DiamondTouch是一种多用户触摸技术，适用于桌面环境和前投显示器。它可以实现多个用户同时在同一个触摸表面上进行操作，而彼此之间不会相互干扰，也不会受到异物的影响。此外，DiamondTouch还能够识别哪个用户正在触摸表面的哪个位置。

有人构建了一个协作工作空间，多个用户可以在其*共中**同使用数据集。该环境包括一个安装在天花板上的视频投影仪，将内容显示在一张白色桌子上，用户可以坐下操作。每个用户还配备了一个无线鼠标作为输入设备。

通过让用户独立地同时与桌面进行互动，并考虑使用多只鼠标，可以改善协作效果。然而，在协作环境中使用多只鼠标存在一些问题。用户可能会面临跟踪指针在大型表面上的挑战。跟踪多只鼠标几乎是不可能的，这使得用户无法准确地告知其他用户他们所指向的位置。

此外，依赖于单一的物理设备也无法充分利用人类的自然倾向，例如伸手、触摸和抓握动作。使用大型触摸屏作为桌面解决方案看起来是一个答案，但现有的触摸技术还不足以满足需求，大多数只允许单点触摸且无法识别用户。

而DiamondTouch技术具有多点触摸、用户识别、抗干扰、耐用性、无需额外设备和低成本制造的特点可以解决上述问题。

多用户触摸技术原理

DiamondTouch是一种通过传输不同的电信号来工作的技术。它向桌面的每个部分发出独特的信号以进行确认。当用户触摸桌子时，信号从触摸点正下方进行电容耦合，并通过用户进入与该用户相关联的接收器单元。

然后，接收器可以确定用户正在触摸桌面的哪些部分。这种方式可以实现多点触控，使系统能够检测和跟踪多个用户在桌面上的触摸位置和动作。桌面是使用一组嵌入式天线构建的，可以具有任意形状和大小。

这些天线是由导电材料制成的薄片，并且彼此之间被绝缘隔离。由于向用户发送的信号是电容耦合的，天线也与用户绝缘，整个桌面覆盖着一层绝缘保护材料，如图1所示。每个天线延伸到一个特定区域，以明确标识出其位置。

图1

系统无法区分用户触摸天线的具体位置，即用户触摸的天线。发射器单元通过驱动每个天线发送自己的信号，可以通过信号的特征来区分每个天线。用户通过他们的椅子与天线发生电容耦合，并且接收器通过共享的电气接地参考返回到发射器。

当用户触摸桌子时，电容耦合电路就会完成连接。该电路从发射器开始，通过桌面上的触摸点传输，然后通过用户到达用户的接收器，并返回到发射器。

通过适当的设计，人体的电容耦合可以非常可靠地实现。首先要考虑的是使用"近场"即电容耦合进行操作。通过限制发射频率，使得整个系统的尺寸相比波长非常小，辐射的能量非常少。

这减少了射频干扰和不需要的天线之间的耦合问题。对于适当大小的桌子，频率应在亚兆赫范围内。由于用户可能同时触摸多个天线，因此接收器的能力来区分和区分天线是非常重要的，以识别输入信号的任何混合。

为了实现这一点，使用了一种信号处理术语中称为"可分离的"或"相互正交的"的信号。有多种方法可以生成这样的信号。

例如，可以使用不同频率的正弦波来驱动每个天线。通过检查接收信号的频谱，耦合到多个天线的接收器可以确定它们来自哪些天线。然而，生成大型阵列所需的许多频率是复杂且相对昂贵的。

时分复用是另一种选择。在这种情况下，每个天线被逐个驱动，而其他天线则不被驱动。接收器根据接收时间信号来确定哪些天线与之相连。尽管这种系统的实施非常简单，但它可能不适用于较大的阵列。

这是由于各种制约因素的相互作用。为了提供良好的响应时间，整个阵列必须以每秒10到100次的速率进行扫描。然而，实际可用的调制频率受限于亚兆赫范围，这导致每个天线的调制周期非常短，使得接收机设计变得非常困难，特别是在面对其他干扰噪声源时。

另一种构建一组正交信号的方法是码分复用，这是一种扩频技术。事实上，对于大型阵列来说，这是一种特别优雅的方法，因为可以使用非常简单的硬件操作（如移位、XOR等）来生成扩展码序列。

简单的硬件甚至可以级联，以实现更大规模的触摸设备。扩频方法实际上提供了大型阵列的显著信噪比增益。

正如之前提到的，嵌入在桌面上的天线可以具有任意形状和大小。设计师可以选择实现几个大的"按钮"或者更复杂的天线阵列。然而，一个通用且可配置的解决方案比特定设计的硬件更可取。

最通用的解决方案是使用"全矩阵"模式，其中大量的天线被排列成一个矩形网格。

这样，通过单独驱动每个天线的矩阵"像素"，可以明确地确定多个触摸位置，即使对于单个用户也是如此。然而，这种模式也是制造最困难的，因为它需要大量的连接和相应的支持电路。实际上，并不是每个应用程序都需要矩阵模式。

虽然同步和多用户功能是必不可少的，但对于大多数应用程序，每个用户最多指示一个触摸点或边界框已足够。这种功能可以通过简单的行/列模式实现，大大减少了所需的天线数量。

行和列通常位于不同的层上。由于屏蔽效应，创建良好的行/列天线方向图有一些微妙之处。简单的上层矩形列图案会覆盖和重叠太多的较低等效行集层。这将减小通过的面积，使行无法很好地电容耦合信号，从而削弱其灵敏度。

良好的天线方向图将最小化行和列的重叠区域，同时最大化它们的总面积，连接成菱形图案（如图2所示）是一个不错的选择。这个图案具有行导线和列导线相同的有趣特性，只是旋转了90度。使用相同的导线图案来驱动行和列，从而节省了制造时间和成本。

图2

在使用中，触摸很可能会跨越多行和具有不同的列耦合度。接收到的信号强度可用于估计触摸的质心，从而获得比行和列更精细的定位。然而，使用这些信息的另一种方法是为触摸事件呈现一个边界框，由最外层具有显著耦合的行和列定义。

这导致了有趣的使用方式-单个用户可以触摸两个点来定义边界框。这是一种非常自然的选择矩形区域的方式。

当耦合区域较小时，假设用户表示一个点；当它跨越较大区域时，假设用户试图指定一个边界框。最终结果是，即使是这种简化的行/列设计，也可以实现一些单个用户的多点触控功能。

多用户触摸技术原型

测试了一个小型的DiamondTouch原型的概念（如图3所示）。该原型具有一个约20厘米x20厘米的活动区域，包含了80个排列的天线，分为40行和40列。天线阵列被设计成印刷在0.5毫米厚的双面电路板上，具体取决于其旋转方向。

图3

为了将天线阵列夹在一起，电路板被夹在堆叠的行板和列板之间，中间有一个非常薄的绝缘体，使其与表面几乎没有区别，只是厚度不同。

天线阵列由发射器板（如图4所示）驱动。实现了时分复用，即每个天线依次用10kHz方波驱动10个周期。尽管该板可以以60伏的振幅驱动天线，但5伏的电压就足够了。使用更高的电压可以产生更好的信噪比，这在电磁噪声环境中非常有用。

图4

接收器通过屏蔽电缆连接到软垫，软垫被用作将用户与接收器耦合的金属椅。几乎任何导电的椅子都可以用于这个应用，只要在乘员和接收器电缆之间有足够的电容耦合。

如果使用非导电的椅子，可以使用导电的"缓冲垫"（一层金属箔，也可以用于舒适填充）来将用户与接收器耦合。

（图5）显示了其中一个原型接收器。为了获得最大的抗噪性，接收器使用同步解调，因此需要适当的同步信号来自发射器板。接收器将结果数字化，并以原始形式通过快速RS-232串行传输到连接的计算机。

图5

每个用户都有一个独立的接收器板。整个表每秒扫描75次，计算机接收每一行和每一列的每个用户的耦合值。75Hz的更新速率和可忽略的延迟使得原型非常敏感。

当接收到足够高的信号时，表面被认为被"触摸"。理论上，可以使用一个简单的阈值来确定这一点。然而，考虑到组件漂移、用户变化和不同的噪声水平，采用基于阈值的方法更为实用，即基于当前对最小耦合和噪声水平的估计。

这种方法效果令人满意，但更复杂的方法可能会产生更好的结果，特别是在静电噪声较大的情况下，如橡胶脚椅子拖过地毯时。

发送器和接收器板都使用了PIC微控制器和其他廉价的现成电子元件。最昂贵的部件是印刷在桌子上的电路板，这在批量生产的产品中会更便宜。

编写的测试软件，可以为每一行和每一列以及每一位生成耦合级别的条形图，并用不同颜色表示每个用户。计算得出的触摸点以图形方式显示，小触摸区域显示为十字光标，较大的触摸区域显示为边界框。

尽管普通物体不会对桌子产生影响，但可以设计特殊的物体来影响桌子，这对于使用有形和可抓取的应用程序来说非常有用，这些应用程序将这些特殊物体作为其用户界面的一部分。

由于天线阵列和用户之间存在绝缘层，用户不需要具备任何特殊特性，因此可以使用多种材料来制造桌子，使其在不同的环境条件下都能保持坚固。

例如，玻璃或塑料可用于使桌子抗液体和化学品泄漏。原型是使用一种名为GML1000的玻璃纤维层压板制造的，其热性能关系允许在临时操作桌子时（而且没有损坏），表面被酒精覆盖。

多用户触摸技术总结

电阻式和电容式触摸屏已经销售几十年了，但它们容易受到多次触摸的干扰。对于对压力敏感的应用而言，无法容忍任何残留物在其上。

超声波系统最近在创建电子白板方面变得流行。然而，它们需要主动笔筒，一般不支持多点触控。此外，较大的碎片对象可能会造成阴影，降低性能。

Wacom Intuos图形输入板是一种支持多点触控和识别所用工具的系统。它具有名为"*轨双**"的功能，允许同时使用两个工具（如手写笔或鼠标）。不幸的是，Intuos更小更贵，且仅限于两点触控。

其他无法识别用户的多点触控系统包括FingerWorks FingerBoard和Tactex smart织物技术。尽管FingerBoard尚未发行，但似乎使用了二维数组电容传感器来获取放置在其上的物体的二维图像。Tactex技术则通过感应压力对材料光学特性的变化进行检测。

已经设计了一些基于光学的输入系统，用于跟踪手或其他物体周围的二维区域。全息墙使用相机和红外线照明来寻找附近的物体，而Strickon和Paradiso使用扫描激光测距仪在自由空间中进行类似的工作。

这两种系统都可以感知多个触摸，但无法轻松区分不同的用户。

近场电场（电容）传感器已经用于简单应用，例如触摸开关，几十年了。最近几年，用户界面社区引入了更精细制作的电容感应形式。这些系统试图检测手或其他物体与电极之间的距离，然后使用场强来确定位置。

DiamondTouch与其他技术的不同之处在于，它要求被感应的物体非常接近（毫米或更小）的电极，但使用大量的电极来感知位置。

DiamondTouch多用户触摸技术可以检测多个点同时触摸，并能识别哪个用户触摸了每个点。它的设计主要考虑了表面上留下的物体对其性能的影响，并且非常耐用。整个系统的制造成本也相对较低，而且没有手写笔容易丢失的问题。

参考文献：Dietz, Paul H. and Darren Leigh. “DiamondTouch: a multi-user touch technology.” ACM Symposium on User Interface Software and Technology (2001).