacji jasność TFT (thin film transistor – tranzystor cienkowarstwowy) za ekranem zostaje zredukowana, ponieważ emitowane światło przechodzi przez wiele warstw materiału – zauważa Al Zelasko, zajmujący się rozwojem technologii wyświetlaczy w firmie Avnet Applied Computing Solutions. – Doprowadziło to do opracowania różnych typów technologii warstwowych stosowanych w obrębie ekranów dotykowych, co sprawia, że stały się one bardziej przepuszczalne. Inwestując dodatkowe środki w bardziej przenikalny ekran zamiast w bardziej wydajny tranzystor TFT można uzyskać wyższą wydajność optyczną (światłość) przy niższych kosztach. Ułatwiły to udoskonalenia TFT.

Standardem dla TFT jest obecnie TFT o wydajności 400 nitów. Jeśli traci się 2% lub 3% z powodu nieidealnej przepuszczalności, to nie ma to aż tak wielkiego wpływu jak w przypadku wyświetlaczy starszych typów o standardowej światłości tranzystorów TNT zaledwie 250 nitów [nit jest jednostką miary luminancji; jeden nit równa się jednej kandeli na metr kwadratowy].

 

Fot. Technologia cyfrowego atramentu pozwala przeobrazić każdą powierzchnię w działający ekran dotykowy (zdjęcie dzięki Touch International).

Wszystkie technologie konstrukcji ekranów dotykowych – rezystancyjne, pojemnościowe, oparte na akustycznej fali powierzchniowej, podczerwieni czy też sygnale dyspersyjnym – mają swoje zalety i ograniczenia. – Tak naprawdę nie ma złych technologii ekranów dotykowych – mówi Joe Kirby, wiceprezes do spraw rozwoju technologii w firmie Dolch Computer. – Można jedynie źle zastosować dostępne technologie. Na przykład ekrany rezystancyjne oraz tradycyjne ekrany pojemnościowe nie powinny być stosowane w środowiskach podatnych na wandalizm czy w trudnych środowiskach przemysłowych. Ekrany te nadają się bardziej do aplikacji wewnętrznych niż zewnętrznych. Ulepszone ekrany IR są bardzo wytrzymałe i nie tracą zdolności rozpoznawania dotyku w trudnych warunkach. Jednakże mają ograniczenia mechaniczne i nie można ich używać w małych urządzeniach, takich jak PDA. W każdym przypadku przed podjęciem decyzji trzeba ustalić: jak, gdzie i w jakim celu ma zostać użyty dany ekran. Jeśli głównym czynnikiem decydującym jest koszt, a środowisko, w jakim ma pracować urządzenie, jest względnie łagodne, ekran rezystancyjny to zazwyczaj słuszny wybór.

Fot. Przykład ekranu dotykowego do specjalnych zastosowań. 30-calowy ekran IntelliTouch wykrywający dotyk poprzez analizę rozchodzenia się fal powierzchniowych (zdjęcie dzięki Elo TouchSystems Inc.).

Reprezentująca Wonderware Ann Ke zgadza się z takim podejściem. Jej firma weszła na rynek ekranów dotykowych zeszłej jesieni, dzięki wprowadzeniu do swoich HMI o nazwie InTouch linii ekranów Touch Panel Computer. – Próbowaliśmy wprowadzić standard na bazie rezystancyjnych ekranów dotykowych. Sądzimy, że ekrany te zaspokajają większość naszych potrzeb rynkowych. Oczywiście nie spełniają wszystkich oczekiwań. Ale nadają się do większości aplikacji.

 

Dokonywanie wyborów

Ekrany pojemnościowe są również popularne, choć ich zakres zastosowań nie jest tak szeroki jak ekranów rezystancyjnych. Precyzyjne, czułe i oferujące wysoką rozdzielczość przy większych wymiarach – urządzenia te są bardziej wytrzymałe (na zarysowania) i są popularne w zastosowaniach do gier hazardowych. Pokrewna technologia, obrazowanie typu „near field” (cześć pola w pobliżu źródła promieniowania) lub rzutowanie pojemnościowe (projected capacitive) oferuje udoskonalenia, zmniejszając odchylenia, jakie mogą się pojawić przy ekranach rezystancyjnych i „klasycznych” ekranach pojemnościowych.

Zaawansowane technologie, takie jak SAW i IR (jak również ulepszone IR), są skuteczne w przypadku dedykowanych, specjalistycznych aplikacji. Technologia akustyczna SAW jest wysoce precyzyjna, może być stosowana na zewnątrz i w rękawicach, nie jest wrażliwa na temperatury czy wahania wilgotności. Zanieczyszczenia mogą blokować fale dźwiękowe i powodować zafałszowanie danych wejściowych, dlatego ekrany dotykowe na bazie SAW są w praktyce często stosowane w czystych pomieszczeniach. Kosztowną, ale solidną technologię nieco trudniej wykorzystać w wyświetlaczu. Rozwiązania oparte na podczerwieni (IR), działające na zasadzie przerwania wiązki światła, stosuje się głównie w aplikacjach przemysłowych o dużych obciążeniach. Ekrany te spisują się bardzo dobrze w budynkach i na zewnątrz; można je wykonać ze szkła hartowanego, antyodblaskowego i odpornego na zarysowania; można je również uszczelnić, uodporniając na wpływy środowiska.

Użytkownicy ekranów dotykowych mogą się spodziewać dalszych modyfikacji i udoskonaleń istniejących technologii. Z kolei dostawcy poszukują sposobów wprowadzenia na rynek zupełnie nowych metod.

– Rynek ekranów dotykowych jest dojrzały, ale pojawiają się na nim unikalne rozwiązania – zauważa Sriram Peruvemba, generalny menedżer w firmie Three-Five Systems Inc. – Niektórzy producenci próbują wbudować ekrany dotykowe w zwykłe wyświetlacze, umieszczając elementy wykrywające dotyk w samym LCD. Struktura ta powinna 3x doprowadzić do powstania takiego ekranu dotykowego, który będzie również skanerem.

Wydaje się, że możliwości są nieograniczone. Z jednej strony, technika doprowadziła użytkowników do punktu, w którym większość zapotrzebowań została skutecznie zaspokojona za pomocą metod tradycyjnych. Z drugiej strony, pojawiły się nowe, zaskakujące możliwości techniczne, łącznie z holograficznymi ekranami dotykowymi, ekranami wykonanymi z cząsteczek wody oraz ekranami z rozrzedzonego powietrza. Trzeba ciągle patrzeć w przyszłość.

3M Touch Inc. – www.3mtouch.com
Avnet Applied Computing Solutions – www.avnet.pl
Three-Five Systems – www.tfsc.com
Wonderware – www.wonderware.com