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Touchscreen
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Ein Touchscreen, Tastschirm bzw. Sensorbildschirm ist ein Computerbildschirm mit Bereichen, durch deren Berührung der Programmablauf gesteuert werden kann. Statt einen Cursor per Maus o. ä. zu steuern, kann der Finger oder ein Zeigestift verwendet werden. Die Anzeige eines Cursors wird damit überflüssig. Der Berührungspunkt wird als Cursorfocus bezeichnet.
Die Analogie zum Mausklick ist ein kurzes Tippen. Durch Ziehen des Fingers oder Stiftes über den Touchscreen kann eine Drag-&-Drop-Operation ausgeführt werden. Manche Systeme können sogar mehrere gleichzeitige Berührungen zu Befehlen verarbeiten um z. B. angezeigte Elemente zu drehen oder zu skalieren.
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Anwendungen
Touchscreens finden als Info-Monitore, z. B. auf Messen, zur Orientierung in großen Kaufhäusern oder für die Fahrplanauskunft auf Bahnhöfen Verwendung. Hin und wieder sind auch in den Schaufenstern von Apotheken oder Reiseveranstaltern Touchscreens zu finden, über die detaillierte Informationen abgerufen werden können. Darüber hinaus werden Touchscreens auch bei Spielautomaten und Arcade Games eingesetzt. Oft werden sie auch für die Steuerung von Maschinen in der Industrie eingesetzt (Industrie-PCs). Bei manchen Banken gibt es auch Geldautomaten mit Touchscreen-Display. In Banken werden sie immer öfter für Überweisungsterminals eingesetzt, wobei die SAW-Technik (Surface Acoustic Wave) zum Einsatz kommt, weil diese relativ vandalensicher ist. Durch ihre Glasoberfläche verkratzt und beschädigt sie nicht so schnell wie beispielsweise resistive Systeme mit ITO-Folie als Oberfläche.
Touchscreen-Terminals, die zur öffentlichen Informationsweitergabe eingesetzt werden, werden in der IT-Branche als Point of information oder abgekürzt, POI, bezeichnet. Terminals, die zum Verkauf dienen, werden Point of sale, oder abgekürzt POS genannt. Letztere haben sich entgegen der hohen Erwartung der Wirtschaft und der IT-Branche nur eingeschränkt durchgesetzt. Gründe dafür sind neben dem Wartungsaufwand für die Geräte oft die mangelnde Anpassung der Software an die besonderen Bedienungsbedingungen der Touchscreengeräte, oder oft schlicht auch die unergonomische und unattraktive Software und fehlender Nutzen für die Bediener.
In neueren, modernen Autos werden immer öfter Multifunktionsdisplays als Touchscreen ausgelegt. Neue Techniken bieten hier sogar eine elektronisch erzeugte, taktile Wahrnehmbarkeit.
In Heimsystemen sind Touchscreens kaum verbreitet, einzig im Bereich der PDAs, Tablet PCs und bei der Spielkonsole Nintendo DS sind sie in größerem Einsatz. Die hier zur Vermeidung von auf dem kleinen Bildschirm störenden Fingerabdrücken eingesetzten Stylus sind aber recht unökonomisch und führen oft bei stärkerem Gebrauch zu einem Verkratzen des Touchscreens. Das Problem lässt sich bisher nur mit besonders weichen Stylus oder Aufkleben einer Schutzfolie lösen.
Ein Touchscreen muss nicht zwingend vor ein Display montiert werden, auch ist die Verwendung als Ersatz einer Folientastatur möglich. Hierzu wird hinter den Touchscreen (an der Stelle an der normalerweise der Computerbildschirm sitzt) eine bedruckte (Polyester-) Folie aufgebracht.
Es gibt mehrere technische Systeme zur Umsetzung der Berührungsempfindlichkeit:
- kapazitive Oberflächen (kondensatorgesteuerte)
- resistive (widerstandgesteuerte) Systeme – 4-wire, 5-wire und 8-wire (Wire = Leitungen)
- SAW (Surface Acoustic Wave) – „(schall)wellen-gesteuerte Systeme“
- optische Systeme (Gestikterminals) (z. B. Infrarottouch-Monitore)
- Dispersive Signal Technologie Systeme
Analog resistive Touchscreens
Analoge Systeme bestehen aus zwei gegenüberliegenden leitfähigen Indiumzinnoxidschichten (ITO) (x und y Schicht), die mit einer konstanten Gleichspannung angesteuert werden.
Zwischen den zwei ITO-Schichten befinden sich viele kleine und kaum sichtbare Abstandshalter, so genannte Spacer-Dots (direkt übersetzt -> Abstandshalter-Punkte), die eine Trennung der zwei Schichten garantieren.
Bei 4-Wire-Systemen (Wire = Drähte) verfügt der Touchscreen über vier Leitungen zum Controller, zwei für jede Achse. Hier liegt eine konstante Gleichspannung an. Bei Indiumzinnoxid handelt es sich um ein transparentes, halbleitendes Material.
Berührt man den Touchscreen an einer bestimmten Stelle, so berühren sich dort die zwei ITO-Schichten, wodurch ein elektrischer Kontakt entsteht. Durch den Widerstand dieses Kontaktes entsteht an jeder Stelle eine unterschiedliche Spannung. Die Spannungsänderung kann dann zur Bestimmung der Koordinaten x und y benutzt werden.
Das Controllerboard (elektronisches Bauteil, das den Controller für den Touchscreen enthält, meistens USB oder RS232 Schnittstelle) regelt hier die Kommunikation zwischen Computer und Touchscreen, die richtige Position wird mit Hilfe der dazugehörigen Softwaretreiber bestimmt. Der analoge Touchscreen arbeitet sehr genau und bietet eine hohe Auflösung. Die Mindestlebensdauer beträgt in der Regel (je nach Qualität) mehr als 3 Millionen Berührungen.
Einige wenige Hersteller haben darüber hinaus eine Technik entwickelt, bei der die Oberfläche aus Folie durch eine aus Glas ersetzt wird. Dies nennt sich „Glas-Glas-Touchscreen“. Hier ist eine höhere Vandalensicherheit und eine kratzsicherere Oberfläche gegeben.
Funktionsbeschreibung anhand eines Beispiels
Wie bereits beschrieben, besteht ein resistiver Touchscreen aus zwei leitfähigen Schichten, welche sich am Druckpunkt berühren. Somit ergibt sich sowohl in der oberen Schicht als auch in der unteren Schicht ein Spannungsteiler, welcher im Beispielbild eingezeichnet ist. Das Verhältnis der Widerstände Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_1
zu Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_2 ergibt die Position des Druckpunktes in Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): x
-Richtung. Um das Teilerverhältnis zu bestimmen, wird durch den Touchscreencontroller an Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(x_1)
und Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(x_2) jeweils eine andere bekannte Spannung gelegt. Somit fließt über Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_1 und Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_2 ein Strom. An Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(y_3) oder Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(y_4) kann dann hochohmig die resultierende Spannung des Spannungsteilers gemessen werden. Hochohmig, damit an Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_3 oder Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_4 keine Spannung abfällt, welche das gewünschte Messergebnis verfälschen würde.
z. B. Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(x_1) = 5\,\mathrm V
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(x_2) = 0\,\mathrm V
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_1 = 2 \cdot R_2
aufgrund der Position des Druckpunktes; Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): x
-Richtung von Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(x_2)
nach Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(x_1)
Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(y_3) = U(y_4) = U(x_2) + \frac{(U(x_1) - U(x_2)) \cdot R_2}{R_1 + R_2} = 0\,\mathrm V + 5\,\mathrm V \cdot \frac{1}{3} = 1{,}66\,\mathrm V
Entsprechend ergibt das Verhältnis Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_3
zu Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): R_4 die Position in Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): y
-Richtung. Hier wird also an Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(y_3)
und Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(y_4) eine Spannung angelegt und an Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(x_1) oder Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U(x_2) hochohmig gemessen.
Aufgrund der Funktionsweise, ständig wechselnd Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): x -Position und Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): y -Position bestimmend, strahlt ein resistiver Touchscreen ein Störsignal aus (EMV) bzw. ist aufgrund seiner hochohmigen Oberfläche EMV-empfindlich.
5-wire analog-resistive Touchscreens
Bei 5-wire resisitive Touchscreen wird die Ungenauigkeit durch Materialinhomogenitäten sowie der Einfluss von Leckströmen auf der Messelektrode verringert, indem nur die rückwärtige Elektrode (aus Glas) widerstandsbeschichtet ist, während die Frontfolie ideal leitet. Die Ecken der Rückelektrode werden kontaktiert, die Frontelektrode dient nur noch als Messelektrode für den Spannungsteiler, so dass dort eventuelle Leckströme der Messeinrichtung keinen Spannungsabfall bewirken können. Im ersten Zyklus werden die beiden oberen Ecken (A und B) verbunden und mit Spannung versorgt, die beiden unteren Ecken (C und D)werden auf Masse gelegt. So erhält man eine vertikale Position. Im zweiten Zyklus werden die beiden linken Ecken (A und C) verbunden, die beiden rechten (B und D) auf Masse gelegt, wodurch die horizontale Position abgeleitet wird.
Einsatzgebiete von analog-resistiven Touchscreens
- PDAs und Handys/Smartphones mit Touchscreen
- Industrie-PCs (Steuerung von Maschinen)
- Kiosksystem (z. B. Messeinformationssysteme)
- Automobilsektor (wie z. B. Navigationssysteme, Multimedia-Systeme)
- Home-Entertainment (z. B. Nintendo DS)
- Bürogeräte (z. B. Kopiersysteme)
Einsatzgebiete von kapazitiven Touchscreens
Dispersive Signal Technology (DST)
Die so genannte Dispersive Signal Technology basiert auf einem völlig neuen Ansatz: Berührungen werden durch Vibrationen auf dem Trägermaterial erkannt. Damit unterscheidet sie sich von jeder anderen gängigen Technologie. Zum einen macht sie die Touchscreens belastungsfähiger. Und zum anderen werden dank DST auch Eingaben ignoriert, die durch Aufstützen der Handflächen oder Abstellen eines Getränks auf der Oberfläche entstehen. Entscheidend ist: DST verbindet alle besten Eigenschaften der etablierten Techniken, sprich hervorragende Lichtdurchlässigkeit, Stiftunterstützung, Genauigkeit, Unterschriftenerfassung und ausgezeichnete Langlebigkeit durch eine ganz aus Glas bestehende Oberfläche.
Sensoren, die in jeder Ecke des Touchscreens angebracht sind, messen die Vibrationsenergie. Anschließend werden diese Daten mittels hoch entwickelter Algorithmen zur Dispersionsanalyse ausgewertet und jeder Berührungspunkt genau gemeldet. Dieses Konzept ermöglicht nicht nur die Beseitigung von Problemen, die durch Verschmutzungen oder Kratzer auf der Bildschirmoberfläche hervorgerufen wurden. Sie ist es auch, die das Erkennen von Berührungen ermöglicht, die durch die auf der Oberfläche ruhende Handfläche und/oder einen dort ruhenden Gegenstand ausgelöst werden. Das heißt mit anderen Worten: Eine Eingabe mittels Berührung durch Finger, Handschuhspitze oder Stift kann auch dann erfolgen, wenn sich eine Person auf der Oberfläche abstützt oder ein Glas darauf steht. Denn die Berührung erzeugt eine Vibration, die eine Biegewelle durch das Trägermaterial auslöst – und zwar vom Berührungspunkt bis hin zu den Rändern. Die im Ruhezustand befindlichen Gegenstände werden dabei einfach ignoriert, da sie keine Vibrationsenergie erzeugen.
DST bietet zahlreiche Vorteile für Handel, Spieleindustrie und Gastgewerbe, da die kioskartigen Terminals durch diese Technologie überzeugender, fehlersicher und gegen Beschädigungen resistent arbeiten können.
Literatur
- Andreas Holzinger: Finger Instead of Mouse: Touch Screens as a means of enhancing Universal Access, In: Carbonell, N.; Stephanidis C. (Eds): Universal Access, Theoretical Perspectives, Practice, and Experience. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 2615. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2003, ISBN 3-540-00855-1, 387–397.
- Andreas Holzinger: Basiswissen IT/Informatik Band 1: Informationstechnik. Wuerzburg: Vogel, 2002, ISBN 3-8023-1897-8, 158–160.
Weblinks
- Wie funktioniert ein Touchscreen? – Leicht verständliche Erklärung für Kinder
- Video der Präsentation eines „Multi-Touch“-Schirms von Jeff Han auf der TED Conference 2006 (bei youtube, Flash benötigt)
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