Kaip veikia jutikliniai ekranai

Pirštų magija ant stiklo paviršiaus

Prisimenu, kaip prieš kokius penkiolika metų pirmą kartą pamačiau žmogų, kuris tiesiog braukė pirštu per telefono ekraną ir tas klausė. Atrodė kaip kažkokia magija – jokių mygtukų, tiesiog pirštas ir ekranas. Dabar jutikliniai ekranai tapo tokia kasdienybė, kad net nebesusimąstome, kaip tie stiklo gabalai supranta mūsų prisilietimus. O technologija už to tikrai nėra paprasta.

Šiandien jutiklinius ekranus rasite visur – telefonuose, planšetėse, bankomato ekranuose, parduotuvių terminaluose, net šaldytuvuose. Bet kaip tas stiklas žino, kur paliečiau pirštą? Ir kodėl kai kurie ekranai veikia su pirštinėmis, o kiti ne? Pasinerkime į šią technologiją ir išsiaiškinkime, kas vyksta po tuo blizgančiu paviršiumi.

Rezistyviniai ekranai – senoji gvardija

Pirmieji masinėje rinkoje pasirodę jutikliniai ekranai buvo rezistyviniai. Jei turėjote seną Nintendo DS ar ankstyvąjį PDA (asmeninį skaitmeninį asistentą), tikrai su tokiu susidūrėte. Šie ekranai veikia gana paprastai – tai iš esmės du ploni laidūs sluoksniai, atskirti mažytėmis izoliacinėmis tarpiklėmis.

Kai paspaudžiate tokį ekraną pirštu, stylus’u ar bet kuo kitu, viršutinis lankstus sluoksnis sulinksta ir prisiliečia prie apatinio. Toje vietoje, kur sluoksniai susiliečia, pasikeičia elektros varža (rezistancija), ir prietaisas gali apskaičiuoti tikslią prisilietimo vietą matuodamas elektros srovės pasikeitimus.

Tokių ekranų privalumai buvo akivaizdūs – jie veikė su bet kuo: pirštu, pirštine, nagu, stylus’u, net pieštuku. Buvo pigūs gaminti ir neblogi tikslumu. Bet turėjo ir rimtų trūkumų. Pirma, jie praleidžia mažiau šviesos nei kitos technologijos, todėl ekranas būdavo tamsesnis. Antra, viršutinis sluoksnis laikui bėgant nusidėvėdavo – atmenu, kaip senų telefonų ekranuose atsirasdavo įdubimų ten, kur dažniausiai spausdavai. Ir svarbiausia – jie nepalaiko kelių prisilietimų vienu metu (multitouch), todėl negalėjai to garsiojo „pinch to zoom” judesio atlikti.

Talpa tarp piršto ir ekrano

Dabar pereikime prie technologijos, kuri dominuoja šiuolaikiniuose išmaniuosiuose telefonuose – talpinių (arba kapacicinių) jutiklinių ekranų. Šie ekranai veikia visiškai kitokiu principu ir būtent jie padarė įmanomą tą sklandų patirtį, kurią turime su iPhone’ais, Samsung’ais ir kitais šiuolaikiniais prietaisais.

Talpiniai ekranai paremti paprastu fizikinių dėsniu – bet kurie du elektrai laidūs objektai, esantys arti vienas kito, sukuria elektrinį lauką ir gali kaupti elektros krūvį. Tai vadinama talpa arba kapacityvumu. Jūsų pirštas, būdamas pilnas vandens ir druskų, yra puikus elektros laidininkas.

Ekrano paviršiuje (tiksliau, po apsauginiu stiklu) yra sudėtinga laidžių medžiagų tinklelio sistema. Dažniausiai naudojamas indžio alavo oksidas (ITO) – medžiaga, kuri yra ir skaidri, ir elektrai laidi. Kai pirštas priartėja prie ekrano, jis iškraipo elektrinį lauką toje vietoje. Prietaiso valdiklis nuolat skaito šiuos elektrinius laukus visame ekrane ir tiksliai nustato, kur įvyko prisilietimas.

Štai kodėl talpiniai ekranai neveikia su paprastomis pirštinėmis – audinys nėra elektrai laidus. Bet specialios „jutiklinės” pirštinės turi laidžias gijas, kurios imituoja piršto elektines savybes. Taip pat štai kodėl šie ekranai neveikia, kai ekranas šlapias – vanduo iškraipo elektrinį lauką ir prietaisas nebežino, kur tikrasis prisilietimas.

Kai vienas pirštas nepakanka

Vienas didžiausių talpinių ekranų privalumų – galimybė atpažinti kelis prisilietimus vienu metu. Tai vadinama multitouch technologija, ir ji visiškai pakeitė tai, kaip sąveikaujame su prietaisais.

Ankstyvieji talpiniai ekranai galėjo atpažinti tik vieną prisilietimą. Bet šiuolaikiniai ekranai turi sudėtingesnę jutiklių matricą, kuri gali atskirti net dešimt ar daugiau vienu metu vykstančių prisilietimų. Tai veikia todėl, kad valdiklis nuolat skaito visą elektrinių laukų žemėlapį ir gali identifikuoti kelis atskirus sutrikdymus.

Būtent multitouch padarė įmanomą visus tuos intuityvius gestus, kuriuos dabar naudojame kasdien: du pirštai ekraną ištempia arba suspaudžia, kad priartintų ar nutolintų; braukimas keliais pirštais perjungia programas; sukimo judesys pasuka nuotrauką. Visa tai atrodo taip natūralu, kad net nebesusimąstome, kokia sudėtinga technologija už to slypi.

Įvairovė po vienu pavadinimu

Nors paprastai kalbame apie „talpinius ekranus”, iš tiesų egzistuoja keletas skirtingų šios technologijos atmainų. Paviršinės talpos ekranuose elektrodai yra tik ekrano kampuose, ir prisilietimas matuojamas pagal tai, kaip elektros srovė pasiskirsto link šių kampų. Šie ekranai patvarūs, bet ne itin tikslūs.

Projekcinės talpos ekranuose (tai, ką turite savo telefone) yra sudėtinga laidžių linijų matrica po visu ekranu. Ši matrica gali būti sudaryta dviem būdais: arba laidininkai išdėstyti dviejuose sluoksniuose (vienas horizontaliai, kitas vertikaliai), arba viename sluoksnyje, bet sudėtingais deimanto formos raštais. Antrasis variantas leidžia gaminti plonesnius ekranus.

Yra ir hibridinių sprendimų. Pavyzdžiui, kai kurie planšečių ekranai gali atpažinti ir piršto prisilietimą, ir specialų stylus’ą, kuris naudoja visiškai kitokią technologiją – elektromagnetinę rezonanso sistemą. Tai leidžia pasiekti pieštuko tikslumą piešimui, išlaikant įprastą jutiklinio ekrano funkcionalumą.

Kodėl ekranas kartais nesupranta, ko norite

Turbūt visi esate patyrę situaciją, kai jutiklinis ekranas tiesiog nenori klausyti. Kartais tai vyksta dėl visai suprantamų priežasčių. Jei ekranas šlapias, vandens lašai sukuria savo elektrinius laukus, ir prietaisas negali atskirti, kur pirštas, o kur vanduo. Kai kurie naujesni telefonai turi specialius algoritmus, kurie bando tai kompensuoti, bet vis tiek neidealu.

Pigios apsauginės plėvelės taip pat gali sukelti problemų. Jos prideda papildomą sluoksnį tarp piršto ir jutiklių, silpnindamos signalą. Kokybiškas grūdintas stiklas šios problemos nesukelia, nes jis plonas ir tolygus, bet prastos kokybės plastikinės plėvelės tikrai gali pabloginti ekrano jautrumą.

Įdomus faktas – kai telefonas įkraunamas pigia, nekokybišku įkrovikliu, ekranas gali pradėti „pamišti”. Tai vyksta todėl, kad prastas įkroviklis sukelia elektros trikdžius, kurie iškraipo elektrinius laukus ekrane. Jei pastebite, kad įkraunamas telefonas blogai reaguoja į prisilietimus, greičiausiai problema būtent įkroviklyje.

Ateities prisilietimai

Jutiklinių ekranų technologija nesiruošia sustoti ties tuo, ką turime dabar. Jau dabar rinkoje atsiranda ekranų, kurie gali atpažinti, kaip stipriai spaudžiate – tai vadinama 3D Touch arba Force Touch technologija. Po ekranu įmontuoti mažyčiai deformacijos jutikliai, kurie matuoja spaudimo jėgą. Tai prideda visiškai naują sąveikos dimensiją – lengvas paliestimas daro vieną veiksmą, stiprus paspaudimas – kitą.

Kita įdomi kryptis – haptinė grįžtamoji reakcija. Moderniuose telefonuose jau yra vibracijos varikliai, kurie gali imituoti mygtuko paspaudimo jausmą, nors iš tikrųjų jokio fizinio mygtuko nėra. Ateityje šie haptiniai atsakai gali tapti dar sudėtingesni, leidžiant „pajusti” skirtingas tekstūras ekrane.

Mokslininkai taip pat dirba prie ekranų, kurie veiktų net šlapiomis rankomis ar po vandeniu. Kai kurie naujausi telefonai jau turi šią funkciją, naudodami sudėtingus algoritmus, kurie atskiria vandens lašus nuo tikrųjų prisilietimų. Yra net eksperimentų su ekranais, kurie galėtų veikti per storą stiklą ar net medžiagą.

Nuo stebuklo iki kasdienybės

Jutikliniai ekranai per keletą dešimtmečių nužygiavo nuo brangių, nepatikimų naujovių iki technologijos, be kurios jau negalime įsivaizduoti gyvenimo. Rezistyviniai ekranai, kurie kadaise atrodė kaip fantastika, dabar atrodo kaip dinozaurai. Talpiniai ekranai, kurie dar prieš penkiolika metų buvo tik aukščiausios klasės prietaisuose, dabar yra net pigiausiuose išmaniuosiuose telefonuose.

Ši technologija puikiai iliustruoja, kaip inžinerija gali paversti sudėtingus fizinius reiškinius – elektrinius laukus, talpą, laidumą – į kažką tokio intuityvaus ir paprasto, kad tą gali naudoti net mažas vaikas. Kai matote dvejų metų vaiką, kuris instinktyviai bando braukti pirštu per knygos puslapį tikėdamasis, kad jis paslinks, suprantate, kaip giliai ši technologija integravosi į mūsų gyvenimą.

Ir nors dažnai sakome „jutiklinis ekranas”, iš tikrųjų tai ne vienas išradimas, o daugybės technologijų – medžiagų mokslo, elektronikos, programinės įrangos, signalų apdorojimo – sintezė. Kiekvienas prisilietimas prie ekrano įjungia sudėtingą procesų grandinę: elektrinių laukų matavimą, signalų filtravimą, koordinačių skaičiavimą, gestų atpažinimą. Ir visa tai vyksta per milisekundes, todėl jums atrodo, kad ekranas tiesiog „žino”, ko norite.

Taigi kitą kartą, kai brauksite pirštu per telefono ekraną, galite bent akimirkai pagalvoti apie tą mažą technologinį stebuklą, vykstantį po jūsų piršto galiuku. Arba galite tiesiog toliau naudotis – būtent tam ši technologija ir sukurta.