三維觸控技術(shù)詳解 突破“二向箔”的束縛

觸摸屏技術(shù)至少可以追溯到上世紀(jì)70年代的美國伊利諾伊大學(xué)，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們把這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室里的最新成果安裝到了PLATO IV計(jì)算機(jī)上用于課堂輔助教學(xué)，觸摸屏由此第一次走出實(shí)驗(yàn)室正式進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。不過，觸摸屏的技術(shù)并不成熟，商用價(jià)值在此后的很長時(shí)間內(nèi)也并沒有被發(fā)掘出來。到了90年代，觸摸屏出現(xiàn)在高端PDA（年紀(jì)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(shù)PDA用戶還是更喜歡直接用實(shí)體鍵盤操作。2004年，任天堂的掌上游戲機(jī)NDS在全球熱賣，其最大的賣點(diǎn)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(jìn)入了更多人的視野。

不過，直到那時(shí)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(jìn)千家萬戶還是要?dú)w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(jī)。在iPhone發(fā)售之前，智能手機(jī)的定義是“用戶能夠自主安裝軟件的手機(jī)”，而在iPhone發(fā)售之后，智能手機(jī)的定義變成了“屏幕可以滑的手機(jī)”，觸摸屏對(duì)于iPhone來說是標(biāo)志性不可或缺的模塊。實(shí)際上，在手機(jī)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(jī)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(yàn)。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(jī)。一夜之間，地鐵上再也聽不到手機(jī)的按鍵聲，因?yàn)樗腥硕奸_始用觸摸屏“滑”手機(jī)。

觸摸屏首次出現(xiàn)在PLATO IV計(jì)算機(jī)中（左上，此后陸續(xù)出現(xiàn)在快譯通（右上），NDS（左下）等設(shè)備中，最后蘋果推出的iPhone（右下）讓觸摸屏真正走進(jìn)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(jī)屏幕變成了一種享受。另一方面，為了使手機(jī)變得更輕更薄，屏幕制造技術(shù)也經(jīng)歷了out-of-cell到on-cell直至最薄的in-cell。相對(duì)于十年前的觸摸屏，今天的觸摸屏更薄，操作手感更好。

然而，人們對(duì)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(jī)與用戶交互方式的進(jìn)化過程。

最初，用戶只能通過按手機(jī)上若干位置固定的按鍵來操作手機(jī)，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(jī)觸摸屏的二維空間里自由動(dòng)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(jìn)化，那么用戶與手機(jī)的交互維度將會(huì)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(huì)想到：既然人類生活在三維的空間里，為什么用戶與設(shè)備的交互只能是在二維空間里呢？有沒有可能實(shí)現(xiàn)三維的交互方法呢？

要實(shí)現(xiàn)三維交互，就必須能夠?qū)崟r(shí)捕捉到用戶的手在三維空間中的坐標(biāo)，并且根據(jù)用戶手的三維坐標(biāo)（及其變化）做出相應(yīng)回應(yīng)。

幸運(yùn)的是，科學(xué)家和工程師們已經(jīng)開始開發(fā)三維觸控來實(shí)現(xiàn)超越二維的人機(jī)交互。在具體地分析技術(shù)之前，我們不妨先來展望一下三維人機(jī)交互方法都能帶來哪些革命性的應(yīng)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(yīng)用。確實(shí)，游戲是所有應(yīng)用中對(duì)于交互方式要求最高的。使用與游戲相配合的專用交互設(shè)備，玩家才能完全體會(huì)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(shè)（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(dāng)觸摸屏在手機(jī)上剛普及時(shí)，《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(dāng)觸摸屏可以捕捉到人手在三維中的動(dòng)作時(shí)，在游戲中可以實(shí)現(xiàn)許多新的玩法。一個(gè)非常有潛力的方向就是和VR技術(shù)結(jié)合，例如類似《水果忍者》的游戲可以在三維空間內(nèi)通過玩家的手勢進(jìn)行，《街頭霸王》等格斗游戲的出招可以由玩家的真實(shí)手勢觸發(fā)，從而使玩家的代入感大大增加。

3D觸屏結(jié)合VR技術(shù)可以極大地增加游戲可玩性

2、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality， AR）

三維觸摸屏很有潛力成為AR應(yīng)用中人機(jī)交互的基礎(chǔ)技術(shù)。

在AR技術(shù)中，用戶佩戴的專用眼鏡作為顯示屏，通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)將AR的圖像界面與現(xiàn)實(shí)世界有機(jī)地結(jié)合在一起并投射到用戶眼睛的視網(wǎng)膜上。當(dāng)用戶的手做出動(dòng)作時(shí)，AR設(shè)備必須能準(zhǔn)確地捕捉到手的實(shí)時(shí)位置并根據(jù)用戶手的動(dòng)作做出相應(yīng)反應(yīng)。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(jī)交互的基礎(chǔ)技術(shù)。在AR技術(shù)普及后，不僅僅手機(jī)、電腦會(huì)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(shù)，從而讓用戶隨時(shí)隨地能使用AR。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將計(jì)算機(jī)圖像與現(xiàn)實(shí)結(jié)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）