1.1 硬件導(dǎo)論
多點(diǎn)觸摸指的是允許計(jì)算機(jī)⽤戶同時(shí)通過(guò)多個(gè)⼿指來(lái)控制圖形應(yīng)⽤的⼀種表達(dá)⽅式，⽽多點(diǎn)觸摸設(shè)備是由可觸摸⽰設(shè)備（例如：計(jì)算機(jī)顯⽰器、桌⼦、墻壁）或者觸摸板組成，通過(guò)軟件識(shí)別同時(shí)發(fā)⽣觸摸⾏為的點(diǎn)。這與市場(chǎng)上常見(jiàn)的觸摸顯⽰屏（例如：計(jì)算機(jī)觸摸板、銀⾏的ATM 柜員機(jī)）不同，市場(chǎng)上常見(jiàn)的觸摸顯⽰屏只能夠識(shí)別單或者雙點(diǎn)。
⾃然⽤戶界⾯⼩組（NUI）和多點(diǎn)觸摸硬件設(shè)計(jì)以及多點(diǎn)觸摸⼿勢(shì)設(shè)計(jì)，特別是在搭建⼀個(gè)真正的多點(diǎn)觸摸硬件設(shè)備（例如：⽀持多于兩個(gè)點(diǎn)的輸⼊）上帶來(lái)了關(guān)鍵性的變⾰。NUI Group 的⽬標(biāo)在于提供⼀個(gè)開(kāi)放式的平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上⼤家可以⾃由的交流多點(diǎn)觸摸硬件和軟件的知識(shí)，推動(dòng)著整個(gè)多點(diǎn)觸摸技術(shù)的快速發(fā)展。
作為硬件上的先鋒，NUI Group 希望能夠?yàn)樵诖罱ǖ统杀尽?#12220;分辨率、開(kāi)源式的多點(diǎn)觸摸設(shè)備感興趣的⼈提供⼀個(gè)多點(diǎn)觸摸技術(shù)的信息資源中⼼。通過(guò)這個(gè)平臺(tái)不斷發(fā)展和壯⼤，多點(diǎn)觸摸技術(shù)帶來(lái)了許多驚⼈的開(kāi)創(chuàng)，這不僅僅局限在多點(diǎn)觸摸設(shè)備，還引發(fā)了更多相關(guān)的設(shè)備出現(xiàn)。到⽬前為⽌，已經(jīng)有五項(xiàng)可以幫助愛(ài)好者搭建穩(wěn)定的多點(diǎn)觸摸平臺(tái)的技術(shù)出現(xiàn)，它們分別是：由Jeff Han 教授開(kāi)創(chuàng)的受抑全內(nèi)反射多點(diǎn)觸摸技術(shù)（FTIR）；微軟Surface 桌⼦的背⾯散射光多點(diǎn)觸摸技術(shù)（Rear-DI）；由Alex Popovich 提出的激光平⾯多點(diǎn)觸摸技術(shù)（LLP）； 由Nima Motamedi 提出發(fā)光⼆極管平⾯多點(diǎn)觸摸技術(shù)（LED-LP）；由Tim Roth 提出的散射光平⾯多點(diǎn)觸摸技術(shù)（DSI）。
這五項(xiàng)技術(shù)主要是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和光學(xué)為主的，除了這五項(xiàng)在NUI Group⾥占絕⼤多數(shù)之外還有⼀些其它的技術(shù)同樣可以搭建多點(diǎn)觸摸設(shè)備，它們包括聲波器、電容、電阻、動(dòng)作捕捉器、定位器、壓⼒感應(yīng)條等。通常情況下，這各種感應(yīng)器結(jié)合起來(lái)，就可以搭建⼀個(gè)特別的多點(diǎn)觸摸設(shè)備。在本章節(jié)中，我們將會(huì)和⼤家探索這些提及到的五項(xiàng)多點(diǎn)觸摸技術(shù)。
1.2 基于光學(xué)的多點(diǎn)觸摸技術(shù)導(dǎo)論
基于光學(xué)（例如：攝像頭）的多點(diǎn)觸摸技術(shù)搭建起來(lái)的設(shè)備體積⽐例相對(duì)要⼤，但它的可拓展性、低成本以及容易搭建是其受到歡迎的原因。受抑全內(nèi)反射多點(diǎn)觸摸技術(shù)（FTIR）、正⾯和背⾯散射光多點(diǎn)觸摸技術(shù)（Front and Rear DI）、激光平⾯多點(diǎn)觸摸技術(shù)（LLP）、發(fā)光⼆極管平⾯多點(diǎn)觸摸技術(shù)（LED-LP）、散射光平⾯多點(diǎn)觸摸技術(shù)（DSI），這些都是基于光學(xué)多點(diǎn)觸摸技術(shù)的例⼦。
上述的每個(gè)基于光學(xué)的多點(diǎn)觸摸技術(shù)都包含著光學(xué)感應(yīng)器（通常為攝像頭）、紅外光源以及通過(guò)投影儀或者顯⽰器為顯⽰的屏幕，因?yàn)橛羞@三個(gè)相同點(diǎn)，所以在系統(tǒng)的學(xué)習(xí)各項(xiàng)技術(shù)前，需要對(duì)這三部分有⼀定的認(rèn)識(shí)和了解。
1.2.1紅外光源
紅外線（英⽂簡(jiǎn)稱：IR）是光譜上的⼀部分，剛好越界于⼈類眼睛可以看到的可見(jiàn)光，其范圍長(zhǎng)于可見(jiàn)光但短于微波，“近紅外”（英⽂簡(jiǎn)稱：NIR）處于紅外光譜上的最低處，⼀般被認(rèn)可的波長(zhǎng)為700nm（納⽶）到1000nm 之間。⼤多數(shù)數(shù)碼攝像頭的傳感器對(duì)紅外很敏感，所以我們通?？吹降臄z像頭都加裝⼀塊可以濾除紅外線的鏡⽚，以便于攝像頭只捕捉可見(jiàn)光，但這于我們所需要的相反，因此我們需要將⼀塊可以濾除其它波長(zhǎng)光只接收相對(duì)應(yīng)紅外線波長(zhǎng)光的鏡⽚替換原先的就可以達(dá)到我們所需要的⽬的。
在多點(diǎn)觸摸技術(shù)中，紅外光源主要作⽤于區(qū)別觸摸表⾯的可視界⾯和物體或者⼿指痕跡。鑒于很多系統(tǒng)都以投影儀或者顯⽰器作為顯⽰的設(shè)備，因此如何讓攝像頭僅讀取物體或者⼿指反饋的信息點(diǎn)是我們需要關(guān)注的，正如上⾯所說(shuō)的，通過(guò)改裝攝像頭然后僅讓其讀取我們?cè)谟|摸表⾯上所需要反饋的信息點(diǎn)即可。
⼤大多數(shù)壓克⼒⽣⼚商在⽣產(chǎn)壓克⼒時(shí)已經(jīng)加強(qiáng)了可以削弱900nm 以上的紅外線能⼒，這樣可以幫助在作為窗戶使⽤時(shí)是減少太陽(yáng)的加熱。很多攝像頭在這⽅⾯上也做了修正，減少對(duì)940nm 的敏感以及對(duì)減低太陽(yáng)光的⼲擾。
紅外發(fā)光⼆極管并不是我們真正需要的，但它的紅外光是我們要的。在多數(shù)基于光學(xué)多點(diǎn)觸摸技術(shù)中（特別是LED-LP 以及FTIR），紅外發(fā)光⼆極管被運(yùn)⽤的原因在于它們具有⾼效性地提供紅外光源的優(yōu)點(diǎn)。例如散射光多點(diǎn)觸摸技術(shù)（DI）卻不⼀定需要紅外發(fā)光⼆極管，但這不排除具有紅外發(fā)光⼆極管的紅外光源組，⽽激光平⾯多點(diǎn)觸摸技術(shù)（LLP）利⽤紅外激光器作為紅外光源。
通常情況下，發(fā)光⼆極管能夠以“單紅外發(fā)光⼆極管”或者“紅外發(fā)光⼆極管帶”購(gòu)買：
單紅外發(fā)光⼆極管：?jiǎn)渭t外發(fā)光⼆極管價(jià)格相對(duì)便宜⽽且可以很容易為利⽤FTIR、DSI 以及LED-LP 作為多點(diǎn)觸摸技術(shù)的設(shè)備制作發(fā)光⼆極管框，⽽需要我們具備的知識(shí)是如何去焊接我們所需要的電路。⽬前最常⽤的型號(hào)是歐司朗的SFH 485P，如果你想利⽤LCD 作為顯⽰屏的話，那么你則需要亮度更⼤的紅外發(fā)光⼆極管。
紅外發(fā)光⼆極管帶：這是⽤柔性扁平電纜結(jié)合紅外發(fā)光貼⽚結(jié)合起來(lái)的條帶，⼗分便利，購(gòu)買的時(shí)候已經(jīng)是組裝好的，只需要我們貼在壓克⼒四邊則可（公認(rèn)質(zhì)量最好的是美國(guó)的environmentallights.com 提供的紅外發(fā)光⼆極管帶）。
紅外發(fā)射器：這是⽤于Rear DI 或者Front DI 裝置中的，這種⽅式的裝置⽐其它的都要簡(jiǎn)易，只需要我們通過(guò)紅外發(fā)射器將箱⼦內(nèi)部照亮則可，但需要我們注意的是如何消除因?yàn)榧t外發(fā)射器引起的區(qū)域過(guò)亮問(wèn)題。
在購(gòu)買紅外發(fā)光⼆極管前，需要⼗分注意的是看清楚發(fā)光⼆極管的參數(shù)表，波長(zhǎng)、⾓度、功率，這些都是整個(gè)技術(shù)的重點(diǎn)。
波長(zhǎng)：780-940nm，紅外發(fā)光⼆極管在這個(gè)范圍內(nèi)最容易被⼤多數(shù)攝像頭讀取。波長(zhǎng)越低，敏感度就越⾼等同于更容易分析壓感。
功率：最低為80mw。
適⽤在FTIR 的⾓度：⾓度低于正負(fù)48 度的不能夠產(chǎn)⽣全內(nèi)反射，⽽⾓度⾼于正負(fù)48 度的則會(huì)產(chǎn)⽣紅外線溢出壓克⼒。為了確保其范圍，可以利⽤⾼于正負(fù)48 度的，但⾼于正負(fù)60 度則會(huì)造成浪費(fèi)（60-48=+/-12 度），這樣⼦就會(huì)溢出壓克⼒了。
適⽤在DI 的⾓度：通常來(lái)講⾓度越⼴越好，更⼴的⾓度產(chǎn)⽣的效果會(huì)更容易。
對(duì)于DI 裝置⾥⾯，很多⼈會(huì)有遇到區(qū)域過(guò)亮的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們建議將發(fā)光器反轉(zhuǎn)照射，避免對(duì)著顯⽰區(qū)域，同時(shí)我們需要為攝像頭加上過(guò)濾⽚，簡(jiǎn)易的軟盤過(guò)濾⽚可以產(chǎn)⽣效果，但效果并不好，我們建議⽤專業(yè)的過(guò)濾鏡⽚來(lái)解決問(wèn)題。
1.2.2紅外攝像頭
簡(jiǎn)單的⽹絡(luò)攝像頭可以⽤于多點(diǎn)觸摸設(shè)備上，但是我們需要對(duì)其進(jìn)⾏改裝。⼀般的⽹絡(luò)攝像頭或者攝像頭將紅外光過(guò)濾了，只讓其讀取可見(jiàn)光，所以我們需要做的是相反的⼯作，我們需要對(duì)其進(jìn)⾏改裝成只需要紅外光可以被讀取。通常情況下，我們只需要打開(kāi)攝像頭的蓋⼦，然后將過(guò)濾紅外光線的鏡⼦去掉，換上可以過(guò)濾可見(jiàn)光的鏡⽚即可，但有些可以很容易去除，⽽有些價(jià)格⽐較貴的攝像頭會(huì)將這個(gè)具有過(guò)濾紅外線功能的鏡⼦整合在攝像頭⾥⾯，我們⽆法去除。
不排除有些攝像頭可以直接讀取紅外光線，但進(jìn)⾏改裝的攝像頭運(yùn)⽤起來(lái)的效果會(huì)更加好。
多點(diǎn)觸摸設(shè)備的性能好壞取決于其運(yùn)⽤的部件，因此你需要⼗分謹(jǐn)慎地去選擇你所需要的部件。在購(gòu)買攝像頭之前，你需要明確的是⾃⼰的⽬的是什么？如果你僅需要搭建⼀個(gè)⼩的⽤來(lái)測(cè)試的多點(diǎn)觸摸設(shè)備，那么⼀個(gè)簡(jiǎn)單的攝像頭就⾜夠了，但相反如果你需要搭建⼀個(gè)⽤來(lái)演⽰的多點(diǎn)觸摸設(shè)備，你則需要考慮購(gòu)買更好的攝像頭了。
分辨率：攝像頭的分辨率⼗分重要，分辨率越⾼的攝像頭在讀取物體或者⼿指的時(shí)候能夠更加的清晰和容易，這對(duì)于需要做到⼗分精確的設(shè)備來(lái)說(shuō)⼗分重要。對(duì)于⼀個(gè)⼩的多點(diǎn)觸摸設(shè)備來(lái)說(shuō)⼀個(gè)低分辨率的⽹絡(luò)攝像頭（320*240 像素）就可以勝任了，⽽⼤的設(shè)備則需要⼀個(gè)分辨率⾼的攝像頭（640*480 像素）來(lái)達(dá)到其精確度。
幀率：幀率是指攝像頭在⼀秒中內(nèi)讀取到的幀的數(shù)⽬，更多的快照意味著在定義的時(shí)間內(nèi)我們具有更多的數(shù)據(jù)。為了讓設(shè)備能夠更好的讀取我們移動(dòng)產(chǎn)⽣信息點(diǎn)以及反應(yīng)更加靈敏，我們⾄少需要30 幀數(shù)每秒（FPS）。更⾼的幀數(shù)可以提供更好的流暢度和更好的⽤戶體驗(yàn)。
接⼝：通常情況下，我們可以通過(guò)兩個(gè)類型的接⼝來(lái)將攝像頭和電腦連接。根據(jù)項(xiàng)⽬的不同，可以選擇常⽤的USB 接⼝或者專業(yè)的IEEE1394 接⼝（常說(shuō)的“⽕⼝”）。IEEE1394 攝像頭因?yàn)閷?duì)讀取信息的衰減少⽽能夠更好地將信息傳送給計(jì)算機(jī)處理，⼀個(gè)對(duì)信息衰減越少的攝像頭能夠給設(shè)備提供更好的效率。
鏡頭類型：⼤多數(shù)⽹絡(luò)攝像頭都具有阻擋紅外線的綠鏡⽚，也具有避免圖形變形的。但對(duì)于我們的⽬標(biāo)，我們需要捕捉以及利⽤紅外線。很多⽹絡(luò)攝像頭可以很容易去除濾除紅外的鏡⽚，這個(gè)鏡⽚被放置在鏡⽚的后⾯，具有紅⾊反光的特性。但當(dāng)有些攝像頭⽆法拆除紅外濾鏡的時(shí)候，就需要將整個(gè)鏡頭進(jìn)⾏更換。⽹絡(luò)攝像頭⼀般都會(huì)⽤到M12 型號(hào)的底座，⼯業(yè)攝像頭系列（IEEE1394）通常需要另外購(gòu)買鏡頭，另外不同型號(hào)的攝像頭，也有不同的底座，例如：M12、C或者CS。
要選擇⼀個(gè)好的攝像頭不是⼀件容易的事情，幸運(yùn)的是很多攝像頭⽣產(chǎn)商會(huì)提供⼀個(gè)在線的鏡頭計(jì)算⼯具，這個(gè)⼯具通過(guò)輸⼊兩個(gè)參數(shù)便能夠幫我們測(cè)量出在鏡頭與物體以及顯⽰區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度的焦點(diǎn)長(zhǎng)度，但要注意的是要注意選擇好相對(duì)的型號(hào)。⼀個(gè)焦點(diǎn)長(zhǎng)度⽐較低的鏡頭往往會(huì)產(chǎn)⽣很多不好的效果（例如：圖像變形），這樣⼦會(huì)⼲擾我們定位信息點(diǎn)，使得⼯作難以進(jìn)⾏。
攝像頭傳感器和紅外線過(guò)濾鏡：鑒于我們的多點(diǎn)觸摸技術(shù)是基于紅外線的，因此我們需要知道的是我們選擇的攝像頭是否具有讀取紅外線的功能。⼀般情況下，⽣產(chǎn)商都會(huì)提及所⽤的攝像頭傳感器類型，通過(guò)這個(gè)類型我們可以找到相對(duì)應(yīng)的參數(shù)表，這個(gè)參數(shù)表會(huì)告訴我們這個(gè)攝像頭傳感器在不同波長(zhǎng)光下的敏感度特性，例如：SONY ICX098BQ CCD 傳感器的參數(shù)表（圖1.2.2）。
圖1.2.2 SONY ICX098BQ CCD 傳感器
在我們利⽤攝像頭作為我們的多點(diǎn)觸摸設(shè)備部件前，仍需要為攝像頭添加過(guò)濾⼲擾光的濾鏡。盡管我們使⽤的是已經(jīng)能夠感應(yīng)紅外線的攝像頭，但它仍然會(huì)對(duì)其它光敏感，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要在鏡頭前添加⼀個(gè)裁剪的濾⽚（軟盤、三⾊膠⽚）或者鏡頭濾鏡。裁剪的濾⽚能夠?yàn)槲覀兿?#12032;些可見(jiàn)光，但沒(méi)有特定的范圍，⽽鏡頭濾鏡具有波長(zhǎng)唯⼀性，具有只允許⼀個(gè)特定波長(zhǎng)通過(guò)的特點(diǎn)。
推薦的攝像頭
如果是購(gòu)買USB ⼝的攝像頭，我們建議您購(gòu)買以下的⼀種：
PlayStation 3（PS3eye）攝像頭，能夠容易地除去紅外鏡⽚⽽且具有⽐較⾼的幀率（640*480 30 FPS）。
Philips SPC 900NC，不能夠除去紅外鏡⽚，需要更換鏡頭但具有⽐較⾼幀率（640*480 30 FPS）。
如果是購(gòu)買IEEE 1394（⽕⼝）的攝像頭，我們建議您購(gòu)買⼀下的⼀種：
Unibrain Fire-（i 640*480 30 FPS），⽤的傳感器和 Philips SPC 900NC 的⼀樣 。
Point Grey Firefly（640*480 60 FPS）。
IEEE 1394 攝像頭相對(duì)于USB 攝像頭具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
⾼幀率
⼤分辨率
圖像壓縮率低
