Multi-Touch: was ist das?

jpkleinau — Tue, 28 Oct 2008 11:29:00 GMT

Vor etwa 5 Jahren hätte jeder Mensch mich mehr als nur komisch angesehen, wenn ich mit meinem Mittelfinger die Lücke zwischen den beiden Maustasten gestreichelt hätte!! Heute ist das "Mausrad" selbst bei hartnäckigen Mac-Usern ein wichtiges Eingabeinstrument und jeder häufige Computernutzer verwendet es oder vermisst es, wenn er an eine "antiquierte" Maus gerät. Die Erweiterung der Gebrauchstauglichkeit der Maus war eine schleichende Evolution, die nur von wenigen bewusst wahrgenommen wurde. Nun kommt etwas (eigentlich nicht wirklich) "Neues" auf uns zu:

Touch me! Berühr mich!

Die Tablet-PCs mit ihrer stiftbasierten Eingabe haben sich trotz preislicher Verbesserung kaum durchgesetzt. Im Bereich der mobilen Geräte und der mobilen Spielkonsolen sind sie zwar führend, doch sie werden zusehends ersetzt durch die stiftlose Eingabe mit Fingerbedienung. Nachdem das iPhone deutlich gezeigt hat, dass auch im Kleingerätebereich die Fingerbedienung erfolgreich sein kann, wird man nun bei den größeren Geräten aktiv. Dabei gibt es verschiedene technische Ansätze.

Resistive Systeme
So funktionieren die meisten Mobilgeräte der älteren Generation. Bei den resistiven Systemen werden zwei Indiumzinnoxid Schichten übereinandergelegt und mit winzigen Abstandhaltern von einander getrennt. Dieses Material ist fast durchsichtig und halbwegs gut stromleitend. Das bedeutet, dass sie einen gleichbleibenden und messbaren elektrischen Widerstand leisten. Berührt man den Touchscreen, so verbinden sich die beiden Schichten und der Widerstand verändert sich. Auf Basis des veränderten Widerstands in beiden Schichten, kann man den Punkt errechnen. Die Punktberechnung ist recht genau und die Bedienung ist mit jedem Gegenstand möglich. Allerdings leiden diese Touchscreens unter jeder Berührung und verkratzen recht schnell. Akutell ist mir kein Multi-Touchscreen auf Basis der Resistiven Systeme als Umsetzung bekannt.
Kapazitive Systeme
So funktionieren iPhone und iPod Touch von Apple. Eine mit Metall-Oxid beschichte Glasscheibe wird über Emmitter wie ein Kondesator aufgeladen. Ein gleichmäßiges elektrisches Feld entsteht. Wird die Glasscheibe mit dem Finger berührt, so verändert sich der Ladungszustand durch einen so genannten Ladungstransport. Anhand von platzierten Sensoren kann man nun den Berührungspunkt errechnen. Die Anzahl der Sensoren und Emitter bestimmt die Genauigkeit. Die Glasscheibe sehr haltbar, allerdings kann man das Gerät nur mit dem Finger oder einem ähnlichen Gegenstan bedienen, der den Ladungstransport übernimmt. Als Multi-Touch baute Apple in seinen iPhone zwei kapazitive Systeme ein, die Mutual Capacitance und Self Capacitance genannt wurden. Unter Mutual Capacitance versteht Apple ein Raster von Elektroden in einer Matrix und unter Self Capacitance versteht Apple eine relativ hohe Dichte von Emmittern und Sensoren, so dass 15 Berührungen gleichzeit aufgenommen werden können (in dem Patent spricht Apple von "ten fingers, two palms, and three others") .
Ultraschallwellen Systeme
Die SAW (Surface Acoustic Wave) basierenden Touchscreens lassen Schallwellen im Bereich von 5 MHz auf der x und der y-Achse durch eine Glasscheibe laufen. Diese werden auf den Koordinatenachsen reflektiert. Durch die Berührung werden ein Teil der Oberflächenwellen absorbiert und verändert. Dies wird durch piezoelektrische Empfänger aufgenommen udn führt zur Berechnung des Berührungspunkts. Hier kann mit Fingern, mit Handschuhen aber auch mit Gegenständen die Berührung auf einer stabilen Glasplatte durchgeführt werden. Allerdings ist die Technik recht empfindlich gegenüber Verschmutzung und Witterung, da dies auch die Oberflächenwellen verändert. Das System muss sich also beim Neustart neu kalibrieren. Als Multi-Touch Gerät ist mir keine Umsetzung bekannt.
Dispersive Signal Technologie Systeme
3Ms Dispersive Signal Technologie (DST) arbeitet auf dem Prinzip der Wasserwellen, die entstehen, wenn man einen Kieselstein in ein Gewässer wirft. Es werden die Vibrationen gemessen, die bei eine Berührung einer Glasfläche entstehen. Da auch bei Verschmutzung oder Belastung der Oberfläche immer eine Vibration bei der Berührung entsteht, kann diese berechnet werden. Ähnlich arbeitet auch die Elo iTouch Oberflächenwellen-Technologie, welche die Oberflächenwellen direkt auf dem CRT Bildschirm misst, die als Vibration bei Berührung entstehen. Eine Glasscheibe entfällt. Theoretisch wäre eine Multi-Touch Umsetzung denkbar, mir ist aber keine bekannt.
Akustische Impulserkennung Systeme
Die Akustische Impulserkennung (APR = Acoustic Pulse Recognition) verbindet SAW mit DST Weg. Berührungen auf einer Glasscheibe erzeugen Krach, der gemessen und Koordinaten zugewiesen werden kann. Dieser Schall tritt jedesmal auf und somit entfällt die Kalibrierung. Eine Umsetzung findet sich bisher nur von Elo TouchSystems, eine Multi-Touch Umsetzung gibt es nicht.
Optische Systeme
Durch optische Leisten werden gepulste Lichtsignale (zumeist LEDs im Infrarotbereich) ausgesendet und von lichtempflindlichen Transistoren gemessen. Wird die Lichtübertragung gestört, so lässt sich der Punkt der Berührung ermitteln. Für diese System muss nichts auf dem Bildschirm selber, sondern nur am Rand montiert werden. Allerdings stören Witterung, starke Verschmutzung und Gegenstände auf dem Touchscreen die Messung. HP verwendet für ihre TouchSmart PCs ein optisches System basierend auf Infrarot Technologie. Der genaue Aufbau ist nicht bekannt.
Microsoft Research Cambridge hat mit ThinSight ein IR basiertes Optisches System entwickelt, welches Multi-Touch Bedienung für ultraflache Bildschirme wie für Notebooks zulässt. ThinSight bringt die Infrarotsender und -sensoren nicht seitlich, sondern hinter den Bildschirm in Form einer Matrix an. Abhängig von der Dichte der Matrix entsteht die Genauigkeit und die Menge der gleichzeitig messbaren Berührungen, theoretisch ist ein Abbild wie mit einer Kamera möglich. Attraktiv ist ThinSight aufgrund der bereits vorhandenen und etablierten IR-Technologie.
Totalreflexion Systeme
FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) Systeme gehören zu den optischen Systemen, jedoch werden die Lichtsignale nicht unterbrochen, sondern reflektiert. Das Licht wird durch den Übergang zwischen Bildschirm und Luft reflektiert ähnlich einer Wasseroberfläche eines Sees vom Taucher aus gesehen. Berührungen auf der Bildschirmoberfläche zerstreuen dieses Licht. Das nicht reflektierte Licht kann gemessen und ermittelt werden. FTIR wird für die Fingerabdruckerkennung eingesetzt und könnte auch für Multi-Touchscreens verwendet werden. JazzMutant hat einen Multi-Touchscreens Produkte auf dieser Basis gefertigt. Auch gibt es seit 2006 den Yamaha Tenori-On Synthesizer.
DiamondTouch
Mitsubishi Electric Research Laboratories entwickelte ein System eines Multi-Touch Screens, der darauf basiert, dass die Benutzer mit einen Sender verbunden sind (der sich idealerweise in dem Sitz zu einem DiamondTouch Tisch befindet). Die Signale des zu einem "Radiosender" verwandelten Benutzers werden von Antennen am Screen empfangen. Bisher ist nur ein Prototyp gefertigt worden.
Objekterkennung
Bei diesen Systemen werden durch eine oder mehrere Kameras die Oberfläche ständig gefilmt. Die Kameras können unter einer Projektionsfläche oder über einem Bildschirm montiert werden. Als Projektionsfläche kann eine milichige Glas- oder Plexiglasscheibe dienen. Mit Infrarotkameras wird das Bild durch die Oberfläche hindurch aufgenommen. Das aus mehreren Winkeln aufgenommene Bild wird je nach Bedarf in zweidimensionale oder dreidimensionale Objekte verwandelt. Verschmutzungen stören nicht, da nur dir erkannten Obiekte für die Anwendungen interessant sind. Umsetzungen finden sich in der SMART DViT (digital vision touch) und bei Microsoft Surface. Mit dieser Technologie lassen sich theoretisch beliebig viele gleichzeitige Berührungen durch Gegenstände oder Finger realisieren. Bei Microsoft Surface sind es über 50 gleichzeitige.

Bei dem Weg von einer einzigen Berührung, wie man es von den Tablet-PC kennt hinzu einer multiplen gleichzeitigen Objekt-Erkennung ist ein weiter Spielraum. Dabei werden unterschiedliche Ansätze verwendet. So stellten 2000 N. Matsushita, Y. Ayatsuka und J. Rekimoto für Sony eine Dual Touch Technology für Stiftbasierte PDAs vor. Die Geräte sollten sich gleichzeitig mit Stift und Daumen benutzen lassen. Dies ist mit einer Vielzahl der oben genannten Technologien möglich. Die Umstellung von wenigen Sensoren in einem Koordinatensystem hinzu einer Vielzahl von Sensoren in einer Matrix ermöglichen eine dichte Abtastung. Doch kann man immer nur so viele Punkte gleichzeitig erfassen, wie Sensoren vorhanden sind. Bei einem Kleingerät wie einem PDA werden 15 gleichzeitige Berührungen ausreichen, doch für größere Geräte empfiehlt sich eine höhere Anzahl, um zu erkennen, was oder wer jetzt gerade den Bildschirm berührt. Das stößt jedoch schnell an die Grenzen des bezahlbaren und machbaren. Laut Garrett Gargan, der Programmanager für HPs TouchSmart, waren Resistive und Kapazitive Technologien entweder zu teuer oder nicht performant genug. HP verwendet ein optisches System für ihr TouchSmart.

Für Multi-Touch Oberflächen ist nicht allein die Berührung, sondern auch die Erfassung von Bewegung wichtig. Damit werden Technologien, die passiv auf Oberflächenwellen basieren, ein paar Schwierigkeiten haben. Auch die dann auf Raster umgestellten Systeme, werden mit der Matrixerfassung von Bewegungen einiges zu leisten haben. Beim iPhone klappt dies zwar ganz gut, doch von einer hohen Auflösung kann nicht wirklich die Rede sein. Einen Bleistift zum Zeichnen zu erfassen wird schwierig sein. Ungelöst ist in vielen Fällen die Druckempfindlichkeit, welche für Multi-Touchsysteme ebenfalls eine Rolle spielen könnte. So wäre es für die Steuerung nicht uninteressant, ob jemand fest drückt oder zart streichelt.

In der Forschung und der kommerziellen Umsetzung werden keine Usability Ideen ausgelassen, so testete Mitsubishi Electric Research Laboratories ein auf herkömmlicher Technologie basierenden durchsichtigen Multitouchscreen in dem Projekt LucidTouch (PDF). Der Multi-Touch Musiktisch Reactable der Music Technology Group, Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, gewann den Goldenen Nica 2008 in der Kategorie Digital Musics der Ars Electronica. ART+COM erstellten 2007 einen übergroßen Multi-Touch-Tisch genannt Touchmaster (PDF), der bereits schon in Austellungen und Museen Anwendung findet. Lumin stellt eine Multi-Touchkonsole mit Rückprojektion vor.

Multi-Touch PCs für den Geschäftskunden und den Heimanwender werden kommen (oder sind schon da) und werden von Microsoft Windows 7 unterstützt. Ob jeder Mensch unbedingt auf seinem Bildschirm herumfingern will, ist in der breiten Masse noch nicht erforscht. Die Anwendungsmöglichkeiten scheinen endlos, doch der Markt reagiert meist zurückhaltend bei einem derartigen Paradigmenwechsel in der Bedienung und im Erleben von Computern. Für mich sind Multi-Touch Geräte die Zukunft. Bereits im Februar 2008 habe ich in Redmond auf einem Surface spielen dürfen. Mit ein wenig Glück werde ich Ende Dezember meine erste Microsoft Surface Anwendung fertig haben.

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