3D-Touch

Das Display bedienen, ohne es zu berühren

| Autor / Redakteur: Rudolf Sosnowsky * / Hendrik Härter

Gestensteuerung: Ohne das Touchdisplay zu berühren ist es möglich, Aktionen auszulösen. Möglich wird das durch ein 3D-Display.
Gestensteuerung: Ohne das Touchdisplay zu berühren ist es möglich, Aktionen auszulösen. Möglich wird das durch ein 3D-Display. (Bild: Texas Instruments)

Das Touchdisplay ohne Berührung bedienen – das wird mit der 3D-Technik möglich. Anwender können allein über Gesten eine Funktion auslösen. Der Beitrag stellt den Touch in der dritten Dimension vor.

Im Jahr 1969 schrieb Pete Towonshend von The Who für die Rockoper „Tommy“ den Titel „See Me – Feel Me – Touch Me“. Der Protagonist von damals war blind und taub sowie stumm. Er musste sich einzig auf seine Fingerspitzen verlassen. Heute wäre er in der Lage, mit einem Computer zu interagieren. Ermöglicht hat das die moderne Touch-Eingabetechnik.

Im Vergleich zu konventionellen Eingabemedien wie Schalter, Taster oder Drehknöpfen lässt sich mit Touch die gewünschte Funktion ohne Kraftaufwand allein durch Berühren einer Oberfläche auslösen. Von den heute verwendeten PCAP-Touch-Techniken erfordert lediglich das resistive Touchdisplay eine geringe Kraft. Keine Betätigungskraft zu verwenden kann Vor- und Nachteile haben.

Display und Ergonomie

Betrachtet man ein Touchdisplay aus ergonomischer Sicht, so ist für eine Eingabe, die eine echte dreidimensionale, präzise Positionierung erfordert, nicht geeignet. Finger oder Hand können ohne Abstützung keine stabile Z-Position einnehmen. Dazu stehen Eingabemedien wie die 3D-Maus zur Verfügung.

Bei Touchdisplays wird die dritte Dimension auf eine andere Weise eingesetzt. Hier reicht es aus, die relative Distanz grob zu erkennen. Relativ bedeutet, dass hier nicht geometrisch gemessen wird, sondern die Entfernung qualitativ (näher oder weiter weg) bestimmt wird. Der Anwender sorgt intuitiv durch die Wahl des richtigen Abstands dafür, dass die Aktion entsprechend ausgewertet werden kann.

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Die einfachste Anwendung ist die Präsenzerkennung eines Benutzers, wobei das Touchdisplay als Näherungssensor wirkt. Die übergebene Koordinate spielt bei der Auswertung keine Rolle, allein die Präsenz sorgt für Aufheben des Standby-Zustands, Aktivieren des Displays oder Schalten eines Ausgangs. Ähnlich wie im zweidimensionalen Fall kann der 3D-Touchcontroller auch die Abfolge von Koordinaten verfolgen und daraus Bewegungsmuster rekonstruieren, die als Gesten zur Verfügung gestellt werden.

Werden 2D- und 3D-Sensoren gleichzeitig eingesetzt, können sie sich gegenseitig ergänzen. Dazu können sie die Sicherheit steigern, indem auf Plausibilität geprüft wird. Erkennt der 2D-Sensor ein Touchereignis, ohne dass der 3D-Sensor zuvor eine Annäherung signalisiert hat, handelt es sich um eine Fehlauslösung, die nicht an das Betriebssystem zurückgemeldet wird.

Touchdisplay und Haptik

Kommt ein dreidimensionales Touchdisplay zum Einsatz, dann spielen Haptik, taktile Rückmeldung, Kraftmessung und Hovering eine wichtige Rolle. Was bedeutet das konkret? Die PCAP-Technik trennt Design und Funktion und bietet somit ganz unterschiedliche Möglichkeiten, die Touchoberfläche individuell zu gestalten. Das ist für die Haptik bei der Eingabe entscheidend wie beispielsweise die Rauigkeit des verwendeten Glases. Eine raue Oberfläche sorgt zum einen durch den Antiglare-Effekt dafür, dass Spiegelungen vom Display gestreut werden und der Anwender den Inhalt es Displays besser erkennen kann. Zum anderen macht sie das Touchdisplay für den Benutzer angenehm greifbar.

Die taktile Rückmeldung, auch als Force Feedback bekannt, liefert ein mit den Fingerkuppen spürbares Signal an den Bediener zurück. Erreicht wird das mit verschiedenen Verfahren: beispielsweise mit einer relativen Bewegung zwischen Finger und Auflagefläche (Vibration). Die mechanische Anregung kann durch einen Unwuchtmotor, einen Exciter (Elektromagnet mit an der Touch-Oberfläche angekoppeltem Anker), oder einen Piezoschwinger erfolgen. Andere Verfahren, die dem Bediener den gleichen Eindruck vermitteln, erreicht man beispielsweise durch elektrische Reizung der Nervenzellen.

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Taktile Rückmeldung und Betätigungskraft

Um eine taktile Rückmeldung, auch Force Touch genannt, in Abhängigkeit von der Betätigungskraft zu geben, muss diese gemessen werden. Die einfachste Methode ist, die Auflagefläche des Fingers zu messen. Ein fest aufgedrückter Finger wird komprimiert und deckt daher eine größere Fläche ab. Allerdings ist das Verfahren ungenau, da die Auflagefläche bereits um Ruhezustand individuell und kulturell stark unterschiedlich ist.

Zudem hängt die Kompression des Fingers von der Konstitution des Trägers ab. Wird ein Kraftsensor direkt unterhalb der Sensorfläche angebracht, erhält man reproduzierbare Messwerte. Die höchste Genauigkeit lässt sich mit vier verteilten Sensoren erreichen, die in den vier Ecken oder Kanten des Touchdisplays angebracht sind. Wie beim Force-Feedback müssen Sensor oder Bildschirm flexibel gelagert sein. Dazu ist eine vor Umwelteinflüssen widerstandsfähige Abdichtung notwendig, die zudem dauerelastisch ist. Die Applikation kann bei nur leichter Berührung ein Ertasten der Bedienelemente durch eine andere haptische Rückmeldung ermöglichen als das Auslösen bei fester Betätigung. Darüber hinaus erhöht sich die funktionelle Sicherheit, denn die grobe Lokalisierung des Touch-Ereignisses durch die Kraftsensoren ermöglicht es, eine Plausibilitätsprüfung der vom Sensor zurückgegebenen Koordinaten durchzuführen.

Das Hovering ist eine Technik, die eng im Zusammenhang mit Näherungserkennung und Force-Sensing steht. Sie ist das Äquivalent zum bekannten Funktion des Mouseover, wenn eine Maus zur Eingabe verwendet wird: Wird die Maus über einen Text gezogen, ohne dass eine Maustaste betätigt wird, so wird softwareseitig der Text hervorgehoben. Bei einem Touchdisplay wird bereits bei Annäherung eines oder mehrerer Finger noch vor dem Berühren des Touchdisplays eine bestimmte Aktion ausgelöst. Beispielsweise lässt sich Anwesenheit von Personen erkennen. Im Ergebnis wird die Displaybeleuchtung von Standby auf aktiven Betrieb umgeschaltet oder die Vorschau einer Mail oder Einblenden einer Erläuterung.

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Die Funktion des 3D-Touch

Zwischen zwei Elektroden eines Kondensators wird ein Feld aufgespannt. Beim 3D-Touch ist es so ausgerichtet, dass es nach außen in Richtung des Bedieners vortritt. Bei der Kalibrierung wird die Kapazität des Kondensators als Referenz gemessen. Jeder Gegenstand, der in das Feld eindringt, beeinflusst die Feldlinien und damit die Kapazität zwischen beiden Elektroden (Bild 3). Über ein Messverfahren wird die Änderung des Feldes ausgewertet. Anschließend erfolgt eine Umrechnung in einen Abstand des Gegenstands sowohl von jeder der beiden Elektroden als auch von beiden gemeinsam. Die erste Bewertung resultiert in einer Position zwischen den beiden Elektroden, die zweite zeigt in die dritte Dimension. Ordnet man orthogonal zum ersten Elektrodenpaar ein zweites an, kann analog die Position in der anderen Achse bestimmt werden.

So elegant und einfach wie das beschriebene Verfahren in der Theorie klingt, so aufwendig ist die Umsetzung in die Praxis. Die gemessenen Feldstärken variieren in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder mechanischen Streuungen innerhalb einer Geräteserie. Ein Touchcontroller kann auf Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) zurückgreifen, wie das Hidden-Markov-Model, das auf das ursprünglich vorliegende Signal durch Auswerten der gemessenen Werte indirekt schließt. Um Gesten zu erkennen, eignet sich das Modell ähnlich wie bei Sprache und Handschrift. Trotz des rechnerischen Aufwands macht der hohe Integrationsgrad des ICs den Einsatz für den Anwender einfach, da er sich mit dem theoretischen Hintergrund nicht befassen muss. Das Bild 4 zeigt, wie die Elektroden für ein 3D-Touchsystem ausgelegt sind.

Die 3D-Touch-Technik kann überall dort eingesetzt werden, wo vor dem Touchdisplay Gesten erkannt werden sollen und Auflösung und Genauigkeit keine Rolle spielen. In vielen Anwendungen wird der 3D-Touchdisplay von einem darunter liegenden zweidimensionalen Display unterstützt, der die Position in der x/y-Ebene ermittelt. Der große Vorteil der Technik liegt darin, dass Gesten blind ausgeführt werden können, ohne auf das Display zu blicken. Gerade in einer sicherheitskritischen Umgebung wie einem Fahrzeug trägt das zur Verkehrssicherheit bei. Der Anwender kann mit einem Wisch den nächsten Titel oder Radiosender wählen und eine Kreisbewegung stellt die Lautstärke ein. Die Rückmeldung erfolgt über das Ohr des Bedieners, nicht über das Auge.

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Von Smart Home bis zu medizinischen Anwendungen

Neben Produkten für Endanwender wie Notebook und Audio (Bluetooth-Kopfhörer) spielt auch das Smart Home eine Rolle. In Weißer Ware, Klima- und Jalousiensteuerungen oder Lichtschaltern kann die dritte Dimension eingesetzt werden, um Funktionen zu aktivieren. Anstelle mit dem Finger genau auf das Sensorfeld zu zielen, reicht die grobe Bewegung einer Hand vor dem Sensor, um die Default-Funktion auszulösen, und alle Lampen im Haus schalten sich beim Verlassen ab.

In der Medizintechnik erleichtert die 3D-Technik die Anwendung medizinischer Geräte. Das medizinische Personal kann Aktionen ganz ohne Berührung ausführen und der Bediener bleibt steril. Als ein mögliches Beispiel sei eine OP-Leuchte erwähnt, welche die Einstellung von Position, Helligkeit und Lichtfarbe berührungslos ermöglicht. Die 3D-Touchtechnik kann auch ohne Display eingesetzt werden. Das von den Elektroden eines Kondensators aufgespannte Feld ist stark genug, um auch Holzplatten von Tischen oder Küchen-Arbeitsplatten zu durchdringen, was wiederum interessante Anwendungen eröffnet.

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Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis.de.

* Rudolf Sosnowsky ist Leiter Technik bei Hy-Line Computer Components Vertriebs GmbH in Unterhaching.

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