3D-Touch PCAP in der dritten Dimension

Elektrodenanordnung für 3D-Touch

Überzeugt die im 2D-Bereich größtenteils etablierte PCAP-Technik auch in der dritten Dimension? Rudolf Sosnowsky von Hy-Line betrachtet die Möglichkeiten, die sich per kontaktloser Interaktion realisieren lassen.

Von Rudolf Sosnowsky, Leiter Technik bei Hy-Line

Aus ergonomischen Gründen sind Touchscreens für Eingaben, bei denen eine echte dreidimensionale, präzise Positionierung erforderlich ist, nicht geeignet. Finger und 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, sondern die Entfernung qualitativ (näher – weiter weg) bestimmt wird. Der Anwender sorgt intuitiv durch die Wahl des 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 Touch-Ereignis, ohne dass der 3D-Sensor zuvor eine Annäherung signalisiert hat, handelt es sich um eine Fehlauslösung, die nicht an das Betriebssystem zurückgemeldet wird.

Von Haptik bis Hovering

Stichworte, die in Verbindung mit dreidimensionalen Touchscreens genannt werden, sind Haptik, taktile Rückmeldung, Kraftmessung und Hovering.

Haptik: Die PCAP-Technologie bietet durch die Trennung von Design und Funktion vielfältige Möglichkeiten, die Touch-Oberfläche 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.

Taktile Rückmeldung: Die taktile Rückmeldung (Force-Feedback) liefert ein mit den Fingerkuppen spürbares Signal an den Bediener zurück. Dies kann mit verschiedenen Verfahren erzielt werden, etwa 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 im 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 Touch-Sensors angebracht sind. Wie beim Force-Feedback muss der Sensor oder Bildschirm flexibel gelagert sein. Dies erfordert den Einsatz einer dauerelastischen Abdichtung, die gegenüber anwendungstypischen Umwelteinflüssen widerstandsfähig ist.

Bei nur leichter Berührung kann die Applikation eine andere haptische Rückmeldung geben als bei fester Betätigung. Darüber hinaus wird die funktionelle Sicherheit gesteigert, denn die grobe Lokalisierung des Touch-Ereignisses durch die Kraftsensoren ermöglicht eine Plausibilitätsprüfung der vom Sensor zurückgegebenen Koordinaten.

Hovering: 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.