Допирен екран

Допирен екран, допирник или екран на допир — електронски приказен уред кој може да утврди присуство и местоположба на допир на својата површина. Под допир се подразбира контакт меѓу екранот и човечки прст или рака. Допирните екрани можат да регистрираат и други објекти како посебни пенкала, но ако тие објекти се активни уреди, како светлински пера на пр., тогаш не можеме да речеме дека се работи за допирен екран. Способноста директно да се манипулира со тоа што го прикажува екранот е одлика исклучиво на допирните екрани.

Допирниот екран има две главни одлики. Прво, му дозволува на корисникот директно да манипулира со тоа што се прикажува на екранот преку допир со него, за разлика од другите екрани каде што мора да се користи глушец или тачпад. Второ, корисникот може да работи на овој екран без помошни средства како перо (анг. Stylus) кое мора да се држи со гола рака. Исто така, ваквите екрани може да бидат поставени на секој сметач или да бидат поставени во мрежа како терминали. Денес тие играат важна улога во дизајнот и изгледот на многу електронски уреди како Ipod плеерите, мобилните телефони и некои преносни сметачи.

Во минатото

Лево: прототипен повеќедопирен отпорнички екран со оски x-y CERN изработен во 1977; Десно: самоотпорнички допирен екран на CERN од 1972.

Допирните екрани се родија во лабораториите на големите производители на електроника во втората половина на 40-тите години од минатиот век. Првото место каде што се појавија во употреба беше на терминалите за учење во склоп на проектот PLATO во 1975 година. Постепено нивната употреба се рашири по киосците за самопослужување и уредите за информирање на туристи, POS (Point of Sale) системите, банкоматите и рачните сметачи каде најчесто се работи со перо за манипулирање и внесување на податоци. Денес, популарноста на паметните телефони, рачните сметачи, мобилните конзоли за видеоигри и многу други видови на информатички уреди, ја зголеми употребата на допирните екрани. HP-150 од 1983 година беше првиот комерцијален сметач со допирен екран. Во суштина, овој сметач и немаше допирен екран, туку обичен катоден екран кој беше опколен со инфрацрвени сензори кои ја забележуваа положбата на секој не проѕирен предмет на површината на екранот. До скоро, повеќето допирни екрани кои се вградуваа во производите може да регистрираат само една положба, односно еден допир истовремено, а само неколку имаа вграден технологија да регистрираат колкав притисок се нанесува врз екранот. Денес сè повеќе се комерцијализираат екраните кои регистрираат повеќе точки на допир (анг. multi-touch screens). Допирните екрани се особено популарни во индустријата и на места каде што се работи со туристи или клиенти, како на пр. музеи и банки, каде што употребата на глушец и тастатура не ја дава истата брза и задоволувачка комуникација меѓу екранот и корисникот. Историски гледано, сензорите на допирните екрани и нивните контролни програми станаа достапни со појавувањето на цела низа од некомерцијални пронајдоци кои не ги произлегоа од производителите на екрани или чипови. Со текот на времето, производителите на екрани и чипови низ целиот свет почнаа да ги прифаќаат допирните екрани, поради нивната популарност и барање од страна на корисниците, и да ги вклучуваат во своите производи.

Технологијата

Има неколку технологии според кои работат допирните екрани.

Отпорнички

Отпорничка допирна плоча

Отпорничките допирни екрани се составени од неколку слоеви од кои најважни се два тенки метални проводници на струја кои се разделени со тенок процеп. Кога некој предмет ќе ја допре нивната површина, тогаш двата метални слоеви се допираат на тоа место и воспоставуваат проток на електрична енергија и со тоа металните слоеви се претвораат во делители на напон. Овие напони се пренесуваат до контролерите кои го одредуваат местото на допир.

Површински акустичен бран

Технологијата на површински акустичен бран (анг. Surface acoustic wave) користи ултразвучни бранови кои поминуваат по површината на екранот. Кога екранот ќе се допри, дел од брановите се впиваат и со оваа промена на бранот се регистрира местото на допирот и информацијата се испраќа до контролерот. Ваквите екрани многу лесно се оштетуваат и нивното загадување и валкање влијае врз нивното функционирање.

Кондезирачки

Кондензирачките допирни екрани се состојат од изолатор, најчесто стакло, обложен со проѕирен слој на проводник на електрична енергија, најчесто индиум калај оксид. Кога човечкото тело, како проводник, ќе ја допри површината на екранот настанува промена на електростатичкото поле на површината, која се мери по промената на кондензираниот електрицитет. Потоа се користат различни технологии за да се определи местото на допирот. Тие податоци подоцна се испраќаат до сметачот кој одредува како програмите ќе реагираат на ова.

Со кондензирачка површина

Кај оваа едноставна технологија, само едната страна на изолаторот е обложена со проводник на кој му се пушта само мало количество на енергија за да се создаде електрично поле. Кога некаков проводник ќе ја допри површината на екранот, на пр. човечки прст, се создава кондензација и контролерите во четирите агли на екранот можат да го одредат местото на допир. Овај модел е доста издржлив, но има мала резолуција на допир, често покажува лажни сигнали поради разни празнења на електрицитетот и мора фабрички да се центрира. Затоа најчесто се користи кај машините во индустријата и киосците.

Со проектирана кондензација

Приказ на екран со проектирана кондензација

Технологијата на проектирана кондензација (анг. projected capacitive touch) користи кондензирачка технологија која овозможува поголема прецизност и флексибилност во функционирањето. Таа функционира така што се гравираат x и y оски на еден проводнички слој или на два слоеви со по една оска на секој. Со пуштање на електична енергија на оските се создава матрица од кондензатори и кога некаков проводник ќе ја допре површината настанува промена на електростатичкото поле на тоа место. Потоа се мери електричното полнење на секоја точка од екранот за точно да се утврди местото на допир. Со градењето на матрица се овозможува поголема резолуција на допирот и дава можност за регистрирање на повеќе точки на допир. Ваквата поголема резолуција овозможува функционирање без директен допир. Благодарение на тоа екранот може дополнително да се обложи со уште еден слој, како заштита од механички удари и временските услови. Но разни дамки на екранот можат сериозно да влијаат на резолуцијата и со што и одат во полза на технологијата на повеќе точки на допир. Ваквите дамки на екранот најчесто настануваат од мокри или испотени прсти, чија влага останува на екранот и подоцна на нив се лепи и прав од воздухот, која ја намалува функционалноста на екранот. Оваа технологија денес е најраспространета и се користи кај POS системите, паметни телефони и киосците за јавно информирање. Интерактивната фолија на Visual Planet ViP е пример за примена на оваа технологија во киосците, рака со ракавица може да активира сензор за допир преку стаклена површина. Примери за кориснички уреди кои ја вклучуваат оваа технологија на допир се телефоните HD2, Hero и G1 од ХТЦ (HTC), Motorola Droid, LG KE850; iPhone и iPod Touch плеерот од Епл, Palm Pre и Palm Pixi и поновите LG KM900 Arena, Microsoft Zune HD, Sony Walkman X серијата, Sony Ericsson Aino; Edge, D1 и Jewel од Видалко (Vidalco), Nokia X6 и Nexus One телефонот од Гугл (Google).

Мерач на притисок

Кај технологијата со мерачи на притисок, под сите четири агли од екранот се поставени посебни амортизери и мерачи на притисок кои одредуваат до која мерка е притиснат екранот. Оваа технологија се појавила уште во 60-тите години од минатиот век, но со помош на новите пронајдоци од претпријатијата Висумо (Vissumo) и Еф-Ориџин (F-Origin) кои ја направија оваа технологија достапна на пазарот. Таа може исто така и да ја одреди положба на допирот на z оската и притисокот. Екраните со оваа технологија најчесто се користат на јавни места, затоа што се доста отпорни на механички оштетувања.

Оптичко исцртување

Една од поновите технологии кај допирните екрани е оптичкото исцртување. Кај оваа технологија, два или повеќе сензори се поставени по работ на екранот (најчесто по ќошовите), додека пак наспроти нив се поставени инфрацрвени светла. Кога каков било предмет ќе го допри екранот, сензорите го забележуваат како сенка и со споредба на податоците од повеќе сензори може точно да се одреди местото на допир, па дури и големината на предметот. Оваа технологија станува се попопуларна поради малите димензии и евтиното производство за големи уреди.

Технологија на распрскувачки сигнал

Беше презентирана во 2002 година од страна на 3M и за разлика од другите кај, оваа технологија сензорите ја регистрираат механичката енергија која е пренесена врз стаклото. После тоа, се користат сложени алгоритми за да се одреди местото на допир. Се тврди дека правата и другите нечистотии, како и гребнатинките, не влијаат на функционалноста на екранот. И затоа што нема потреба од други елементи или слоеви на екранот, исто се тврди дека оваа технологија нуди најголема чистина на сликата. Поради тоа што регистрира механички промени, со ваквата технологија може да се манипулира преку кој било предмет, без разлика дали е проводник или не. Единствена слабост на оваа технологија е тоа што ако предметот остане неподвижен откако го допрел екранот, истиот не може да го регистрира неговото присуство.

Препознавање на акустичен пулс

Ело Тачсистемс (Elo TouchSystems) во 2006 година ја презентираа оваа технологија која користи повеќе од два пиезоелктрични трансформатори кои се позиционирани на одредени места на екранот и кои ја претвораат механичка енергија од допирот во електрични сигнали. Врз основа на тие сигнали се одредува местото на допир, со помош на алгоритми. Ваквиот процес на одредување на местото е сличен со процесот на одредување на GPS системот. Исто и тука екранот е направен од обично стакло што го подобрува квалитетот на екранот и на сликата. Може да нормално да функционира иако е изгребан или има прав на површината и ваквата технологија особено одговара за поголемите екрани. Исто како и кај екраните со распрскувачки сигнал, и оваа технологија ја има истата слабост, да не регистрира допир на статички, односно неподвижен предмет. Но затоа пак, ненамерниот константен допирот со друг објект нема да биде регистриран.

Кодиран LCD екран: Двонасочен

Самопослужна билетарница со допирен екран

Во декември 2009 година од страна на лабораториите на MIT техничкиот универзитет во САД, беше презентиран нов систем кој може да ги претвори LCD екраните во големи камери кој ќе ги забележуваат гестовите на корисникот. Наместо LCD кристали се поставува низа од тенки дупчиња пред сензорите. Како што поминува светлината низ дупчињата, таа паѓа врз сензорите и гради слика со ниска резолуција и како што секоја слика е направена од различна положба, со обработка на податоците се добива квалитетна слика. Дупчињата кај оваа технологија се доста проблематични затоа што пропуштаат многу малку светлина. Ако наместо нив се користат течни кристали, истата технологија подобро би функционирала, а и самиот LCD екран е изграден од течни кристали. Така што може да се направи LCD екран кој е составен од блокови, 19 х 19, од кои секој блок ќе биде изграден од организирана шема од црни и бели правоаголници кои се различни по големина. Секој бел правоаголник ќе пропушта светлина која ќе се прима и обработува од програми за да се регистрира далечината, промените во просторот и да се препознаат гестовите на корисникот. LCD екранот ќе се променува од камера во екран и обратно, со голема честота.

Конструирање

Има повеќе правила според кои можете да изработите допирен екран. Главната цел е тој екран да може да регистрира допир на еден или повеќе прсти, да може да го одреди местото на допир и да ја пренесе таа наредба до соодветната програма. Кај најпопуларните технологии, отпорничката и кондензирачката, обично има 4 слоеви, и тоа:

Најгорниот слој од полиестер, кој е обложен со проѕирен проводник од долната страна
Леплив разделувач
Стаклен слој обложен со проѕирен проводник од горната страна
Леплив слој за заштита на стаклото од долната страна.

Кога корисникот ќе ја допре површината, системот ја регистрира промената на струјата која протекува низ екранот. Технологијата на распрскувачки сигнал, која е развиена од страна на претпријатието 3M во 2002 година, го мери пиезоелектричниот ефект, односно напонот кој се генерира врз материјалот се нанесува механичка сила. Овај процес се случува на хемиска база кога ќе се допри супстрат на зајакнато стакло. Има два начини на конструирање на допирен екран со помош на инфрацрвени зраци. Кај првиот се поставува низа од сензори и ламбички кои го регистрираат објектот кога ќе го прекине снопот од инфрацрвени зраци при допир или пред да го допри екранот. Во вториот се монтираат инфрацрвени сензори под екранот кои го регистрираат допирот како топлотен отпечаток. Во секој случај, системот го определува времето и местото на допир.

Развој

Буквално сите поважни патенти поврзани со допирните екрани беа регистрирани во 70-тите и 80-тите години од минатиот век и денес нивниот рок е поминат. Компонентите на допирните екрани веќе не се обврзани со авторски права и плаќање за нивно производство и употреба, што претставува една од причините зошто масовно се користат и произведуваат. Развојот на екраните кои можат да регистрираат повеќе места на допир го олеснува процесот на прецизно одредување на сите тие места, со што се овозможува користење на повеќе од еден прст. Ваквата технологија дозволува повеќе корисници да манипулираат со екранот во исто време. Со зголемената потрошувачка на производи во кои е вграден допирен екран, цената за оваа технологија се впива во цената на производот и делотворно се намалува. Како и со сите други технологии, и кај допирните екрани машинскиот и програмскиот дел доволно созреале за овие три декади на развој за денес да дојдат до точка на совршено функционирање. Како такви, допирните екрани денес се користат во авионите, автомобилите, конзолите за видеоигри, индустриските машини, апарати и мобилни уреди од секаков вид. Со влијанието на iPhone, кој користи екран кој регистрира повеќе места на допир, пазарот за допирни екрани за 2009 година изнесуваше 5 милијарди американски долари. Способноста пак, за прецизно одредување на местото на допир, презема уште еден чекор напред со зголемената употреба на електронски табли за цртање и хибридните екрани.

Ергономика и нејзина примена

Петжичен допирен екран

Притисок на прстот

Ергономски проблем на допирните екрани е притисокот врз прстите кога тие се користат за работа по подолго време, затоа што некои екрани поголема механичка сила. Ова може да се олесни ако се користи друг предмет како пенкало, со што ќе се намали притисокот и ќе се зголеми прецизноста. Но користењето на такви помошни алатки на некои места и не е практично, на пример на киосците и банкоматите. Но од друга страна пак, со помош на перо се добива поголема контрола и прецизност, затоа што прстот е поширок и по непрецизен.

Ноктите како перо

Овај ергономски проблем може да се реши ако место прст или перо се користат ноктите од прстите, кои мора да бидат кратки или многу долги. Наместо да притиска со меката кожа, прстот ќе се свитка и врвот на нокотот ќе се искористи за манипулирање врз екранот. Палецот може да се искористи како поддршка при манипулирањето или како поткрепа ако се работи со големи нокти. Но овај метод не функционира кај кондензирачките екрани, затоа што нокотот не е проводник на електрична енергија. Тврдата и свиткана површина на нокотот го допира екранот само во една точка и затоа не се бара голем притисок за постигнување на истиот резултат, не се размачкува пот врз екранот и нокотот може лесно да го движите по неговата површината (кога обележувате текст, придвижувате прозорци или цртате линии). Човечките нокти содржат кератин, кој га има истата јакост и мазна површина како и перо и затоа екранот нема да се оштети при работа со нокот. Како алтернатива на овој метод, постојат навлаки за прсти со функција на перо, кои ја зголемуваат видливоста и прецизноста при манипулација.

Отпечатоци од прсти

Еден од проблемите кај допирните екрани е отпечатоците кои остануваат на екранот. Ваквиот проблем може да се избегни ако се нанеси заштитен слој на екранот кој ја намалува видливоста на отпечатоците или ако се користат перо или нокти. IPhone 3G S телефонот користи заштитен анти-мастен слој против отпечатоци.

Комбиниран со хаптик

Работата со допирни екрани без хаптички одѕив (анг. haptics feedback) може да биде доста тешка поради латентноста и слични фактори. Едно истражување од Универзитетот во Глазгов, Шкотска покажува дека со помош на хаптик, испитаниците направиле околу 20% помалку грешки во работата со допирните екрани, покажале 20% поголема брзина на работа и за 40% намалување на когнитивниот напор.

„Рака од горило“

Во Jargon File, речникот на хакерски сленг изрази, можете да ја најдете следната дефиниција за изразот „рака од горило“: неразбирање од страна на производителите за ергонимскиот проблем кој се јавува при употребата на вертикални допирни екрани по подолго време. Идејата е дека при работа со вертикални допирни екрани, човечката рака која е без потпора се изморува и се јавува болка, односно се претвора во „рака од горило“. Оваа дефиниција често се цитира за да се потсетат производителите да внимаваат на ергономијата. Денес вертикалните допирни екрани сè уште се користат кај банкоматите и електронските киосци, каде нивното користење е многу кратко и не претставува проблем. Аргументите на производителите се дека ваквата умора и неудобност најчесто произлегува од седење во неправилна положба и од недостаток на физички вежби. Уметниците и инженерите во минатото цртале на вертикални платна со векови и немале ваков проблем.

Споредба на различните технологии кај допирните екрани

Податотека:Iphone 4G-2.jpg

iPhone работи исклучиво преку допирен екран

Технологија	Четирижичени	ПАБ	Петжичени	Инфрацрвени	Кондензирачки
Век на траење	3 г.	5 г.	5 г.	5 г.	2 г.
Стабилност	Одлична	Најдобра од сите	Одлична	Одлична	добра
Проѕирност	слаба	добра	добра	добра	задоволителна
Вградување	Вграден/ додатен	Вграден/ додатен	Вграден/ додатен	Додатен	Вграден
Допир	Било што	Прст/перо	Било што	Прст/перо	Проводник
Отпорност на светлина	Добра	Добра	Добра	Лоша	Лоша
Време на одговор	<10 мс	10 мс	<15 мс	<20 мс	<15 мс
Брзина на следење	Добра	Слаба	Добра	Добра	Добра
Подвижност	Нема	Слаба	Добра	Добра	Добра
Екран	Катоден или LCD	Катоден или LCD	Катоден или LCD	Катоден или LCD	Катоден или LCD
Отпорност на вода	Добра	Издржлива	Добра	Издржлива	Добра