張倩洋，張釗鋒，李寶騏

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201210；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.上海磐啟微電子有限公司，上海 201210)

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互電容觸控坐標(biāo)精確處理和上報(bào)算法

張倩洋1,2，張釗鋒1，李寶騏3

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201210；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.上海磐啟微電子有限公司，上海 201210)

在觸控屏上用手指或觸控筆劃動(dòng)時(shí)，由于手抖、噪聲及不穩(wěn)定的感應(yīng)信號(hào)，觸控軌跡會(huì)產(chǎn)生不期望的震蕩，呈現(xiàn)出鋸齒波和曲線斷點(diǎn)，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)很差。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種基于互電容的觸控坐標(biāo)精確上報(bào)的處理算法。通過(guò)微控制器對(duì)觸控坐標(biāo)原始數(shù)據(jù)的處理，找到觸發(fā)時(shí)電容信號(hào)的相對(duì)變化峰值及高于閾值門限的等高線輪廓，再通過(guò)輪廓插值得到不規(guī)則多邊形，利用其頂點(diǎn)的凹凸性區(qū)分兩個(gè)或多個(gè)觸控點(diǎn)，并計(jì)算多邊形的質(zhì)心，確定劃線標(biāo)識(shí)，再通過(guò)線性二次指數(shù)平滑濾波后，實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精確上報(bào)。濾波后的坐標(biāo)軌跡視覺(jué)上更加平滑，結(jié)果表明該算法能消除曲線邊緣的鋸齒波及曲線斷點(diǎn)，成功地處理觸控信息。

互電容；觸控坐標(biāo)；閾值門限；指數(shù)平滑濾波

隨著電子觸控的興起，觸控屏在電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，極大地提升了人機(jī)間交互。其中電容式觸控屏具有多感應(yīng)觸控、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用[1]。然而，當(dāng)觸控單元在觸控屏上移動(dòng)時(shí)，會(huì)存在手抖、噪聲及不穩(wěn)定的電容感應(yīng)信號(hào)的干擾，從而出現(xiàn)觸控屏上的曲線不平滑、觸控位置精度下降、曲線邊緣出現(xiàn)鋸齒波、像素點(diǎn)偏移和曲線斷點(diǎn)等問(wèn)題。目前已經(jīng)有相關(guān)研究嘗試解決這類問(wèn)題[2-5]。

毛建平提出了一種觸控屏坐標(biāo)去抖動(dòng)方法，但該方法某些情況延遲過(guò)大[2]；Wen-Chung Kao等人提出的插值像素法過(guò)于復(fù)雜，成本過(guò)高[3]；Chih-Lung Lin等人利用了峰值校準(zhǔn)使得電容觸控板不需要電源，但需要額外PC及USB接口的輔助[4]。莫良華等提出了一種提高邊緣感應(yīng)觸摸精度的電容式觸控屏及其數(shù)據(jù)處理方法，提高了邊緣靈敏度，但仍存在一定的誤差[5]。

1　觸控控制芯片工作原理

觸摸屏控制芯片將觸控電信號(hào)轉(zhuǎn)化為精確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)上報(bào)給觸摸控制設(shè)備的上層處理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　觸控屏控制芯片工作原理示意圖

屏電容分為多個(gè)小單元，當(dāng)手或者觸控筆觸摸時(shí)，會(huì)導(dǎo)致觸控點(diǎn)電容微弱的變化，這種微弱的變動(dòng)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電容模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大之后，變成模擬電壓，由于屏電容數(shù)量很大，設(shè)計(jì)采用輪流掃描的方式，依次將多個(gè)屏電容的大小轉(zhuǎn)化成模擬電壓。

開(kāi)關(guān)電容模塊的開(kāi)關(guān)由數(shù)字電路控制，遵循精確的時(shí)序，經(jīng)過(guò)一系列步驟之后得到反映觸摸屏電容大小的電壓信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)開(kāi)始運(yùn)作，采樣模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)部分包括對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括抗混疊低通濾波器，去除高頻分量，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理打下良好基礎(chǔ)。當(dāng)整個(gè)屏幕電容全部掃描結(jié)束并且數(shù)字信號(hào)處理完成后，每個(gè)屏電容即得到一個(gè)反映該電容大小的數(shù)據(jù)。

微控制器(MCU)獲取反映電容大小的原始數(shù)據(jù)后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得劃線避免抖動(dòng)、斷線等情況，判斷出精確的觸控坐標(biāo)點(diǎn)，以獲得更好的用戶體驗(yàn)，并將此坐標(biāo)上報(bào)給上層處理系統(tǒng)，上層處理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)上報(bào)過(guò)來(lái)的一連串坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定觸控的手勢(shì)。

2　觸控識(shí)別

觸控識(shí)別的實(shí)現(xiàn)基于原始數(shù)據(jù)，觸控芯片的硬件部分會(huì)將整個(gè)屏的不同單元經(jīng)過(guò)ADC采樣和數(shù)字濾波器的處理最終送給微控制器，這些數(shù)據(jù)反映了當(dāng)前觸控屏的電容變化。

根據(jù)DSP上報(bào)的原始數(shù)據(jù)，軟件首先找到電容相對(duì)變化的最大值，以最大值為中心形成一個(gè)相對(duì)較大值區(qū)域，將這個(gè)不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的多邊形進(jìn)行圖像處理，然后對(duì)多邊形進(jìn)行濾波，進(jìn)而對(duì)多邊形求中心，具體流程如圖2所示。

圖2　觸控識(shí)別流程圖

2.1預(yù)處理

通常，在接通穩(wěn)壓輸入電源后，驅(qū)動(dòng)通道和感應(yīng)通道之間的n×n的互電容分布均勻穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的異常變化，當(dāng)一個(gè)觸控傳感器單元被觸摸到時(shí)，每一幀掃描到的在驅(qū)動(dòng)通道和感應(yīng)通道之間的的互電容分布就會(huì)發(fā)生變化，觸摸點(diǎn)附近的電容值會(huì)迅速增大，電容值的相對(duì)變化量反映了此時(shí)觸摸點(diǎn)的觸控強(qiáng)度。也即需要先對(duì)上報(bào)的原始數(shù)據(jù)做預(yù)處理，觸摸前后的電容值的差值即為當(dāng)前電容相對(duì)變化量(沒(méi)有被觸摸到的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一個(gè)在0附近小范圍波動(dòng)的數(shù)據(jù)，波動(dòng)是自然的，因?yàn)橛|控屏的外在環(huán)境，芯片參數(shù)等都在小范圍內(nèi)波動(dòng))。

2.2確定觸控峰值及峰值域

對(duì)于一個(gè)精確的觸控幀，需要找到這一幀的觸控峰值，也即觸控強(qiáng)度最大的觸控單元(標(biāo)紅的方形)，這個(gè)觸控單元標(biāo)明該點(diǎn)發(fā)生了觸控。

當(dāng)單點(diǎn)觸控時(shí)，只有一個(gè)峰值，最大值即相對(duì)峰值。當(dāng)多點(diǎn)觸控時(shí)，會(huì)有多個(gè)峰值，如果在這一幀中重復(fù)該過(guò)程，第二次查找峰值時(shí)會(huì)出現(xiàn)峰值查重現(xiàn)象(找到和第一次相同的峰值)，或者找到的是首次峰值域里的某個(gè)值，致使后續(xù)流程不加分辨進(jìn)行處理而浪費(fèi)了資源。解決的方法是對(duì)已經(jīng)查找過(guò)的最大觸控單元做標(biāo)記，并且對(duì)其峰值域內(nèi)的其他單元也做上標(biāo)記，避免了對(duì)同一個(gè)觸控點(diǎn)做多次處理。

當(dāng)檢測(cè)到最大值后，需要同步地大致檢測(cè)出觸摸的一塊區(qū)域的輪廓。事實(shí)上，觸控屏電容的個(gè)數(shù)是有限的，如果僅僅將最大值，即屏電容的位置中心坐標(biāo)上報(bào)給上層系統(tǒng)，觸控屏顯示出的坐標(biāo)分辨率是非常差的，無(wú)法精確觸控。當(dāng)屏電容有觸控感應(yīng)時(shí)，觸摸點(diǎn)附近的屏電容值會(huì)隨之增大，并產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)峰值，在三維空間視角中，會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)或多個(gè)山丘狀，它反映了這一幀的觸控強(qiáng)度，山丘的等強(qiáng)度線類似于等高線，可正可負(fù)。系統(tǒng)根據(jù)電容相對(duì)變化量，設(shè)置一個(gè)閾值門限，然后找到峰值域。

這里，閾值門限是動(dòng)態(tài)變化的，初始電容閾值是前20幀(沒(méi)有觸摸感應(yīng))的電容平均值，而后的門限值則不低于前5幀的閾值平均值，同時(shí)不能低于當(dāng)前幀觸控峰值的0.3倍(實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)所得)，因?yàn)槿绻撝甸T限設(shè)置得太低會(huì)引入不必要的噪聲干擾，影響峰值域的選取。

以峰值為中心，根據(jù)閾值門限，環(huán)繞著峰值一圈找到高于門限值的屏電容單元，得到一塊峰值域，以此避免了貫穿遍歷一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間和資源浪費(fèi)。如若將峰值域的中心坐標(biāo)上報(bào)上層系統(tǒng)，分辨率會(huì)明顯高于僅僅上報(bào)峰值單元中心坐標(biāo)。但仍然存在一個(gè)問(wèn)題，在峰值域內(nèi)，每個(gè)屏電容單元的電容變化值均不同，僅僅計(jì)算峰值域中心坐標(biāo)只是一個(gè)近似估計(jì)，精度仍需進(jìn)一步提高。圖3顯示了找到電容變化峰值及生成觸控等高線輪廓的三維圖。

圖3　找電容變化峰值，并生成峰值域后的三維圖

2.3輪廓插值

在閾值門限的平面，沿著高于輪廓閾值門限的屏電容單元環(huán)繞一周可以構(gòu)成一個(gè)迷宮，如果沿著左手方向一直向前走，可以從起點(diǎn)回到終點(diǎn)，如圖4所示。在迷宮外，找到一個(gè)低于閾值門限的電容單元，可以在這個(gè)單元和與它鄰近的高于閾值的單元中間插入一個(gè)和閾值一樣大的點(diǎn)。不斷重復(fù)這一操作，可以得到一條封閉的和閾值大小相等的輪廓曲線，如圖5所示。

圖4　高于閾值的輪廓

圖5　輪廓插值曲線

2.4輪廓曲線凹凸性判定

上一步得到的觸控輪廓曲線是一個(gè)不規(guī)則的平面多邊形，需要判定該區(qū)域內(nèi)包含了一個(gè)還是兩個(gè)或者多個(gè)觸摸點(diǎn)。一個(gè)同時(shí)包含兩個(gè)觸控點(diǎn)的輪廓形狀類似“花生”，在觀察輪廓凹陷程度的同時(shí)，還需判定凹點(diǎn)的方向。在一個(gè)“花生”中，凹點(diǎn)一般凹陷的很深，并且傾向于兩端互指。凹凸頂點(diǎn)判定圖見(jiàn)圖6。

圖6　凹凸頂點(diǎn)判定圖

凹陷程度的判定基于叉乘積[6]，具體推導(dǎo)與操作如下：順序給出3個(gè)平面點(diǎn)P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3)，當(dāng)以空間坐標(biāo)表示這3個(gè)點(diǎn)時(shí)，并以垂直紙面向外為Z坐標(biāo)軸指向，坐標(biāo)重新表示為P1(x1,y1,0),P2(x2,y2,0),P3(x3,y3,0)

(1)

(2)

(x2-x3)(y1-y3))=(0,0,S)

(3)

根據(jù)叉乘的右手法則，對(duì)于P2凸點(diǎn)和凹點(diǎn)兩種情形，叉乘積向量所指方向剛好相反，進(jìn)一步可得出結(jié)論：當(dāng)P2凸點(diǎn)時(shí)，S>0；當(dāng)P2凹點(diǎn)時(shí)，S<0。

在標(biāo)準(zhǔn)化向量數(shù)學(xué)中，方向是兩條線段的矢量和?？筛鶕?jù)相互間的凹陷程度、方向及距離，給每一對(duì)頂點(diǎn)分等級(jí)。一個(gè)高等級(jí)的凹陷程度和對(duì)等點(diǎn)意味著檢測(cè)到一個(gè)“花生”，并且確定多指觸摸的間斷點(diǎn)(見(jiàn)圖7)。

2.5計(jì)算輪廓質(zhì)心

有了代表手指觸摸(輪廓的一半)的多邊形，還需進(jìn)一步確定觸摸的位置和大小。本文采用質(zhì)心的方法，把觸控區(qū)域的幾何中心估計(jì)為它的位置。先把多邊形劃分成很多個(gè)三角形，然后一步步計(jì)算三角形的平衡點(diǎn)，首先在觸控區(qū)域內(nèi)隨意選擇一個(gè)點(diǎn)，將該點(diǎn)與輪廓的某條線段的兩個(gè)頂點(diǎn)相連，這樣就由隨意點(diǎn)確定了一個(gè)三角形，該點(diǎn)的力矩M△就等于這個(gè)三角形的面積SΔ與到三角形中心的向量V△的乘積，即

MΔ=SΔ×VΔ

(4)

三角形面積的總和即觸控總面積，力矩的矢量和也即整個(gè)多邊形的力矩。由于力矩是面積乘以到中心點(diǎn)位置的向量，所以力矩M多除以面積S多即為關(guān)于該觸控點(diǎn)的觸控多邊形中心的位置向量V多

M多/S多=V多

(5)

圖7　用輪廓線段的凹凸性分離兩個(gè)觸摸點(diǎn)

多邊形質(zhì)心計(jì)算矢量示意圖如圖8所示。

圖8　多邊形質(zhì)心計(jì)算矢量示意圖

2.6劃線標(biāo)識(shí)判定

對(duì)于持續(xù)移動(dòng)的多點(diǎn)觸控，需要判定其劃線標(biāo)識(shí)，將之前的觸控點(diǎn)和現(xiàn)在的觸控點(diǎn)進(jìn)行匹配，使得上報(bào)的劃線標(biāo)識(shí)保持一致。通常采用的最近距離匹配法會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤判。用速度計(jì)算一個(gè)期望的位置會(huì)更好。本文采用關(guān)聯(lián)性來(lái)調(diào)節(jié)觸控信號(hào)。首先，做時(shí)間濾波，即計(jì)算過(guò)去的3個(gè)觸控位置的平均值。其次，考慮觸控強(qiáng)度滯后效應(yīng)，需要設(shè)置觸控懸停時(shí)間門限，它與觸控強(qiáng)度和時(shí)間成正相關(guān)。當(dāng)懸停釋放，初始劃線標(biāo)識(shí)不再追蹤，懸停觸控和觸控釋放均不再上報(bào)為觸控，而弱觸控表現(xiàn)為在一個(gè)很長(zhǎng)的延遲后上報(bào)一個(gè)觸摸點(diǎn)，中等觸控表現(xiàn)為在一個(gè)短暫的延遲后上報(bào)一個(gè)觸摸點(diǎn)，強(qiáng)觸控則及時(shí)地上報(bào)觸摸點(diǎn)。

3　觸控坐標(biāo)濾波

經(jīng)過(guò)以上步驟計(jì)算出來(lái)的坐標(biāo)仍然是一個(gè)相對(duì)粗糙的坐標(biāo)信息，真正給用戶上報(bào)的坐標(biāo)信息還需做進(jìn)

一步相應(yīng)的濾波處理。本文采用線性二次指數(shù)平滑法[7]對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

設(shè)t時(shí)刻的橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為xt(縱坐標(biāo)同理)，則有

(6)

(7)

由式(5)和(6)可得

(8)

(9)

Ft+m=at+btm

(10)

式中：Ft+m為下一m期預(yù)測(cè)值，m為預(yù)測(cè)超前期數(shù)。

圖9展示了采用線性二次指數(shù)平滑濾波前后的坐標(biāo)軌跡對(duì)比效果圖，很顯然，濾波后獲得了更好的平滑度。

圖9　采用指數(shù)平滑濾波的坐標(biāo)軌跡前后對(duì)比圖

4　生成顯示坐標(biāo)并上報(bào)

將計(jì)算出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的劃線標(biāo)識(shí)，統(tǒng)一上報(bào)給上層系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖10所示。

圖10　生成顯示坐標(biāo)及上報(bào)數(shù)據(jù)過(guò)程

5　結(jié)論

本文提出了一種基于互電容的平滑處理觸控坐標(biāo)在觸控屏上的移動(dòng)感應(yīng)軌跡的新方法。相比原始輸入的移動(dòng)觸控軌跡，采用觸控識(shí)別算法，通過(guò)MCU對(duì)觸控坐標(biāo)原始數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)去抖，再通過(guò)指數(shù)平滑濾波后的觸控軌跡更加平滑，能有效地在觸控屏上顯示坐標(biāo)信息并上報(bào)給上層處理系統(tǒng)。

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責(zé)任編輯：許盈

Accurate touch coordinates processing and reporting algorithm based on mutual capacitance

ZHANG Qianyang1,2, ZHANG Zhaofeng1, LI Baoqi3

(1.ShanghaiAdvancedResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201210,China; 2.ChinaUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.ShanghaiPanchipMicroElectronicsCo.,Ltd.,Shanghai201210,China)

A novel approach to accurately process and report touch coordinates is presented based on mutual capacitance. Unwanted oscillations appeares as zigzag output and curve breakpoints which can be apparently seen are caused by hand shake, noise and unstable sense signals when drawing and writing on a touch screen, which leads to poor user experience. The drawn trajectory needs to be improved for better visual display effect. Thus, touch recognition algorithm is utilized in this paper, the raw data of the touch coordinates is processed through the micro-controller. First, the maximum value of the relative change of the capacitance signal is found and stored when touching. Then, the edge of contour which is higher than threshold can be interpolated, getting an irregular polygon. Besides, discrimination of two or more touch points can be implemented by judging the bump sex of polygon vertices. After polygon centroid is calculated and touch id is determined, the final coordinates are given and reported to the upper host with linear quadratic exponential smooth filtering. The displayed track is visually smoothed, showing the proposed algorithm can successfully handle the touch information and turn the zigzag waves with breakpoints to smoothed curves.

mutual capacitance; touch coordinates; contour threshold; exponential smooth filtering

TN409

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.10.011

2016-04-02

文獻(xiàn)引用格式：張倩洋，張釗鋒，李寶騏. 互電容觸控坐標(biāo)精確處理和上報(bào)算法[J].電視技術(shù)，2016，40(10)：50-54.

ZHANG Q Y，ZHANG Z F，LI B Q. Accurate touch coordinates processing and reporting algorithm based on mutual capacitance[J].Video engineering，2016，40(10)：50-54.