互动科普

苹果公司的iPhone席卷美国的大街小巷，带来了一种全新的操控界面——多重触控显示屏（multi-touch screen）。在这种显示屏上，我们用一根手指就可以移动图片，将两根手指放置于图片边缘，便能通过手指的分合放大或缩小图片。全新直观的操作方式带来了令人愉悦的操作体验，让iPhone风靡一时。其实，在iPhone上市之前，世界上许多实验室已经开发出性能更好、能够同时响应更多手指的多重触控显示屏：屏幕尺寸更大、能够识别10根手指的触控，甚至能够同时响应多人触控。

这种显示屏拥有多重触控的优势，在摄影师、美术设计师、建筑师等专业人群中非常受欢迎——他们常常要跟大量可视资料打交道。不过，该技术的应用范围远不止这些，在其他一些领域，它也展现了强大的生命力与实用性。例如在自由讨论会上，即使没有受过专业训练，人们也能通过在显示屏上指指点点，展示自己的智慧。

Perceptive Pixel领先一步

杰夫·韩（Jeff Han）是美国纽约大学的电脑咨询工程师，也是Perceptive Pixel公司的创建者。在多重触控显示屏的研究领域，他的团队走在了世界前列。走入Perceptive Pixel公司的大厅，人们立即被墙上那面巨大的显示屏吸引。这块近1米高、2.5米宽的屏幕，便采用了多重触控技术。韩走近这块电子墙，仅仅动了几根指头，就把我们带入了一个图片的世界。屏幕能够同时放映十几个视频片段，而且看不到任何工具条。我们希望屏幕上显示其他的文件时，只须用手指在屏幕上连续敲击两次，就可以调出控制菜单。

美国许多政府部门很早就购买了完整的Perceptive Pixel系统，其中包括情报部门，因为他们需要在作战室中快速对比不同位置的监控图像。在今年美国总统候选人初选期间，CNN的新闻主播也利用Perceptive Pixel系统对全美国50个州的投票结果进行报道。主持人只须站在显示屏前，通过手指在屏幕上的滑动，就可以调出各个州，甚至各个郡的情况，并放大显示。展望未来，韩希望这种技术在能源贸易或医学影像等非常依赖图像的领域找到一席之地。

按照微软研究院首席研究员比尔·巴克斯顿（Bill Buxton）的说法，多重触控界面的基础研究工作最早可以追溯到20世纪80年代早期。不过直到2000年左右，韩才开始在纽约大学着手解决技术上的一大难题：实现高精度指尖位置感应。这需要硬件与软件两个方面的创新。

解决方案主要利用了衰减全内反射（FTIR）这一光学效应，通常这种效应也被用于指纹识别设备。韩说自己是个“触觉很敏感的人”。有一次他注意到，从一个与手指头近乎垂直的角度观察盛满水的水杯，杯壁外的指纹就会非常清晰，他立即对此产生了浓厚的兴趣。韩设想，按照这一原理，电子系统也可以追踪到电脑屏幕表面手指的运动轨迹。此后6年，他一直专注于多重触控界面研究。

韩最初的想法，是研制一种高精度的单点触控显示屏，可以用于自动取款机以及公用电话亭。它的原理是，当手指放置于屏幕上时，通过测量屏幕上固定点的电容变化以确定手指的位置。然而，要做到确定手指的无规则运动，屏幕后面电路的数量及复杂程度会让设计者与制造者抓狂，这也限制了触控屏的功能。韩最终采用了一块矩形透明的丙烯酸树脂（acrylic）薄片，这块薄片类似于波导，实质上就是光传播的管道。薄片边缘的发光二极管（LED）向内部发射红外光。光线在薄片内部发生全内反射，就像在光纤中的情况一样，没有光可以泄漏出来。但是，如果有人将手指置于屏幕表面，此处光的反射会由镜面反射变为漫反射，从而使部分光线穿过薄片，从另一边射出屏幕。薄片后面的摄像机会将光强的变化记录下来，从而确定手指的准确位置。这些摄像机能够同时追踪多处光线泄漏。

韩很快发现，丙烯酸树脂面板也能够用作散射屏（diffusion screen）。将一台同电脑相连接的投影仪放在面板后方，投影仪就能将光束投射到面板上，而光束会散射到达面板另一侧。因此这块屏幕既可以用作显示输出，又能作为触控输入设备。

确定手指的精确位置是一个巨大挑战，更困难的是设计出合适的软件，将手指的运动转化为计算机指令，并根据指令显示图像。韩和他的同事首先要做的，就是编写一个高精度的图像引擎，降低显示系统的延迟，防止手指快速拖动图片时出现拖尾现象。然后，他们还必须将手指移动时产生的一些非常规的衰减全内反射光纳入考虑的范围。

现有计算机操作系统的基本结构都建立在一个假定的条件之上，即使用者的输入设备不是键盘就是鼠标。对于键盘，每个键的意义是唯一的：q就是q；对于鼠标，它的移动轨迹表示在笛卡尔坐标系（二维网格上x，y两个方向）上。上述输入方法按图形用户界面（graphical user interface, 缩写为GUI）的这一通用规则运行。韩指出，多重触控显示屏能够同时产生10组以上的坐标数据，而“传统的图形用户界面无法同时处理如此多的位置信息”。当今被广泛应用的操作系统，包括Windows和Linux，以及苹果电脑的Macintosh，输入方式都基于单鼠标指针。因此，“我们需要抛开传统观念，设计全新的、适用于多重触控的图形框架”。

在研究过程中，韩发现在丙烯酸树脂面板的前面覆盖一层很薄的聚合物，并在表面加工出许多十分微小的突起，就能够实现压力感应。当手指按压的力度发生变化时，聚合物会发生微小的变化，改变漫反射区的大小，从而改变散射光的强度，这一信号可以被后方的摄像机记录下来。因此，一直按压在屏幕中的某一目标物上，使用者就能将它拖动到临近物体的后面。

韩的Perceptive Pixel公司成立于2006年。同年，他们将此前所有的研究成果集中起来，在TED大会（TED分别代表着“技术”、“娱乐”和“设计”）上向观众们演示了他们的多重触控系统。从那时起，Perceptive Pixel系统的销量一直在稳定增长，不过该公司没有透露这套系统的价格。

微软公司初试身手

就在韩努力完善他的设备的同时，别的科学家也在通过不同的方法努力实现同一个目标。软件业巨头微软公司将新推出的小型多重触控电脑，起名为“Surface”，即“平面计算机”（surface computer）。这一概念最早是在2001年被提出的，当时微软硬件部的史蒂维·巴锡奇（Stevie Bathiche）与微软研究院的安迪·威尔逊（Andy Wilson）合作开发一种新型的交互式桌面电脑，它能识别放置在其表面上的物体。他们当时认为，这种桌面电脑能够在电子弹球机、电视智力游戏、照片浏览器等方面得到应用。

在试制了85台原型机之后，他们确定了最终方案：主体为一张桌子，桌面是透明的丙烯酸树脂薄片，底部安置一台投影仪（见第33页右下图）。启动后，投影仪将图像投射在水平放置的30英寸显示屏上，同时一个红外发光二极管也向桌面发出光线。桌面上有手指或者其他物体接触时，红外光就会反射回去。通过这些反射光，机器就能识别使用者发出的指令。指令的处理则是由一台装有Windows Vista的电脑完成。

微软公司向休闲、零售、娱乐产业等领域的合作伙伴推出了这种平面计算机，他们认为上述产业最有可能接受这种新技术。喜来登集团旗下的喜达屋酒店，就打算将这种电脑安置在酒店的大厅中，方便游客欣赏音乐、发送照片或预订餐饮。美国T-Mobile零售店也安置了平面计算机，顾客能够在屏幕上对比各款手机。点击手机图片下方黑色的多米诺标签，屏幕上就会显示出手机的价格、特点以及详细设计细节。如果与微软公司的其他软件配合使用，这种计算机还能实现无线传输——将一台支持无线传输的数码相机放在平面计算机附近，它就可以将照片上传而无须使用数据线。

第一代平面计算机的价格在5000美元～10000美元之间。由于大多数元件是电子元件，因此微软预计，产量增加之后产品成本会有所下降。也许3到5年之后，价格就会被大众消费者所接受。

三菱公司积极参与

技术研究人员也许会对一种叫做“钻石点触”（DiamondTouch）的技术感兴趣，该技术由Circle Twelve公司开发。这家新成立的公司位于美国马萨诸塞州的弗雷明汉，最近刚从三菱电子研究实验室分离出来。三菱公司开发的这套系统已具雏形，任何人都可以根据自己的需要编写相应的软件。目前，已经有数十套钻石点触系统在高校科研人员与商业客户的手中发挥作用。

三菱公司负责市场的副总裁亚当·博格（Adam Bogue）介绍说，钻石点触的设计初衷是“为小组合作活动提供帮助。许多人能够一起交流，而且系统能够识别每一个人”。这种桌面系统配有许多座位，每个座位都与下方的电脑相连。当其中一个人触摸桌面时，嵌入屏幕中的天线阵列会发出极少量的射频能量；这些能量穿过人体和座位，最后传到电脑的接收器中——这种方案被称为电容耦合。用一块特殊的毯子代替座位，也能够完成这个回路。被耦合的天线能够确定手指在屏幕上的精确位置。

这种方案看起来颇有局限性，但它能够判断输入者是谁，还能将控制权给予第一个触摸屏幕的人。在第一位使用者输入完毕之前，它会忽略其他任何人的输入信号。这个系统还能记录用户对图片做的注解，比如对设计蓝图的评价等。

美国栢诚集团（Parsons Brinckerhoff）是一家全球性工程公司，总部设在纽约。该公司已经试用钻石点触系统，并且计划购进更多。公司的视觉影像部门经理蒂莫西·凯斯（Timothy Case）说：“为了完成一个大项目，需要召开上千次会议。我们将多重触控平台放在不同的地点，所有与会者就都能够看到相同内容了。”

钻石点触还是Perceptive Pixel系统都能将一个虚拟键盘投射到屏幕上，让使用者通过点击输入。但热衷于此的人绝不会将如此先进的交互式系统仅仅用于这些简单的操作。多重触控系统最大的优势是，能够让许多人共同完成一项复杂的任务。也许今天的我们很难体会，25年前，鼠标将我们从键盘的方向键中解脱出来时，操控电脑突然变得如此随心所欲。在不久的将来，多重触控界面能够让我们放下鼠标。正如韩说的：“新旧用户输入界面的更替很长时间才会出现一次，而我们正处于这次变革的开始阶段。”