Achtergrond: de techniek van touchscreens

Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. Resistive
  3. 3. Vijf draden
  4. 4. Capacitive
  5. 5. Geluid
  6. 6. Optical imaging
  7. 7. Multitouch
  8. 8. Windows 7
  9. 9. Gorilla-arm
  10. 10. Reacties

Inleiding

Sinds de komst van de Apple iPhone lijkt de hele wereld ineens enthousiast over touchscreens. Bij PC's loopt het echter nog niet zo'n vaart. Gaat het aanraakscherm ooit de muis overbodig maken?

Het bedienen van je computer door het scherm aan te raken, het ligt eigenlijk enorm voor de hand. De technologie ligt er al jaren klaar voor; al begin jaren ‘70 werden de eerste aanraakschermen in gebruik genomen. Voor veel gebruiksdoelen is het inmiddels ondenkbaar dat er geen touchscreens zouden bestaan; denk bijvoorbeeld aan pinautomaten bij banken, kassasystemen in restaurants of incheck terminals op vliegvelden. Stuk voor stuk goede voorbeelden van zaken die dankzij touchscreen technologie een stuk gebruiksvriendelijker zijn geworden.

Wie goed zoekt, zal er al snel achterkomen dat er ook voor de PC touchscreens verkrijgbaar zijn. Dergelijke schermen nemen de functie van de muis over en hebben zodoende naast een VGA- of DVI-aansluiting ook een USB- of PS/2-stekker. Op dit moment worden dergelijke schermen vrijwel uitsluitend aan bedrijven verkocht, voor speciale (industriële) toepassingen. Touchscreens voor consumenten PC's is een markt die eigenlijk nog niet bestaat, al zijn er verschillende trends waarneembaar die lijken aan te geven dat aanraakschermen in de toekomst ook voor privé PC's of laptops de gewoonste zaak van de wereld gaan worden. Met de zogenaamde tablet PC's zette Microsoft al de eerste stap, al kunnen we niet bepaald van een daverend succes spreken. Voor de toekomst staat echter veel meer op stapel.


De iPhone heeft ervoor gezorgd dat touchscreens ineens helemaal hip zijn.

Verschillende soorten

De ene touchscreen is de andere niet, er zijn immers verschillende technologieën beschikbaar. De meest gebruikte technologieën luisteren naar de namen Resistive  en Capacitive, terwijl Optical Imaging en Acoustic Wave Recognition touchscreens in opkomst zijn. Maar er bestaan meer technologieën; in totaal zijn er zeker tien verschillende manieren waarop een fabrikant een touchscreen kan fabriceren. Al deze mogelijkheden hebben zo hun voor- en nadelen; niet alleen op technologisch vlak, maar ook qua prijs. Zeker nu aanraakschermen in de toekomst ook voor consumenten PC's steeds gangbaarder gaan worden, is het zaak de techniek zo betaalbaar mogelijk te maken.

Resistive

Nog steeds de meest voorkomende variant zijn zogenaamde resistive touchscreens, waarvan je de opbouw ziet in onderstaande figuur. Dergelijke monitoren hebben voor het TFT-paneel een tweetal zeer dunne, vrijwel doorzichtige lagen van een speciale coating die stroom kan geleiden. Deze twee lagen zitten zeer dicht op elkaar, maar worden door kleine, transparante bolletjes gescheiden, zodat ze elkaar net niet raken. Door op een bepaalde plek op het scherm te drukken, komen de twee lagen wel tegen elkaar en wordt er zodoende een plaatselijke kortsluiting tussen beide lagen bewerkstelligd. De truc om de positie van de aanraking te bepalen zit hem er in dat de twee coatings een bepaalde elektrische weerstand per oppervlakte hebben. Er zijn twee populaire manieren om een resistive aanraakscherm te laten werken, een zogenaamde four-wire­ en five-wire implementatie.


De verschillende lagen bij een resistive touchscreen

In onderstaande figuur zie je hoe een scherm met vier aansluitingen werkt. In de figuur vind je van voor naar achteren de twee geleidende coatings en het TFT-paneel dat er achter zit. De voorste coating heeft een electrische aansluiting aan de boven- en onderzijde. Wanneer hier spanning op wordt gezet, gaat er stroom lopen in verticale richting. Bij de tweede coating zijn er juist aansluitingen aan de linker- en rechterzijde. Wanneer hier spanning op wordt gezet gaat er een stroom lopen in horizontale richting. De aansluitingen aan beide gedeeltes van het scherm kunnen echter ook gebruikt worden om voltage te meten. De controllerchip in het aanraakscherm schakelt constant tussen voltage op de voorste aansluitingen en voltage meten op de achterste aansluitingen en andersom.


De opbouw van een four-wire resistive touchscreen

De werking is dan eenvoudig te begrijpen. Stel dat je het scherm aanraakt op de plek die we in de afbeelding hebben aangeduid met de groene punt. In eerste instantie zet de controller een spanning op de voorste coating. Dankzij de weerstand loopt er een stroom van boven naar onderen en op de positie van de aanraking zal het voltage ongeveer 4 Volt zijn, aangezien de groene punt verticaal ongeveer één vijfde van de bovenkant is. Via de aansluitingen op de tweede coating wordt het voltage uitgelezen en op die manier het Y-coördinaat bepaald. Daarna worden de rollen omgedraaid; op de achterste coating wordt spanning gezet. De punt is in horizontale richting op ongeveer viervijfde van het scherm, zodat de plaatselijke spanning nog ongeveer 1 Volt zal zijn. Deze spanning wordt door de aansluitingen op de voorste coating gemeten, zodat de controller in het touchscreen ook het X-coördinaat kan bepalen. Door snel te schakelen weet het scherm constant waar de aanraking plaats vindt.

Vijf draden

Resistive aanraakschermen met vier aansluitingen hebben een belangrijk nadeel; de voorste coating wordt zowel voor stroomdoorgifte als voor metingen gebruikt. Door het doorbuigen van deze coating kan het echter zijn dat na verloop van tijd de elektrische weerstand niet meer overal even groot is, waardoor er onnauwkeurigheden kunnen ontstaan. Vandaar dat iets duurdere resistive touchscreens met vijf aansluitingen werken. De werking daarvan zie je uitgebeeld in onderstaande afbeelding. Het grote verschil is dat de voorste laag puur gebruikt wordt voor metingen. De achterste coating heeft aansluitingen in de vier hoeken van het scherm. De controller laat om-en-om stroom lopen van boven naar onder en van links naar rechts. Hiertoe wordt telkens 5 Volt op punten A en B en daarna 5 Volt op punt A en C gezet. Via aansluiting E op de voorste coating wordt telkens twee maal het voltage op het punt van aanraking bepaald, zodat opnieuw eenvoudig de XY-coördinaten berekend kunnen worden.


De opbouw van een five-wire resistive touchscreen

Touchscreens die op deze manieren werken hebben als voordeel dat ze relatief goedkoop te produceren zijn, maar er zijn ook grote nadelen. Doordat er twee extra coatings en de afstandsbolletjes voor het daadwerkelijke scherm komen, neemt de helderheid van dergelijke schermen in de regel met zo'n 25% af. Daarnaast zorgen de panel en de bolletjes, omdat ze niet geheel transparant zijn, voor een duidelijke vertekening van het beeld en is de kijkhoek van dergelijke schermen op z'n zachtst gezegd dramatisch te noemen. De meest touchscreens die de laatste jaren op de markt zijn gekomen, maakten gebruik van een resistive aanraakscherm, en wie een dergelijke apparaat naast een normale monitor zet ziet meteen het verschil. Een laatste probleem is dat resistive touchscreens niet geschikt zijn voor de tegenwoordig populair multitouch technologie, waarover verderop meer.

Capacitive

Een duurder, maar voor veel toepassingen beter alternatief zijn zogenaamde capacitive touchscreens. Deze schermen hebben een enkele speciale coating met een constante elektrische lading, die wordt gerealiseerd door op alle hoeken van het scherm een kleine spanning te zetten (zie onderstaande afbeelding). Wanneer het scherm wordt aangeraakt door een object dat elektrische lading kan opnemen - en een menselijke vinger is daar prima toe in staat - gaat er een minuscuul stroompje lopen. Hoe dichter de aanraking bij een bepaalde hoek, hoe meer stroom er vanuit die hoek zal gaan lopen. Door de waardes van de vier hoeken te meten, kan opnieuw eenvoudig de positie van de aanraking bepaald worden. Het bekendste voorbeeld van een apparaat met een touchscreen dat op deze manier werkt is Apple's iPhone.


Een capacitive touchscreen meet een verstoring in een elektrisch veld

Een tweede categorie capacitive touchscreens werkt exact andersom. Hier is wordt juist met het object waarmee het scherm wordt aangeraakt - een pen of stylus - een magnetisch veld opgewerkt, waardoor er een kleine stroompje gaat lopen richting te vier hoeken. Dergelijke schermen kunnen helaas puur met zo'n pen en dus niet met de hand bediend worden. Een voordeel is echter dat er een verschil in grootte van het magnetisch veld gemeten kan worden. De pen die bij zo'n scherm hoort kan bijvoorbeeld op een speciale manier gemaakt worden dat hoe harder hij wordt ingedrukt, hoe grote het veld dat magnetisch wordt opgewekt. Doordat dergelijke touchscreens in feite dus ook de kracht van de aanraking kunnen meten, zijn ze voornamelijk gebruikt in Tablet PC's

De capacitive technologie heeft een flink aantal voordelen; de coating is vrijwel onzichtbaar, zodat de helderheid en beeldkwaliteit van dergelijke aanraakschermen beter is dan bij de resistive schermen. Daarnaast kan, mits er een krachtige controller chip aan boord is, ook probleemloos van multitouch gebruik gemaakt worden. Toch is er ook een nadeel; het produceren van dergelijke touchscreens is relatief duur. Bij kleine schermpjes, zoals die van een iPhone, valt het nog wel mee, maar een 22" monitor op basis van deze technologie zou onbetaalbaar worden.


De meeste Tablet PC's maken gebruik van een capacitive touchscreen

Geluid

Een technologie die in opkomst is en die het beste van twee werelden zou moeten bieden zijn zogenaamde acoustic wave recognition aanraakschermen. De werking is gebaseerd op het feit dat het aanraken van een scherm een miniscule golfbeweging op het scherm bewerkstelligt. Deze golfbeweging, afgebeeld in figuur 4, kan opgevat worden als geluid. Bij dergelijke schermen zit aan alle vier de kanten een nauwkeurige meter - in feite een soort microfoon - die de golfbeweging opvangt. Door de vier meetgegevens te combineren kan opnieuw de positie van de aanraking bepaald worden.

Opnieuw zijn er voor en nadelen; aangezien er geen extra coatings nodig zijn, is de beeldkwaliteit van een dergelijk touchscreen even goed als van een normale monitor. De extra kosten zijn verder ook zeer beperkt, het is geen probleem om de technologie toe te passen op schermen met een groot formaat. Daarnaast kun je touchscreens van dit type ook met om het even wat voor object aanraken; je vinger, een pen, een creditcard, alles werkt. Toch is er een nadeel; de golf wordt alleen op het moment van aanraking gegenereerd. Een scherm van dit type kan dus niet meten of het scherm even hebt aangetipt of het juist aangeraakt houdt. Het meten van een versleping zit er helaas ook niet in. Zodoende is deze technologie voor veel zaken helaas dus ongeschikt.


Dat je een aanraking ook via geluid kunt opmerken ligt aan de basis van Acoustig Pulse Recognition touchscreens.

Optical imaging

Het ultieme touchscreen zou alles moeten kunnen; een uitstekende beeldkwaliteit, lage productieprijs ook bij grote formaten en de mogelijkheid om alle soorten aanrakingen te registreren. Een nieuwe technologie die dit moet bieden, voorziet een touchscreen van optische sensoren. De werking is eigenlijk kinderlijk eenvoudig: de rand van het scherm wordt wat dikker gemaakt, waardoor deze in feite ongeveer een halve centimeter voor het scherm uitsteekt. Aan de boven- of onderzijde en aan de linker- of rechterzijde van de rand zit een infrarood lichtbron. Aan de tegenoverstelde zijdes zitten juist optische sensoren. Zodra je je vinger ergens op het scherm plaatst, wordt er zowel in horizontale als in verticale richting op een bepaalde plek geen lichtinval meer gemeten. Op die manier kan eenvoudig de positie van de vinger worden bepaald.

De technologie heeft een groot aantal voordelen; allereerst wordt het slechts beperkt duurder als een scherm groter wordt. Daarnaast hoeft er geen enkele coating of iets dergelijks over het scherm geplaatst te worden; de beeldkwaliteit is dus exact even goed als een normale monitor. Een laatste voordeel is dat er ook probleemloos de positie van twee of zelfs meer vingers bepaald kan worden: multitouch is dus prima mogelijk! Het enige nadeel van de schermen is de rand die wat naar voren uitsteekt, weinig belemmerend voor een groot 22" scherm, maar niet werkbaar voor kleine, mobiele apparaten zoals een iPhone.

Op recente IT-beurzen hebben al de nodige fabrikanten touchscreens op basis van deze technologie getoond en ook HP's TouchSmart PC is hier op gebaseerd. De komende jaren mogen we nog veel deze technologie verwachten.


De HP TouchSmart PC maakt gebruik van optische aanraakherkenning.

Multitouch

De term was al een paar keer gevallen: ingezet door de iPhone is multi-touch is dé nieuwe trend op het gebied van touchscreens. Dergelijke aanraakschermen kunnen niet alleen de positie van een enkele vinger traceren, maar ook die van twee of meer vingers. Apple heeft inmiddels wel bewezen dat je daar erg coole dingen mee kunt doen; op het schermpje van de iPhone kun je bijvoorbeeld foto's of webpagina's in- en uitzoomen door je vingers uit elkaar te bewegen of juist naar elkaar toe te bewegen. De technologie is inmiddels ook al toegepast in de touchpads van de nieuwe Macbook Air en Macbook Pro laptops, maar ook andere notebookfabrikanten zijn ermee aan de slag gegaan. Op deze systemen kun je bijvoorbeeld door twee vingers tegelijkertijd naar boven of onder te bewegen scrollen in het huidige venster.

Multi-touch is overigens zeker niet nieuw; al in 1982 werd op de universiteit van Toronto een eerste prototype van een multitouch scherm gemaakt. Pas in 1998 ging een bedrijf genaamd Fingerworks aan de slag om de technologie in commerciële producten onder te brengen. Het is juist dit bedrijf dat in 2005 door Apple werd opgekocht om de technologie in de iPhone en andere Apple-producten onder te brengen.

Kip-ei

We schreven het al in de inleidingen; er zijn voldoende zakelijker of industriële toepassingen waar touchscreen niet meer weg te denken, maar voor consumenten PC's lijkt het nog een ver-van-ons-bed-show. Dit is te danken aan een klassiek kip-ei probleem; de gebruikersinterface van normale PC-software, of we nu praten of Windows of Mac OS, is overduidelijk niet gemaakt voor vingerbediening. De vele kleine knopjes zijn eenvoudig te navigeren met een muis, maar Windows bedienen met een touchscreen is een verzoeking. Geen wonder dat er onder consumenten ook eigenlijk nog geen behoefte bestaat aan aanraakschermen.

Een eerste stap in de goede richting is de Tablet PC functionaliteit in de speciale Windows XP-versie en sommige versies van Windows Vista. De interface van Windows is hier speciaal aangepast om handig gebruikt te kunnen worden op een laptop met omklapbaar aanraakscherm. Een van de handige functies was de mogelijkheid om te kunnen schrijven op het scherm van je notebook; handig voor wie notities tijdens een vergadering wil maken. Windows Tablet PC is echter puur gemaakt voor gebruik op relatief kleine schermen en gebruik van een speciale pen in plaats van je vingers.

Windows 7

In de toekomst moet dat echter gaan veranderen! Microsoft heeft al laten doorschemeren dat vingerbediening een belangrijk aspect van de volgende versie van Windows zal worden. De exacte planning op dit vlak voor Windows 7 is helaas nog niet bekend. Wel is Microsoft al overduidelijk aan het experimenteren met toekomstige interfaces voor touchscreens en multi-touch technologie; het mooiste voorbeeld daarvan is de zogenaamde Surface technologie, die men als proef bij enkele Amerikaanse winkels heeft geplaatst.

Surface bestaat uit een 30" touchscreen dat verwerkt is in een tafel, met een interactief oppervlak dat niet voorbehouden is aan een enkele gebruiker. Door gebruik te maken van multitouch technologie kan het geïntegreerde scherm meerdere commando's tegelijk verwerken en uitvoeren. De technologie maakt het mogelijk om in de huiskamer, of waar dan ook, met het gebruik van je handen te bladeren door muziek , foto's, filmpjes en nog veel meer bestanden. Het interessante aan Surface is dat meerdere gebruikers tegelijkertijd het oppervlak kunnen gebruiken en aansturen. Surface is bovendien in staat om barcodes van producten te lezen, om vervolgens de bijpassende informatie op het 30" scherm te tonen. Volgens Microsoft is de technologie zeer geschikt voor gebruik in restaurants en hotels en dergelijke. Door gebruikers bijvoorbeeld toegang te geven tot volledig interactieve menu kaarten kan men precies uitvinden waar zijn of haar gerecht vandaan komt en wat het bevat. Recentelijk is men zelfs een stapje verder gegaan; onder de naam Sphere heeft men een bolvormig touchscreen gemaakt met de surface interface.

Ook bij Apple wordt wel duidelijk dat touchscreens een belangrijke rol gaan spelen bij toekomstige versies van MacOS. De laatste tijd heeft de eigenzinnige computerbouwer immers de nodige patenten aangevraagd die hier toe hinten.


Met Surface experimenteert Microsoft met nieuwe, touchscreen interfaces

Trendzetten

Toch hoef je niet tot de volgende versies van Windows en MacOS te wachten eer je iets met een touchscreen kunt doen op de PC. Zo heeft HP recentelijk een touchscreen computer op de markt gebracht, de TouchSmart PC. Voor deze computer heeft HP een eigen interface bovenop Windows geprogrammeerd. Hiermee kun je eenvoudig via handbediening fotobewerken en -bekijken, internetten, Google Earth verkennen, spelletjes doen, door je muziek- of filmcollectie struinen en zo verder. HP positioneert de TouchSmart als echter huiskamer of keuken computer; wie er recht voor gaat zitten kan hem probleemloos gebruiken voor het normale werk, maar de extra interface is juist bedacht voor wanneer je makkelijk enkele commando's wil doorgeven zonder dat je er echt goed voor moet gaan zitten. Met de introductie van deze PC is HP een ware trendzetter. We zijn benieuwd of met het concept van de grond krijgt.

Daarnaast kun je met de juiste plugins en een los touchscreen ook nu al gebruik maken van handige multitouch bediening is software als Google Earth of de Piclens 3D photoviewer. En eerlijk is eerlijk; zeker bij Google Earth wordt pas duidelijk hoeveel intuïtiever handbediening dan muisbediening kan zijn.

Gorilla-arm

Kan met nieuwe besturingssystemen met nieuwe interfaces een aanraakscherm de taak van een muis geheel overnemen? Zo snel zal het niet gaan. Een belangrijke reden daarvoor is een problematiek die in jargon een ‘Gorilla-arm' genoemd wordt. Het menselijk lichaam is er niet echt op gebouwd om langdurig met uitgestrekte arm kleine bewegingen te maken. Probeer maar eens je arm gedurende een paar minuten recht vooruit te houden; grote kans dat je dat binnen twee minuten al niet meer volhoudt. De meeste touchscreens die nu in de wereld gebruikt worden zijn ofwel gemaakt voor kortstondig gebruik - denk aan de pinautomaten - of zijn horizontaal geplaatst. Het is maar de vraag of langdurig gebruik van een verticaal geplaatst aanraakscherm echt gaat aanslaan. Misschien hebben PC's in de toekomst ook wel twee touchscreens; de eigenlijke monitor, en een horizontaal gepositioneerd exemplaar als toevoeging of vervanging van het toetsenbord.


Kijk maar uit; van teveel touchscreen bediening krijg je een gorilla arm!

Conclusie

Ingegeven voor de populariteit van de iPhone hebben veel bedrijven het gevoel dat touchscreens ook een grote hype voor normale computers zullen worden. Microsoft en Apple hebben al laten doorschemeren dat handbediening een belangrijke rol zal gaan spelen bij hun toekomstige besturingssystemen. Windows Vista en het huidige MacOS X lenen zich er niet goed voor, maar wie aan de slag gaat met HP's TouchSmart PC of software als Google Earth op een normale touchscreen monitor, wordt al snel overtuigd van de kracht. Iets aanraken, verslepen of vergroten met een vingerbeweging is veel intuïtiever dan met de muis. Het heeft echter nog weinig nut om nu al een aanraakscherm te kopen; je kunt beter even wachten tot de toekomstige software daadwerkelijk op de markt is. De schermen zullen dan, mede door de nieuwe optical imaging technologie, ook een stuk goedkoper zijn. Dat verticale touchscreens ooit de muis overbodig zullen maken ligt echter niet voor de hand; je lichaam is er nu eenmaal niet op gemaakt om langdurig te werken met je arm vooruitgestoken.

0