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Touchscreen Akustische Impulserkennung

| Autor / Redakteur: Michael Bartelmeß* / Kristin Rinortner

Bei der akustischen Impulserkennung handelt es sich um einen neuen Weg, Touchberührungen auf dem Display zu erkennen. Mit einer einfachen Glasscheibe vor der Bildanzeige und einer Controllerkarte offeriert die Technik eine Reihe von Vorteilen, die mit anderen Touchtechnologien bisher immer nur teilweise realisiert werden konnten.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die akustischen Impulserkennung (APR – Acoustic Pulse Recognition) verbindet optische Qualität, Widerstandsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Oberflächenwellen- (SAW-) und Infrarot- mit den guten „Dragging“-Eigenschaften der kapazitiven Touchtechnologie. Auch die Vorzüge resistiver Technologie finden sich hier wieder: Bei APR lässt sich die Position mit einem harten oder weichen Stift, Handschuh und Fingernagel aktivieren. Die Preise sind moderat, die Systeme resistent gegenüber Wasser und anderen Verschmutzungen auf dem Touchscreen und für Displaygrößen von PDAs bis zu 42˝-Monitoren skalierbar. Die Auflage des Handballens während der Handschriftenerfassung ist kein Problem.

Berührungsposition mittels APR erkennen

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Bei der akustischen Impulserkennung erzeugt eine Berührung an einer beliebigen Stelle auf einer Glasplatte ein spezifisches Geräusch. Vier Transducer (Signalumwandler) an den Kanten der Touchscreen-Glasscheibe nehmen diesen Klang auf (Bild 1). Das Signal wird von einem Controller digitalisiert und mit einer Liste von Klangdaten, die zuvor für jede Stelle auf der Glasplatte aufgenommenen wurden, verglichen (Bild 2). Bei Übereinstimmung springt der Cursor sofort an die Berührungsstelle. Fremd- und Umgebungsgeräusche werden ignoriert, da sie keinem der gespeicherten Klangprofile entsprechen.

Um die Berührungsposition zu detektieren, nutzt man bei der akustischen Impulserkennung lediglich die Klangtabelle. Signalverarbeitungsbausteine, die ohne Referenzdaten die Touchposition errechnen, sind nicht notwendig. Aus diesem Grund ist APR kostengünstiger und nicht nur auf größere Displaydiagonalen limitiert.

Obwohl es sich bei APR um eine neue Erfindung handelt, ähnelt sie in einigen Punkten stark der Touchtechnik mittels Oberflächenwellen (IntelliTouch). In beiden Fällen handelt es sich um ein akustisches System, das eine Glasscheibe mit Transducern nutzt. Während die IntelliTouch-Transducer sowohl Signale erzeugen als auch empfangen, detektieren die APR-Transducer die Signale lediglich.

Optische Qualität und Zuverlässigkeit von Glas

Touchtechnologien benötigen immer eine Schicht über dem LC-Display, um entweder die Berührung zu erfassen oder das LCD vor der Berührung zu schützen.

Display-Produzenten arbeiten intensiv an der Herstellung heller und echter Farbbilder. Touchscreens sollten die Bildqualität daher so wenig wie möglich einschränken. Eine Schicht vor dem Display (Overlay) kann die Bildqualität auf vier Arten mindern:

  • Reduzieren der Lichtdurchlässigkeit,
  • Hinzufügen von Reflexionen,
  • Vermindern der Bildklarheit und
  • Farbveränderungen.

Sowohl aus optischen Gründen als auch aufgrund seiner Härte und Zuverlässigkeit ist Glas als Overlay-Werkstoff gut geeignet. Reines Glas erreicht etwa 92% Lichtdurchlässigkeit (laut ASTM D1003), das ist der höchstmögliche Wert. Da es zugleich die Helligkeit nicht einschränkt, können kostengünstige LCD-Monitore eingesetzt werden.

Der Schichtenaufbau und die Beschichtungen, die bei der resistiven und kapazitiven Technologie zum Einsatz kommen, reduzieren nicht nur die Lichtdurchlässigkeit, sondern verändern ebenfalls die Originalfarben des Displaybildes. Bei vielen Touchanwendungen – beispielsweise medizinischen Geräten und digitalen Fotokiosken – ist deshalb nur reines Glas akzeptabel.

Reines Glas minimiert die Reflexionen, da es weder aus unterschiedlichen Schichten besteht noch Metallbeschichtungen aufweist. Lichtspiegelungen sind für Intensivnutzer wie Kassierer oder Kasinospieler ermüdend, in öffentlichen Kiosken, die meist Richtung Deckenbeleuchtung ausgerichtet sind, ablenkend und störend. Es sind weder anti-reflektierende Beschichtungen noch Diffusionsverfahren zur Entspiegelung notwendig, um die maximale Bildklarheit zu gewährleisten.

Kratz- und Chemikalienfest

Glas mit einer Mohs-Härte von 7H ist im Vergleich zu resistiven Touchscreens mit Härten von 3H oder 4H nur sehr schwer zu zerkratzen. Glas widersteht zugleich den meisten Chemikalien und nutzt sich, anders als Kunststoff, nicht ab. Es ist mechanisch stabil und bei Temperaturschwankungen treten keine Verformungen, Dehnungen oder Schrumpfungen auf.

Für Anwendungen unter sehr rauen Umgebungsbedingungen kann besonders vandalismusbeständiges Glas eingesetzt werden. Die normale Glasscheibe kann lässt sich ebenfalls durch dickeres, hitze- oder chemisch gehärtetes oder laminiertes Glas ersetzen. Anwendungsgebiete reichen von öffentlichen Kiosken und Selbstbedienungsgeräten bis zu Spielautomaten und medizinischer Bildverarbeitung. Die APR-Technologie schließt alle Vorteile der Oberflächenwellentechnologie in Bezug auf optische Qualität und Widerstandsfähigkeit ein.

Wahl des Eingabegerätes

Ginge es nur um Bildqualität und Widerstandsfähigkeit, würden bei allen Touchanwendungen SAW-Screens eingesetzt. In einigen Anwendungsgebieten ist jedoch die Wahl des Eingabegerätes wichtiger als die optische Qualität wie z.B. bei Touchscreens im Restaurant. Absolut perfekte Bildqualität und Farbechtheit sind nicht unbedingt erforderlich, um eine Speisekarte im Display anzuzeigen. Zugleich wird ein autorisierter Mitarbeiter das Gerät nicht mutwillig zerstören.

Viel wichtiger ist in diesem Fall, dass man den Touch mit einem Stift, einer Kreditkarte oder einer ID-Karte auslösen kann. Das ist auch relevant, wenn kleine Elemente im Randbereich des Displays, die vielleicht nur ein Fingernagel oder Stift erreicht, bedient werden müssen. Aus diesem Grund waren bisher resistive Touchscreens trotz der äußeren Kunststoffbeschichtung, welche die optische Qualität einschränkt und sich im Laufe der Zeit abnutzen kann, die am häufigsten eingesetzte Technologie in den POS-Märkten Handel und Restaurant sowie in der Industrie und im Gesundheitswesen.

Interessant für diese Anwendungen wird die Infrarot-Touchtechnologie, da sie ebenfalls mit einer Kreditkarte bedient werden kann, sich nicht abnutzt und eine höhere Bildqualität als resistive Touchscreens aufweist.

Die APR Technologie kombiniert die optische Qualität und die Widerstandsfähigkeit von Glas aus der Oberflächenwellentechnologie mit der Möglichkeit, mit einem Finger, Fingernagel, Stift, einem Schreibgerät sowie einer Kreditkarte bedient zu werden, wie es bei der resistiven Technologie möglich ist.

Widerstandsfähig gegen Verschmutzung

In einigen Anwendungsgebieten ist weder die optische Qualität, Langlebigkeit oder die Wahl des Eingabegerätes wichtig, sondern die Resistenz gegen Verschmutzungen. Hier werden die resistiven und kapazitiven Technologien bevorzugt eingesetzt, da sie auch dann funktionieren, wenn Flüssigkeiten oder andere Verschmutzungen auf dem Touchscreen vorhanden sind und die ohne großen Aufwand abgedichtet werden können. Die resistive rangiert hier vor der kapazitiven Technologie, da sie auch mit Handschuhen, Kreditkarten und langen Fingernägeln bedienbar ist.

Die APR-Technologie ist resistent gegen Verunreinigungen auf dem Screen, dazu gehören Flüssigkeiten, Schmutz, Ketchup, Fett oder Gleitgel für Ultraschallanwendungen. Die akustische Impulserkennung funktioniert auch mit Kratzern auf der Touchscreeoberfläche, kann für industrielle Anwendungen nach IP65-Norm abgedichtet werden, hat die optischen Qualitäten von Glas und widersteht gleichermaßen Reinigungs- und Sterilisationschemikalien. Man kann sie mit Handschuhen und verschiedenen Schreibgeräten aktivieren.

Stabilität des mechanischen Aufbaus

Touchscreens besitzen ein vom eigentlichen Display unabhängiges Koordinatensystem. Um die Berührung zu einer Displayposition zuzuordnen, ist eine mathematische Transformation von einem Koordinatensystem in das andere notwendig. Die Genauigkeit dieser Umrechnung hängt davon ab, dass sowohl das Berührungs- als auch das Aufzeichnungskoordinatensystem mechanisch stabil sind. Flüssigkeitskristallanzeigen haben, - anders als Röhrenmonitore - eine eigene feste Displayposition.

Einige Touch-Technologien, wie die Oberflächenwellen- und die Infrarottechnologie verwenden ebenfalls ein festes Koordinatensystem. Andere, wie kapazitive und einige preisgünstige resistive Technologien, müssen kalibriert werden – und sind aufgrund der so genannten „Nullpunktverschiebung“ durch Temperaturdrift mitunter sogar im Laufe der Zeit nachzukalibrieren.

Anwendungsunabhängig sollte man immer eine Touchtechnologie verwenden, die nie kalibriert werden muss.

APR nutzt ein festes Koordinatensystem, das sich im Laufe der Zeit und bei Schwankungen in den Umgebungsbedingungen nicht verändert. Hier ist eine herkömmliche Touchscreen-Kalibrierung nicht notwendig, da die Displaygröße und -position fest sind.

Schnell und feinfühlig

Jede Touchtechnologie sollte immer leicht zu bedienen sein und auf schnelle Berührungen reagieren. Da auch ein kurzzeitiges Berühren ein erkennbares Geräusch erzeugt, lässt sich APR im Gegensatz zu anderen Systemen auch auf diese Weise aktivieren.

Die meisten Applikationen wurden für den öffentlichen Einsatz und wenig geschulte Mitarbeiter nach dem einfachen Prinzip „touch-and-go“ [berühren und weiter] entwickelt. Gängige PC-Techniken wie Doppelklicken, Scrollen, Pulldown-Menüs und Dragging werden bei Touchanwendungen relativ selten verwendet, da sie nicht für alle Nutzer logisch und intuitiv sind. Es gibt jedoch einige spezifische Applikationen, bei denen diese Techniken angewendet werden; bei Spielen ist oftmals auch Dragging (das Ziehen von Objekten) erforderlich. Für Dragging-Funktionen sind normalerweise kapazitive Touchscreens die beste Lösung.

APR erkennt schnelle Berührungen und weist wie die kapazitive Technologie sehr gute Dragging-Eigenschaften auf. Anders als bei kapazitiven Systemen ist bei APR das Ziehen von Objekten sowohl mit dem Finger als auch mit einem Schreibgerät möglich.

„Touch-and-hold“ oder „drag-and-hold“ werden bei der akustischen Impulserkennung derzeit noch nicht voll unterstützt, da in unbewegter Position keine auswertbaren Geräusche erzeugt werden.

Einfacher Aufbau, gut abdichtbar, schmale Ränder

In den meisten Fällen werden Touchkomponenten gesucht, die einfach zu integrieren sind und außerdem die grundlegenden Touchanforderungen für die oben beschriebenen Anwendungen erfüllen. Touchkomponenten sollten nicht von metallischen Gegenständen aus der Umgebung beeinflusst werden und auch bei schlechter Erdung korrekt funktionieren. Entsprechend der Norm NEMA 4/IP65 sollten sie sich mit vielen Materialien wie Dichtgummis oder Klebern abdichten lassen und die kleinstmöglichen Außenabmessungen aufweisen.

Im besten Fall ist der Touchscreen nicht größer, als der LCD-Monitor selbst. Da die Hersteller von LCD-Monitoren ständig die Außenrandbreite reduzieren, sind auch die Touchscreen-Hersteller gefordert, ihre Ränder schmaler zu gestalten.

APR wird als akustische Technologie nicht von umgebenden Metallen oder schlechter Erdung beeinträchtigt. Außerdem kann es mit vielen Materialien abgedichtet werden und weist die schmalsten Ränder aller verfügbaren Touchtechnologien auf – 5 mm einschließlich des Abdichtungsbereichs.

Aufgrund der schmalen Ränder können mehrere LCD-Touchdisplays sehr eng nebeneinander positioniert werden, wie es im Gesundheitswesen, Finanzhandel und bei Spielgeräten zunehmend nachgefragt wird.

Weitere Eigenschaften von APR

APR kann Bildschirmbereiche bewusst ignorieren, indem diese Koordinatenbereiche bei der Auswertung einfach übersprungen werden. Das ermöglicht die Auflage des Handballens auf den Screen während der Handschriftenerfassung, was bei den meisten Touchtechnologien nicht realisierbar ist.

In einigen Anwendungsgebieten, in denen ungeschütztes Glas nicht einsetzbar ist – wie in der Lebensmittelverarbeitung oder im Gesundheitswesen für Geräte in Patientennähe – haben sich Infrarot-Tochsysteme durchgesetzt. Auch die APR Technologie lässt sich auf anderen Werkstoffen, beispielsweise auf Acryl, einsetzen.

Die Zukunft von APR

Mit der Zeit wird jede Technologie verfeinert und technisch wie hinsichtlich der Kosten optimiert – das trifft auch für APR zu. Elo führt die APR-Touchtechnologie zunächst für die POS-Märkte Handel und Gastronomie ein, da die größten Vorteile den Anforderungen dieser Anwendungsgebiete entsprechen.

Ausgewählte Modelle der POS-Touchmonitore sind mit der Option einer APR-Technologieausstattung erhältlich. Die vollständige Produktpalette soll bis zum Jahr 2007 mit APR versehen werden. Der erste Touchmonitor mit APR ist das Modell 1529L, abgedichtet nach NEMA 4/IP 65. Der Monitor arbeitet mit dem ausgelieferten Touchtreiber unter Windows XP. Treiber für weitere Betriebssysteme, einschließlich Linux, sind in der Entwicklung.

Akustische Impulserkennung kurz zusammengefasst

Ein APR-Gerät hat eine vor dem Display angebrachte Scheibe aus Glas oder einem anderen festen Material mit vier piezoelektrischen Transducern an der Rückseite. Die Transducer sind an zwei diagonal gegenüberliegenden Eckpunkten außerhalb des sichtbaren Bereichs befestigt und über ein Flex-Kabel mit einer Kontrollerkarte verbunden (Bild 3). Eine Berührung des Screens oder das Reiben des Fingers oder Schreibgeräts auf dem Glas beim Dragging erzeugt eine akustische Welle. Die Welle bewegt sich von der Berührungsstelle weg und wandert zu den Transducern, die elektrische Signale proportional zu den akustischen Wellen erzeugen. Diese Signale werden in der Controllerkarte verstärkt und dann in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Die Berührungsposition wird durch Vergleich der Daten mit einem werkseitig erstellten Klangprofil des Touchscreens ermittelt. Umgebungs-und Fremdgeräusche werden ignoriert, da diese keinem gespeicherten Klangprofil entsprechen.

Eigenschaften von Touchscreens mit akustischer Impulserkennung:

  • optische Qualität und Widerstandsfähigkeit von reinem Glas,
  • Aktivierung mit Finger, Handschuh, (hartem und weichem) Stift, Kreditkarte,
  • widerstandsfähig gegen Wasser, Staub oder Schmutz (z.B. Fett) auf dem Screen,
  • keine Abnutzung,
  • funktioniert mit Kratzern,
  • gute „Dragging“-Eigenschaften (Ziehen von Objekten),
  • Abdichtung erfüllt IP65-Norm (NEMA 4),
  • einmalige Werkskalibrierung – keine Nullpunktverschiebung,
  • schmale Ränder (5 mm),
  • vollkommen flache Oberfläche,
  • in kleinen und großen Diagonalen verfügbar,
  • Auflage des Handballens auf den Touchscreen während der Handschriftenerfassung möglich

Elo Touchsystems, Tel. +32(0)1635 2100

*Michael Bartelmeß ist als Produktmanager Europa bei Elo TouchSystems in Kessel-Lo, Belgien, tätig.

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