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從電阻觸控筆到 Apple Pencil,聊聊當今觸控筆的那些門道

00 後的新青年或許並不知道,在 iPhone 誕生前,甚至是 iPhone 誕生後的一段時間裡,市面上不少觸控手機是無法輕鬆地直接用手指來操控使用,它們一般出廠都會標配一隻細長細長的觸控筆。

那是因為當時的觸控設備以電阻屏為主流,電阻屏的觸控識別,是基於螢幕上兩片近距離的導電薄引起電信號實現的:當手指等硬物在表面壓過,這兩層薄膜將接觸通電,再通過橫、豎兩向的電信號來確定觸控點的位置坐標,實現觸控。

因為電阻屏的兩層薄膜是有一定距離的,用手指指腹觸控時往往需要稍大點的力氣,才能讓兩層薄膜接觸,因此更多人習慣用更尖銳的手指甲、觸控筆來操控,這又容易導致螢幕被刮花,所以電阻屏觸控筆的筆觸要做得相對柔軟,才不易劃傷螢幕。

Palm V 與自帶的觸控筆(圖片來源:the verge)

iPhone 誕生後的一段時間,電容屏的成本逐步下降,電容屏逐步取代電阻屏,成為市面上觸控手機的主流,與此同時,觸控筆也漸漸淡出了觸控手機的身旁。

但三星的 Galaxy Note 是個例外,從第一代 Note 系列起,三星就給它標配了一支小巧玲瓏的、支持壓感的觸控筆 —— S-Pen,讓 Galaxy Note 成為整個 Android 陣營中最特別的手機系列。

三星的這支 S-Pen 觸控筆實質是一支「電磁筆」,還需要有螢幕端的硬體配合才能實現書寫。

電磁筆的原理其實也不複雜,一般來說,廠商們在螢幕面板上多集成一塊電磁板,作為信號接收端,而帶有磁性的電磁筆作為信號發射端,在螢幕上點點劃劃時,雙方能產生電磁感應,通過計算電磁板上不同區域的磁通量差異,就能確定筆觸的位置;另外,帶有壓感的電磁筆一般在筆觸端配有壓力傳感器,筆芯受到不同壓力變化會引起電磁信號的變化,讓螢幕下的電磁感應板接收到不同強度的信號,進而呈現出不同的壓感,來模擬真是的書寫、繪圖筆跡。

而電磁筆本身,可以做成有源的,也可以做成無源的:有源的觸控筆因為能主動發射電磁信號,螢幕接收端的功耗可以稍微低些,抗干擾能力更強、響應快,不過因為需要供電,筆也比較難做小;而無源電磁筆,首先因為無需額外供電,體積可以做的很小,但螢幕的接收端功耗相對要做的大些,才能滿足電磁筆的信號識別,螢幕一般也不會太大,適合螢幕較小的手機使用,Galaxy Note 的 S-Pen 正屬於「無源電磁筆」。

其實微軟 Surface 平板 / 筆電電腦配對的 Surface Pen 觸控筆,同屬「電磁筆」,但跟 S-Pen 不同,他屬於「有源電磁筆」,需要電池供電。微軟的 Surface Pen 觸控技術來自於 N-trig 這家公司,據說它還跟聯想等公司合作過,後來微軟將其收購,被並入微軟以色列分部。

除了 N-trig 以外,知名的數位板廠商 Wacom 大多數產品也是採用類似的解決方案,前者核心在於有源電磁觸控,而後者是「無源電磁筆」的佼佼者(擁有 EMR 技術的專利),因為同樣是「無源電磁筆」,Galaxy Note 的 S-Pen 甚至可以直接在 Wacom 的數位板上使用。

如今針對電容觸控屏的主流觸控筆主要有兩種,一種除了是以上提到的「電磁筆」外,另一種是「電容筆」。

先來簡單聊聊電容觸控屏的基本原理,它是借助人體電流感應來工作的,手指(或者說人體)作為導體,當放在電容屏表面時,會形成一個耦合電容,由於高頻電流的存在,有一定量的電荷會傳導到人體(人體可以理解成一個接了地的電容,對於高頻交流電電流來說,電容可以視作導體),這時候螢幕的四個角各有電極來補足螢幕觸控層失去的電荷,而處理器通過計算四個角的電極的電荷量的比例,來計算出觸控點的位置。

而最簡單的「電容筆」其實就是替代了手指,充當了一個帶電導體(或者接地導體),將本身帶電或者接地的導電材料做到筆頭上,就算是一根基礎的電容屏了 —— 即使一根火腿腸(可以帶包裝,也可以不帶包裝)也能當作觸控筆,試過在 iPad 上用兩根火腿腸玩「庫樂隊」的架子鼓,能玩出接近敲擊真實架子鼓的快感 —— 不過說到底,這類電容筆既沒有壓感、攜帶又不便,倒不如直接用手指觸控。

當然,市面上還有更高級的電容筆,例如在 Apple Pencil 以前,Wacom 就曾經為 iPad 推出過壓感電容筆 —— Creative stylus 2,內置處理芯片,通過藍牙與 iPad 連接,利用普通的電容觸控來定位,同時筆芯後端內置傳感器感知壓力,並通過藍牙傳送 iPad 實現壓力感知,但這類壓感電容屏存在適配性的問題,並沒有被更多專業的用戶接受。

而後來的事大家都知道:蘋果推出了 iPad Pro 產品線,同期推出了專用的 Apple Pencil 觸控筆,如今 Apple Pencil 已支持在售的 iPad 全系。

而 Apple Pencil 走的是完全不同的一條線,嚴格意義上它既不屬於「電磁筆」,也不屬於「電容筆」。

翻閱了資料,發現 Apple Pencil 會在筆尖發出多個特殊頻段的電磁信號,而 iPad 端的觸控芯片也進行了定製,能同時掃描普通觸控信號以及 Apple Pencil 的特殊信號,而筆尖發出的多個頻段的信號是為了提高掃描定位的精度,再加上極高的掃描率,讓 Apple Pencil(在 iPad Pro 上)的書寫感貼近真實紙筆書寫。

除了筆尖有壓力傳感器來模擬筆觸壓力外,還內置有兩枚陀螺儀,跟 iPad 的陀螺儀進行比對,來識別筆杆相對於 iPad 的姿勢,來模擬出傾斜的筆觸。另外蘋果還從系統層級上不斷對這支 Apple Pencil 進行軟體層面的優化,例如在 iPadOS 13 中進一步降低延時,在剛發布的 iPadOS 14 中優化了手指觸控和筆觸控的邏輯和反饋,加入了筆跡轉換文字的功能,不難看出蘋果對這枚 Apple Pencil 可謂是用盡了心思。

時間來到了 21 世紀的第三個 10 年初,如果說「手指依然是最自然的觸控工具」,那麽觸控筆又會是什麽呢?

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