3D-Touchscreens Neue Möglichkeiten für HMI-Entwickler

Über 3D-Touchcontroller lässt sich ein HMI mit Gestenerkennung mit überschaubarem Aufwand umsetzen.
Über 3D-Touchcontroller lässt sich ein HMI mit Gestenerkennung mit überschaubarem Aufwand umsetzen.

Touch-Displays mit taktiler Rückmeldung, die je nach Betätigungskraft variiert und Gestenerkennung in einigen zehn Zentimetern Abstand – 3D-Touchscreens eröffnen neue Funktionen für HMIs.

See Me - Feel Me - Touch Me - Heal Me: 1969 schrieb Pete Townshend von The Who diese Worte für die Rockoper »Tommy«. Der Protagonist von damals war blind, taub und außerdem stumm. Er musste sich auf sein Fingerspitzengefühl verlassen. Heute wäre er in der Lage, mit einem Computer zu interagieren.

Das Besondere an der Touch-Technologie gegenüber konventionellen Eingabemedien wie Schalter, Taster und Drehknöpfen ist, dass die gewünschte Funktion ohne Kraftaufwand allein durch Berühren einer Oberfläche ausgelöst werden kann. Von den verbreiteten Technologien erfordert lediglich der resistive Touchscreen eine geringe Kraft. Das Fehlen einer Betätigungskraft kann Vor- und Nachteile haben.

Dritte Dimension bei Touchscreens

Aus ergonomischen Gründen sind Touchscreens für Eingaben, bei denen eine echte dreidimen­sio­nale, präzise Positionierung erforderlich ist, nicht geeignet. Finger oder Hand  können ohne Ab­stützung keine stabile Z-Position einnehmen. Dazu stehen Eingabemedien, wie die 3D-Maus, zur Verfügung. Bei Touchscreens wird die dritte Dimension anders eingesetzt. Hier reicht eine grobe Erkennung der relativen Distanz aus. Relativ bedeutet, dass hier nicht geometrisch gemessen wird, sondern die Ent­fernung qualitativ (»näher« – »weiter weg«) bestimmt wird. Der Anwender sorgt intuitiv durch die Wahl der richtigen Abstands dafür, dass die Aktion entsprechend ausgewertet werden kann.

Die einfachste Anwendung ist die Anwesenheitserkennung eines Benutzers, wobei der Touchscreen 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-Sensor zugleich eingesetzt, können sie sich gegenseitig ergänzen, um zur Steigerung der Sicherheit eine Plausibilitätsprüfung durchzuführen. 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.

Haptik des Touchscreens

Die PCAP-Technologie bietet durch die Trennung von Design und Funktion vielfältige Möglichkeiten, die Touchoberfläche zu gestalten. Eine davon ist die Rauigkeit des Glases. Sie sorgt zum einen durch den Antiglare-Effekt dafür, Spiegelungen vom Display zu streuen und so den Displayinhalt besser wahr­nehmen zu können. Zum anderen macht sie den Touchscreen für den Benutzer angenehm greifbar.

Die taktile Rückmeldung (Force Feedback) liefert ein mit den Fingerkuppen spürbares Signal an den Bediener zurück. Dies kann mit verschiedenen Verfahren erzielt werden, z.B. mit einer relativen Bewegung zwischen Finger und Auflagefläche (Vibration). Die mechanische Anregung kann z.B. 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 (z.B. durch elektrische Reizung der Nervenzellen), sind denkbar.

Messung der 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. Das Verfahren ist ungenau, da die Auflagefläche bereits um Ruhezustand individuell und kulturell stark unterschiedlich ist, und die Kompression des Fingers von der Konstitution des Trägers abhängt. Bringt man einen Kraftsensor direkt unterhalb der Sensor­fläche an, werden die Messwerte reproduzierbar. Die höchste Genauigkeit lässt sich mit vier verteilten Sensoren erreichen, die in den vier Ecken oder Kanten des Touchsensors angebracht sind. Wie beim Force Feedback müssen Sensor oder Bildschirm flexibel gelagert sein. Dies erfordert den Einsatz einer dauerelastischen und gegenüber in der Anwendung auftretenden Umwelteinflüssen widerstandsfähigen Abdichtung.

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 wird die funktionelle Sicherheit gesteigert, denn die grobe Lokalisierung des Touchereignisses durch die Kraft­sensoren ermöglicht eine Plausibilitätsprüfung der vom Sensor zurückgegebenen Koor­dina­ten.

Eine Technik, die eng im Zusammenhang mit Näherungserkennung und Force Sensing steht, ist Hovering. Sie ist das Äquivalent zum »Mouseover« bei der Bedienung mit der Maus: Die Maus ver­harrt über einem Eintrag, ohne dass eine Maustaste betätigt wird. Beim Touchscreen wird bereits bei Annäherung des oder der Finger vor Berühren des Touchscreens eine bestimmte Aktion ausgelöst. Dies kann die Erkennung der Anwesenheit (z.B. das Umschalten der Displaybeleuchtung vom Standby auf aktiven Betrieb) sein, die Vorschau einer Mail oder Einblenden einer Erläuterung.