RESUMO

 

No contexto atual, a humanidade busca sempre as melhores coisas para que possam facilitar suas atividades. Uma particularidade onde essa corrida é encontrada trata-se do campo da tecnologia. Algumas mudanças que acontecem vem com o tempo, onde as pessoas não percebem que a mudança em seu cotidiano está ocorrendo, e quando menos esperam, o que usavam é substituído por alguma novidade. A tecnologia se torna um misto da ciência com a engenharia para que todas essas mutações encontradas se tornem reais. Apesar de passar por conflitos na sociedade e muitas novidades serem afetadas por crises financeiras ela cresce a cada dia de forma tão rápida que para os mais jovens, algumas atividades seriam quase que impossíveis de se realizar sem o estágio que ela se encontra.

Idealizadores da tecnologia providenciaram cada vez mais o crescimento da facilidade de uso de interfaces, fazendo com que mecanismos antes bem utilizados se tornassem antiquados e até mesmo deixando com que alguns olhassem esses periféricos de maneira negativa. Esses idealizadores fizeram com que apenas com toques em uma tela, um humano pudesse interagir de forma mais direta com as novas tecnologias.

Assim, o objetivo desta pesquisa é identificar e relatar como a tecnologia touchscreen trabalha e como ela tem contribuído desde seu nascimento para o avanço da interação homem versus máquina, seja para atividades voltadas para o trabalho ou para o entretenimento. Para essa identificação e relato, serão abordadas algumas práticas e exemplos da utilização dessa tecnologia que tem permitido a inovação e a criatividade, e contribuído para o avanço e estudo tecnológico.

1.    A TECNOLOGIA TOUCHSCREEN

1.1. O que é a tecnologia touchscreen

A tecnologia touchscreen se constitui de interfaces computadorizadas onde as pessoas não necessitam de periféricos para interagir e utilizar a interface, constitui-se de telas onde elas mesmas são responsáveis pela interação entre o homem e a máquina, onde ao utilizar de toques nessas telas ou utilizar uma caneta para tocar a tela é como se as pessoas estivessem tocando no próprio objeto visualizado , estas telas possuem características de hardware e software que são capazes de reconhecer onde o toque foi realizado e tomar as ações necessárias.

1.2. Marcos Históricos

Pode-se pensar que a tecnologia touchscreen é uma das mais recentes descobertas anunciadas ao mundo. Mas, ao buscar sua história verdadeira, vê-se que não se trata de uma tecnologia que apareceu recentemente para encantar o mundo, mas trata-se de uma tecnologia descoberta a cerca de 30 anos.

Em 1960 iniciam-se os primeiros experimentos da tecnologia touchscreen. As primeiras telas experimentais utilizadas como interface começam a ser fabricadas.

Mas somente em 1972 a empresa IBM, na Universidade de Illinois, nos Estados Unidos, inicia um estudo com a tecnologia touchscreen. Este estudo possuía sua primeira aplicação, o Plato IV. A aplicação tinha por objetivo a área educacional à distância e sua função se baseava em questionários educacionais. O que ficou conhecido como sistema Plato (sigla em inglês para “Lógica Programada para Operações de Ensino Automatizadas”) era utilizado em uma tela de plasma, esta possuía sensores infravermelhos, assim, quando a tela era tocada calculava-se o exato local onde este toque ocorreu, vendo assim quais sensores foram acionados o sistema se preparava para tomar uma ação. Donald Bitzer foi o responsável pela criação do sistema Plato.

Figura 1 – Plato IV Touch Screen Terminal (1972)

Fonte: http://www.billbuxton.com/

Mas, apesar dos relatos da década de 60 e do sistema Plato, o que ocasionou um maior impacto ao interesse na utilização da tecnologia e seu crescimento foram as descobertas realizadas por Sam Hurst, na Universidade do Kentucky, Estados Unidos, onde se desenvolveu com maior intensidade a tecnologia, batizando-a de Elograph, que era utilizada para a digitalização de dados gráficos. Na mesma universidade, uma alteração é incorporada aos sensores utilizados para a tecnologia touchscreen em 1974, onde estes são adaptados em uma superfície transparente.

Essa descoberta em 1971 foi tão essencial que impulsionou o surgimento de uma das empresas que mais contribuíram para esse traço histórico da tecnologia touchscreen, a Elographics. Tanto foi esta contribuição que em 1977 a empresa patenteou cinco projetos, entre eles estava o touchscreen.

Mas ocorre em 1980 que o resultado esperado com o surgimento dos primeiros projetos com a tecnologia touchscreen não rumaram para o resultado tão esperado. Mas, apesar deste fato, neste período inicia-se uma evolução ainda maior nascida da tecnologia touchscreen, esta evolução era estudada através de múltiplos toques em uma tela.

Já em 1983 a HP (Hewlett-Packard), empresa estadunidense, lança o HP-150, que é considerado o primeiro computador sensível ao toque com aspectos e características comerciais. Esta interface possuía uma tela de 9 (nove) polegadas e encontrava-se em sua composição sensores infravermelhos que calculavam o local exato de onde foi tocado, seja este toque realizado pela ponta dos dedos ou outro objeto qualquer com formato compatível. Os sensores que detectavam a posição de acionamento eram posicionados em pequenos buracos na tela, mas esta idéia com o passar do tempo foi abandonada, visto que estes pequenos buracos acumulavam poeira e faziam com que o funcionamento do HP-150 fosse comprometido, ao se tocar a tela, por exemplo, fazia com que esse sensor empoeirado não detectasse a ação. Assim utilizaram um plástico transparente na tela para que os sensores fossem protegidos quanto ao acúmulo de poeira onde se encontravam. Com o aparecimento desses inconvenientes, a busca pelo crescimento e melhoria tornou-se maior, assim, os sensores infravermelhos com o tempo foram perdendo seu valor e sendo substituídos por melhores tecnologias.

Em 1985, Paul McAvanney, na universidade de Carnegie Mellon, desenvolve uma tela que possui como principal característica uma moldura com sensores ópticos que reconhecem a posição dos dedos. Era possível identificar até mesmo três pontos diferentes de uma só vez.

Em 1991, Pierre Wellner investe em um trabalho nomeado como Digital Desk Calculator, com uma técnica óptica e acústica para sentir toques dos dedos ou de qualquer outro componente capaz de criar essa interação demonstrou como seria realizada a percepção de múltiplos toques.

De qualquer forma, muitas empresas tentaram fazer com que a tecnologia aparecesse de forma a brilhar e impulsionar assim um crescimento ascendente, uma destas empresas que também tentou o sucesso lançando produtos baseados na tecnologia touchscreen, foi a Fingerworks, posteriormente adquirida pela empresa Apple. Já a empresa francesa Jazz Mutant, em 2004, impulsiona a tecnologia com sua forma mais inovadora, o touchscreen que é capaz de reconhecer múltiplos toques, focando no trabalho de mixer musical. Estes fatos nos levam assim ao ano de 2006, onde Jeff Han, na Universidade de Nova York, palestra sobre as diversas possibilidades e diversas formas de trabalho que a tecnologia touchscreen possibilitava ser utilizada.

Mais recentemente, em 2007, é lançada pela Microsoft o Surface Computing, onde é possível ter uma interação com uma superfície de mesa, capaz de entender diversos toques e verificar onde os objetos estão posicionados e movê-los após toques realizados para que esta ação ocorra.

Visualizando os fatos ocorridos com a tecnologia até ela chegar aos dias atuais, percebe-se que ela passou por processos que foram exatamente calculados e reformulados para que se tornasse assim um destaque em algum momento na sociedade, mas como já se sabe o campo da tecnologia acaba passando até mesmo por conflitos econômicos e o preço de investimento na tecnologia, fazia com que os produtos lançados fossem caros, e assim, causou um retardo para que o consumo fosse realizado pelas pessoas em escala global.

A utilização dela é tão constante que é difícil imaginar que talvez ela tenha demorado 30 anos para surgir de fato, sendo assim, sabe-se que apesar de inesperados insucessos pelo meio de sua trajetória, hoje em dia ela é bem quista e tão presente na vida das pessoas, de uma forma que talvez nem elas mesmas se apercebam.

1.3. O Estopim de uma Era Sensível aos Toques

Mas para declarar um estopim que possa ser considerado um marco na história do touchscreen, voltemos ao dia 29 de junho de 2007. Uma data que marca um marco para a tecnologia touchscreen. Nesta data a empresa Apple apresenta um produto baseado na tecnologia multitouchscreen, ou seja, o avanço da tecnologia touchscreen.

O novo produto lançado, além de utilizar esta tecnologia e sensores de movimento, faz com que a Apple ganhe espaço e domine os admiradores das maiores novidades no campo tecnológico.

A Apple se apresenta para muitos como uma inovadora ou até mesmo criadora da tecnologia, isto pelo fato do novo produto acabar fazendo um sucesso entre a maioria das pessoas na sociedade, que garante uma ascensão. Mas como já mencionado a tecnologia já vem evoluindo e sendo estudada há muito tempo. Após a apresentação desta nova interface, com o lançamento do produto iPhone da Apple, percebeu-se uma explosão da tecnologia, o que fez com que nestes últimos anos ela aparecesse de forma visível à sociedade e sendo aceita de forma favorável pelos consumidores.

Além de marcos históricos que precederam o surgimento da tecnologia touchscreen e multitouchscreen, é preciso verificar alguns campos onde a tecnologia touchscreen está mais difundida e também saber qual foi o estopim da era sensível ao toque, é necessário saber quais os campos esta tecnologia está aplicada, quais os campos que esta tecnologia necessita de melhora, como esta tecnologia funciona e mostrar na prática como esta tecnologia pode ser visualizada e como é o seu funcionamento.

1.4. O reconhecimento de toques múltiplos

A abordagem inicial da tecnologia touchscreen se limitava, como mostra alguns fatos históricos iniciais, ao reconhecimento de um simples toque em uma tela, permitindo assim que a combinação de hardware e software tomasse alguma ação. Mas como descrito, alguns anos à frente, após a descoberta da possibilidade de se utilizar a tecnologia, alguns conseguiram desenvolver técnicas que permitissem que mais de um toque fosse reconhecido de forma simultânea e assim mais do que uma ação poderia ser tomada.

Essa maior inovação da tecnologia permitiu assim que alguns utilizassem de forma mais plena. Adquirindo assim produtos que contenham esse reconhecimento múltiplo, foi possível elaborar melhores técnicas de visualização de imagens, mapas e até mesmo utilizar como ferramentas dentro da área da computação gráfica, visto que os toques múltiplos permitem que esses objetos criados ou visualizados possam ser aumentados, diminuídos ou arrastados de um canto a outro da tela.

Assim mais um impulso tecnológico foi possível para aqueles que abraçam a possibilidade de evoluir e fazem com que coisas que antes só eram vistas em filmes ou imaginadas se tornem realidade.

Uma das tecnologias que possibilitam esse reconhecimento é a capacitância projetada (que será analisada mais a frente). Quando mais do que um dedo é colocado em sua tela, múltiplas dimensões das variações dos valores de capacitância são criadas.

Figura 2 – Projeção de múltiplos toques em uma tela de capacitância projetada.

Fonte: http://www.embedded.com/

Quando os toques são analisados, são verificados os picos na ficha técnica e esses são associados a localizações de toque. É possível também analisar os movimentos dos dedos e identificar gestos específicos como beliscar (efeito que gera uma diminuição de uma imagem), alongamento (efeito que gera um aumento de uma imagem) e swiping (efeito que indica a direção que se quer ir: esquerda, abaixo, acima, direita).

Embora estes recursos podem ser realizados em software através do driver de tela sensível ao toque, eles são demorados e complexos. Assim a tela de toque capacitivo pode interpretar os dados de contato e gerar eventos de gestos diretamente, simplificando o aplicativo.

Antes essa tecnologia só estava disponível para telas menores, mas agora é possível trazer esta mesma experiência para telas maiores, assim uma variedade de sistemas embarcados possuirão uma durabilidade, confiabilidade e desempenho com ainda maior valor.

1.5. Touchscreen nos dias atuais

O que muitos acreditavam que só poderia acontecer em filmes, se faz presente de tantas formas nas atividades atuais, que algumas pessoas nem se apercebem do quão utilizam a tecnologia touchscreen.

Em muitos lugares a tecnologia está presente, um destes clássicos lugares onde é encontrada é o caixa eletrônico dos bancos. Semelhantemente ao HP 150, estes caixas eletrônicos possuem um monitor comum, mas à frente do monitor, uma tela é colocada, esta tela possui em seu todo, receptores e transmissores infravermelhos, e quando esta interface é tocada pelos dedos, é verificado um corte de luz, que envia este sinal à outra interface e executa as ações necessárias. A imagem Figura 1 mostra como é realizada a conexão de muitos dos caixas eletrônicos disponíveis para utilização das pessoas atualmente. Além da tela de touchscreen estar posicionada à frente do monitor comum, a tela touchscreen possui um controlador que é responsável pela comunicação entre os computadores e a tela touchscreen, isto significa que ele é responsável por identificar qualquer toque acionado e representar esta interrupção para o computador, este assim tomara as providencias necessárias de acordo com o software que está sendo utilizado.

Figura 3 – Conexão de Monitores de Caixa Eletrônico.

Fonte: http://www.ondecomprar.net/wp-content/uploads/2008/05/tela_sensivel_toque.jpg

Além deste exemplo pode-se enumerar diversas atividades desempenhadas atualmente com a tecnologia touchscreen. Diversos celulares já possuem a tecnologia. Alguns aparelhos de DVD que são embutidos nos carros possuem a tecnologia, que facilita aos motoristas a utilização do aparelho. E em um nível mais alto da eletrônica pode-se citar a tecnologia aplicada a monitores de notebooks e monitores tradicionais para computadores domésticos e comerciais, e ainda aparelhos de televisão, que facilitam e tornam as tarefas mais ágeis.

As telas sensíveis ao toque estão presentes ainda em câmeras digitais, interface GPS, eletrodomésticos e muitos dispositivos que são utilizados diariamente.

2.    FUNCIONAMENTO DA TECNOLOGIA TOUCHSCREEN

2.1. Como funciona a tecnologia touchscreen

Em linhas gerais, as telas touchscreen reconhecem o ponto ou pontos onde foi tocada, este reconhecimento, ao ser realizado, com a combinação do software e hardware necessário, envia um sinal do toque e realiza um processamento para que sejam tomadas ações referentes ao que foi tocado. Após isso o software emite uma resposta, e o usuário pode assim visualizar dados ou interagir em tempo real com a interface.

Este tipo de reconhecimento é realizado por vários tipos de telas disponíveis. Cada tipo destes realiza essa comunicação de uma forma. Os principais tipos e suas devidas características são:

2.1.1.   Resistiva (RTS)

A tecnologia resistiva é composta basicamente por membranas sobrepostas ativadas com toque. Duas camadas eletricamente condutoras estão separadas por um espaço muito estreito. Quando o dedo ou um objeto pressiona para baixo em um ponto na superfície externa, as duas camadas metálicas são interligadas no ponto tocado. Após isso o painel, se comporta como um par de divisores de tensão com saídas conectadas, provocando uma mudança na corrente elétrica que é enviada para o controlador realizar o processamento necessário.

Para que esse funcionamento exista as telas de toque resistivo são caracterizados pelo número de conexões nas camadas de metal chamada de óxido indio dopado com estanho (Indium Tin Oxide – ITO). Normalmente, a camada inferior possui um material duro, como o vidro por exemplo. A camada superior, que é a camada mais próxima do usuário, possui um material mais flexível como uma folha fina de plástico.

Os contatos das duas camadas são interligados a entradas exclusivas de sinal analógico que passam para os conversores digitais (ADC). Ao pressionar a camada superior, mudanças geradas afetam a camada inferior, essas mudanças na resistência, medida pelo ADC, definir a localização do toque.

Existem vários tipos de telas touchscreen que são definidas pela quantidade de fios utilizados. O mais recomendado para utilização diária por usuários comuns em ambientes domésticos, escritórios ou uso menos exigentes como ambiente de venda ou restaurantes é o de 4 (quatro) fios. Já a tela que é caracterizada por 5 (cinco) fios são mais indicadas para locais onde a utilização será mais exigente, como pontos de venda, restaurantes, controles industriais e outras aplicações comerciais.

Essa recomendação desses tipos de telas resistivas é feita porque possuem vantagens como: Alta resolução de toque; sensibilidade à pressão, funciona com stylus; não é afetado por sujeira, poeira, água ou luz; tecnologia acessível. Apesar das vantagens alistadas, possui desvantagens como:

– 75% de clareza;

– pode ser danificada por um objeto afiado;

– são menos duráveis.

Figura 4 – Funcionamento geral das telas resistivas (RTS).

Fonte: http://www.touchscreens.com/

 

Apesar do bom funcionamento dessa tecnologia, ela possui alguns problemas. A tela mais próxima do usuário, por exemplo, por possuir um material mais fino, se torna mais suscetível a danos, podendo ser até mesmo rasgada pelos usuários, pode ser deformada com o tempo, por causa do longo período de uso ou exposição a temperaturas muito altas ou muito baixas, e ainda pode ser danificada por materiais utilizados para limpar o aparelho. Assim, qualquer coisa que é utilizada no aparelho que pode alterar a resistência das camadas ITO poderá causar danos irreversíveis. Por todos esses motivos, é aconselhável que as telas resistivas sejam calibradas freqüentemente.

Alguns destes problemas ainda podem ser amenizados por adicionar mais pontos de reconhecimento de contato. Uma tela touchscreen que possui oito fios possui uma tensão de referência que é injetada em nas duas camadas ITO. Esses níveis de referência ajuda o sistema a se auto calibrar, desta forma consegue temporariamente superar problemas causados pela utilização do aparelho e deformações causadas pelo mau uso.

A tela que possui cinco fios utiliza pontos de conexão em diferentes unidades, permitindo fornecer a correção ainda melhor para problemas causados pela utilização do aparelho.

2.1.2.   Capacitiva

Uma tela capacitiva é normalmente feita de vidro revestida por sensores capacitivos de cobre, tinta impressa ou óxido indio dopado com estanho (Indium Tin Oxide – ITO). Os sensores de cobre podem ser implementados em FR4 PCB padrão, assim como em material flexível. Os sensores de ITO permitem uma transparência de até 90% (indicado para soluções de camada única).

Para que o funcionamento da tela ocorra é necessário que o corpo humano conduza eletricidade, assim um toque na superfície do sensor irá afetar o campo elétrico e criar uma mudança na capacidade do dispositivo. Este trabalho não requer que os sensores sejam tocados diretamente. As mudanças de freqüência dos sensores medem as coordenadas da linha e coluna onde o toque foi efetuado.

Embora a operação de um sensor de toque dependa da aplicação que será utilizada, os circuitos de sensores capacitivos possuem métodos próprios de detecção para transformar o sinal analógico em digital. Uma técnica utilizada é medir a freqüência ou ciclo de trabalho das mudanças devido à introdução de capacitância adicional de dedo. Tipicamente o funcionamento de sensores do tipo capacitivo baseia-se na diferença de freqüência em um ou mais osciladores quando excitado. Um oscilador é um circuito eletrônico que tem a propriedade de gerar um sinal elétrico com uma freqüência pré-determinada a partir de capacitores e outros componentes eletrônicos convenientemente interligados baseando-se no principio de carga e descarga desses componentes. No momento que tocamos o sensor, nosso dedo altera as propriedades desse circuito, inserindo capacitâncias “parasitas” que alteram a freqüência desses osciladores.

Esse sinal oscilante gerado pode ser monitorado por um circuito conversor analógico / digital (ADC) e acusará essa súbita mudança em sua freqüência de operação.

Figura 5 – Solução analógica de toque (pode ser afetada pela umidade dos dedos quando esse aparece entre o ponto capacitivo e o terra de referência).

Fonte: http://www.embedded.com/

 

Uma desvantagem desse tipo de circuito de interface analógica é que o sensor capacitivo pode ser afetado por ruídos eletromagnéticos. A situação se torna mais difícil se o sensor é um circuito integrado no processamento de sinal digital (DSP) que poderá induzir ruídos indesejáveis. Para evitar perturbações externas, o dispositivo pode exigir soluções de software que deve ser programado com tal sorte de identificar esses ruídos e desprezá-los.

Existe ainda o método digital de sensoriamento que evita problemas associados com a abordagem analógica (Figura 5). O método digital detecta alterações na capacitância do sensor, por atraso no sinal. Uma linha digital quando ligado a um capacitor (no caso o dedo) sofre um atraso devido ao tempo necessário para carga desse capacitor. Medindo-se o atraso gerado a essa linha consegue-se detectar a presença do corpo externo.

Figura 6 – Solução digital de toque (essa configuração não é sensível a umidade dos dedos ou pingos de água).

Fonte: http://www.embedded.com/

O espaçamento entre os sensores é muito importante, porque isso determinará o melhor reconhecimento de alteração na capacitância através do toque realizado pelo usuário. Ainda é necessário escolher corretamente o tipo de material que será utilizado, como já mencionado se será o cobre, tinta impressa ou ITO.

É necessária ainda a verificação do tipo de ambiente que a tela irá operar, se a utilização será freqüente, se ruídos de radio frequência não irá influenciar na boa utilização do aparelho e como o usuário irá interagir com a interface.

Figura 7 – Funcionamento geral das telas capacitivas.

Fonte: http://www.touchscreens.com/

É uma tecnologia durável utilizada em uma ampla variedade de aplicações, que inclui sistemas de ponto-de-venda, controles industriais, e quiosques de informação pública. As telas capacitivas podem reconhecer um ou mais toques, e possui uma clareza maior do que a tecnologia resistiva, mas só consegue captar o toque realizado por um dedo, não conseguirá funcionar caso o usuário esteja utilizando luvas e não poderá reconhecer toques feitos por uma caneta, a menos que esta possua capacidade de condução elétrica, ou seja, as telas capacitivas não irão funcionar com qualquer situação, somente aquelas que possuam uma ação condutora. A tela capacitiva não é afetada pela sujeira, graxa ou umidade.

2.1.2.1.      Entendimento dos Campos Elétricos

A fim de compreender sensores capacitivos, é importante entender algumas noções básicas sobre campos elétricos (E-fields). Uma característica fundamental dos campos elétricos e que eles sempre buscam o caminho de menor resistência elétrica. A Figura 7 mostra uma forma geral dos campos elétricos em um projeto de sensor capacitivo.

Figura 8 – Campos Elétricos

Fonte: Artigo Capacitive Sensing – Cypress Semiconductor.

 

Visualizando as linhas do campo a partir do sensor capacitivo para o aterramento do circuito é possível observar a formação de capacitâncias. Capacitância essa sem a presença de objeto condutor. A Figura 8 mostra o efeito de um objeto condutivo no mesmo sistema.

Figura 9 – Campo Elétrico com um toque sendo realizado.

Fonte: Artigo Capacitive Sensing – Cypress Semiconductor.

O objeto condutor permite um aumento das linhas do campo elétrico para viajar entre o sensor e o aterramento do sistema ocasionando capacitâncias parasitas no sistema.

2.1.3.   Onda Acústica

Ondas acústicas de superfície (SAW) é a tecnologia que utiliza ondas ultra-sônicas que passam sobre o painel do touchscreen com uma série de emissores e receptores. Quando o painel é tocado, uma parte da onda é absorvida. Essa alteração nos registros de ondas ultra-sônicas determina a posição do toque e envia essa informação para o controlador para que o processamento seja realizado.

Como o painel é todo de vidro, esta tecnologia possui o fator de maior durabilidade, maior clareza de imagem. Como a tela não é completamente vedada pode ser afetada por poeira, sujeira ou água.

Figura 10 – Funcionamento geral das telas de onda acústica.

Fonte: http://www.touchscreens.com/

Essa tecnologia é recomendada para quiosques de informação pública, treinamento por computador e outros ambientes de alta utilização.

2.1.4.   Capacitância Projetada

A tecnologia touchscreen com capacitância projetada é um tipo de tecnologia capacitiva, que envolve a relação entre uma matriz XY de sensoriamento com fios embutidos dentro de duas camadas de materiais não metálicos, e um terceiro objeto, que pode ser um dedo humano. A Capacitância Projetada cria um campo eletrostático acima da superfície de detecção. Este formato requer o uso de padrões de ITO e não necessita de calibração. Mas, ao contrário das telas de toque resistivo, as camadas de ITO são seladas entre duas folhas de vidro em uma tela de capacitância projetada.

O padrão entre as duas camadas de ITO paralelas formam uma grade de capacitores. Os campos elétricos desses capacitores são projetados com a camada superior do vidro. Quando o usuário coloca o dedo perto da superfície superior da tela de toque, existe a união das camadas e assim são reconhecidos os campos elétricos.

Este acoplamento muda a capacitância de vários dos capacitores nas proximidades do dedo. Um algoritmo converte essas alterações na capacitância em um local ao longo dos eixos X e Y da tela (Figura 11).

Figura 11 – Em uma tela sensível ao toque, quando o usuário toca a camada superior, o filme plástico é encurvado até que a camada de ITO entre em contato

Fonte: http://www.embedded.com/

 

Após a realização do toque, este é precisamente medido, e em seguida, transferido para o sistema controlador que está conectado a um computador com um aplicativo de software. Este, então, calcula o toque do usuário. A tecnologia capacitiva projetada desfruta dos benefícios de responder com precisão a todos os dedos.

A projeção de um campo elétrico é a diferença entre a tecnologia de capacitância projetada. Como o usuário está interagindo com um campo elétrico, não há necessidade de as duas camadas de ITO realizar contato físico ou para o usuário fazer uma ligação elétrica com a tela sensível ao toque.

Como resultado, todos os componentes eletrônicos sensíveis que compõem uma tela de toque capacitivo projetado podem ser protegidos por um vidro ou um plástico. Além disso, o painel frontal pode ser selado em torno das bordas, criando-se assim um gabinete totalmente fechado.

A tela pode ainda ser ligada a uma seção de acrílico transparente do compartimento (Figura 12), criando uma superfície superior completamente lisa.

Figura 12 – Tela de toque pode ser ligada a uma seção de acrílico transparente do compartimento.

Fonte: http://www.embedded.com/

Outra vantagem desta tecnologia é que as camadas de ITO são de vidro, fazendo com que não deformem com o tempo. Os capacitores que compõem as camadas ITO estão sempre no mesmo lugar, assim não existe a necessidade de calibrar a tela com freqüência.

2.1.5.   Infravermelho

A abordagem gerada pela tecnologia infravermelho determina emissores de luz (LED) e fototransistores em torno da tela que geram assim uma rede de feixes de luz através de um display. Assim que um toque é realizado pelo dedo ou uma caneta, interrompendo assim o feixe de luz criado, causa uma diminuição de sinal no fototransistor correspondente. Assim essa diminuição de sinal permite o reconhecimento da localização do ponto tocado.

Mas a adoção desta tecnologia possui a desvantagem do custo relativamente elevado da em relação às tecnologias concorrentes e ainda existe a questão do desempenho em luz ambiente, onde a luz de fundo aumenta o nível de ruído no sensor ótico, causando assim que quando um corte é realizado, o sistema reconheça mais do que um ponto e tomar ações que não eram esperadas. Isto se acentua mais nas condições de luz solar, onde o sol distribui uma energia elevada de infravermelho nas telas.

Mas ainda assim, a tecnologia possibilita a eliminação da sobreposição de vidro ou de plástico que a maioria das outras tecnologias de toque exige na frente do visor. Em muitos casos, essa sobreposição é revestida por material transparente de condução elétrica, como o ITO, que reduz a qualidade óptica do visor.

Outra característica importante é que a tecnologia infravermelho possui saída digital do sensor quando comparado a muitos outros sistemas de toque que dependem do sinal analógico de processamento para determinar a posição do toque. Estes sistemas analógicos requerem calibração contínua, possuem sinais complexos que influenciam no processamento, adicionando custo e consumo de energia, demonstram redução na exatidão e precisão do toque em comparação com um sistema digital.

A tecnologia infravermelho não é capaz de reconhecer mais do que um toque, visto que opera com a interrupção de feixes de luz. Assim, caso mais do que um toque seja realizado, o sistema é capaz de priorizar somente um deles, mas como já abordado, nem sempre a ação tomada será a ação desejada pelo usuário.

2.1.6.   Outras tecnologias

2.1.6.1.      Extensômetro

O Extensômetro determina a deformação de uma tela quando tocada. Usando um mecanismo com molas nos cantos da tela, um Extensômetro pode medir a pressão em um ponto tocado. Esta tecnologia data-se de 1960, mas as empresas Vissumo e F-Origin possuem soluções corporativas para que esta tecnologia seja utilizada. Ela é capaz de medir a força de contato do usuário. Este tipo de tecnologia geralmente é utilizado em sistemas de exposição pública, pois são resistentes a possíveis vandalismos. Um problema dessa tecnologia é que com o tempo os pontos de pressão podem se desgastar com o uso, evitando que responda corretamente.

2.1.6.2.      Captura Óptica

O que determina a tecnologia de captura óptica são dois ou mais sensores de imagem colocados em torno das bordas da tela. Uma forma de iluminação infravermelha (backlight) é colocada na área da câmera à vista sobre os outros lados da tela. Um toque aparece como uma sombra e cada par de câmeras localizam o toque ou medem o tamanho do objeto que tocou a tela. Esta tecnologia está crescendo em popularidade, devido à sua escalabilidade, versatilidade e acessibilidade.

2.1.6.3.      Dispersão de Sinal

Atribuída pela empresa 3M em 2002 esse sistema possui sensores que detectam energia mecânica no vidro devido a um toque. Algoritmos complexos interpretam essa informação e fornecem a localização real do toque.

Como não há necessidade de elementos adicionais na tela, é verificada uma excelente claridade ótica. Além disso, como vibrações mecânicas são utilizadas para detectar um evento de toque, qualquer objeto pode ser usado para gerar esses eventos.

A desvantagem é que, após o toque inicial, o sistema não consegue detectar um dedo imóvel e a tecnologia pode ser afetada por poeira e arranhões.

2.1.6.4.      Reconhecimento de pulso acústico

Atribuída pela empresa Tyco International Elo possui mais do que dois transdutores piezelétricos (que captam deformações mecânicas, gerando cargas elétricas) localizados na tela, para transformar a energia mecânica (vibrações) de um toque em um sinal eletrônico.  O hardware de tela usa um algoritmo para determinar a localização do toque com base nos sinais do transdutor. O toque é realizado em vidro comum, possuindo assim durabilidade e clareza óptica, assim é capaz de funcionar mesmo com arranhões e poeira na tela. A tecnologia é bem adaptada a telas maiores.

2.2. Comparativo entre os tipos mais utilizados de touchscreen: RTS versus Capacitivo

Como abordado a tecnologia resistiva é um sensor mecânico com duas camadas de material, normalmente separados por ar (Figura 13). A camada superior é uma fina película transparente e a camada inferior, de vidro. Pressionando a camada superior com o dedo, esta empurra toca a camada inferior. A tensão no ponto de contato é medida, e local é localizado. Depois de retirar o dedo, a camada superior recomeça novamente sua configuração.

Figura 13 – Painel de toque resistivo.

Fonte: http://www.embedded.com/

 

Mas os dois principais desafios é que o visor é severamente danificado e possui pouca durabilidade. Quando usados muitas vezes eles são descartados ou a sua utilização se torna muito difícil. Assim o custo de manutenção fica tão elevado que pode dobrar o custo de um novo.

O RTS possui descarga eletrostática. Necessita de calibração constante.

Assim uma alternativa mais eficiente e confiável é o uso do sensor capacitivo.

A mudança no rastreamento da capacitância é medida e a posição do dedo localizada. Nenhuma pressão é necessária para ativar o sensor capacitivo (Figura 14).

Figura 14 – Painel de toque capacitivo.

Fonte: http://www.embedded.com/

O sensor capacitivo recebe informações de contato com o usuário e envia esta informação à placa controladora. A placa controladora processa os sinais de toque e transmite as informações. O software usa a posição do dedo e informações de contato para uma grande variedade de interações com o usuário.

Os mesmos materiais utilizados na RTS são utilizados na abordagem de sensor capacitivo, especificamente óxido de índio e estanho (ITO) em polietileno tereftalato (PET).

No entanto, o sensor capacitivo não possui problemas de durabilidade e de transparência, pois não possui ar em suas lacunas, contribuindo assim para a sua alta confiabilidade e durabilidade.

Figura 15 – Sensores capacitivos posicionados em matriz.

Fonte: http://www.embedded.com/

A tecnologia capacitiva funciona mesmo quando o sensor é colocado debaixo de uma superfície durável como o policarbonato ou acrílico. Em casos como estes, o sensor capacitivo tem a durabilidade ambiental da sua cobertura rígida, que permite funcionar em ambientes onde outras tecnologias não conseguem funcionar.

Óptica e simplicidade mecânica é outra razão importante para a confiabilidade da tecnologia capacitiva. Uma vez o sensor possui seu estado sólido, sem partes móveis. Em contrapartida, o de toque resistivo requer uma caixa de ar e pontos de informações, sendo que ambos causam reflexos e dispersam a luz. Além disso, devem ser tomadas medidas para minimizar a distorção óptica (como anéis de Newton – Figura 16) quando a parte superior da superfície deforma durante a operação de painel de toque resistivo.

Figura 16 – Anéis de Newton.

Fonte: http://www.wikipedia.org/

Ao contrário da RTS, sensores capacitivos não exigem espaçamento crítico entre as camadas do sensor. No entanto, os sensores capacitivos podem detectar através de superfícies curvas sem perda de funcionalidade.

Como resultado das diferenças mais importantes, os designers podem utilizar sensores capacitivos para uma eficácia e simplicidade no toque.

Apesar de esta comparação indicar uma boa eficácia das telas capacitivas, deve-se levar em consideração que dependendo da aplicação a melhor utilização pode não ser este tipo de tecnologia. Antes de iniciar a implementação, é necessário verificar alguns aspectos para se chegar à conclusão de qual tecnologia será mais eficaz na aplicação.

2.2.1.   Qual a melhor tecnologia a ser utilizada.

A melhor tecnologia a ser utilizada deve ser analisada a fundo antes da implementação do projeto. Como estudado, existe uma gama de opções que podem ser analisadas pelo projetista, até que ele chegue à conclusão de qual será a melhor para a aplicação que será utilizada.

Deve-se levar em conta fatores de público alvo, condições ambientais e tempo de uso ao analisar qual a melhor tecnologia que poderá ser utilizada.

Um ótimo exemplo que pode chamar a atenção é quanto ao público que costuma utilizar luvas. Como sabemos esse tipo de acessório poderia vir a influenciar na utilização de algumas telas touchscreen, visto que o contato homem versus interface deve ser direto em algumas tecnologias.

Assim, como análise, uma alternativa seria utilizar a tecnologia resistiva, pois não importa o que é utilizado para tocar a tela. O importante é que suas camadas de ITO entrem em contato. Já o caso de da tecnologia capacitiva, deve-se analisar a sensibilidade da tela, a espessura das luvas e o tipo de material que as compõem. Luvas mais finas, como cirúrgica, funcionam normalmente. Já luvas mais grossas, utilizadas no inverno, podem influenciar no bom funcionamento da tela. Assim por maiores que sejam as suas vantagens sobre a tecnologia resistiva, as luvas podem fazer com que a tela não cumpra de forma plena seu papel.

Mas ainda assim, as telas capacitivas são projetadas de forma que a sua sensibilidade possa ser alterada e assim seu funcionamento ocorrer normalmente, caso a tela seja utilizada em algum lugar que sempre esteja frio, pode-se alterar sua sensibilidade para reconhecer toques de pessoas que estarão utilizando luvas de inverno. Outra alternativa seria esta tecnologia pode trabalhar com uma caneta que esteja eletricamente ligada ao sistema para superar este ponto.

3.    PROJETO

3.1. TouchGenius: O que é?

O jogo Genius surgiu na década de 80 e buscava estimular a memorização de cores e sons, possuía botões coloridos que emitiam sons e iluminavam a seqüência que deveria ser repetida. O objetivo era o jogador repetir o processo sem errar.

O TouchGenius trata-se de uma implementação virtual do brinquedo, uma aplicação Java que com as devidas alterações é capaz de ser jogada com a utilização da tela com LEDs e fototransistores.

3.2. TouchGenius: Objetivo do Projeto

O projeto TouchGenius tem como objetivo principal demonstrar como funciona a tecnologia touchscreen e foi realizado para analisar os riscos e as dificuldades em se projetar uma interface deste tipo, tomando como base os projetos iniciais para o touchscreen. Além disso, permite-se que se jogue o Genius. Para que isso seja possível a tela é projetada em uma moldura, adaptada com LEDs e fototransistores infravermelhos, uma placa de comunicação e uma aplicação Java, simulam a utilização de um interface sensível ao toque.

3.3. Funcionamento

A moldura possui um total de 16 componentes, 8 LEDs e 8 fototransistores infra-vemelho (Figura 17).

Figura 17 – Representação da Tela TouchGenius.

O LED consiste de um chip de material semicondutor dopado com impurezas para criar uma junção p-n. A corrente flui facilmente do lado p, o anodo, para o lado n, o catodo, mas não no sentido inverso. O fluxo de corrente libera energia em forma de fótons, que é a luz emitida pelo LED, e sua cor varia de acordo com o comprimento de onda, nesse caso o infra-vermelho invisível ao olho humano.

O fototransistor é um dispositivo que funciona baseado no fenômeno da fotocondutividade.

A incidência de luz provoca um aumento da corrente elétrica de base, o que por conseqüência implica numa variação da corrente de coletor sendo essa variação proporcional à intensidade da luz incidente. Como a base está normalmente desconectada, a corrente que circula por ela dependerá apenas do fluxo luminoso incidente. Na ausência de luz, a corrente de base será próxima a zero e o fototransistor estará cortado, resultando na tensão do coletor igual à tensão de polarização Vcc. Com a incidência de luz, teremos uma corrente no emissor, provocando uma tensão igual à IeRe.

Os fototransistores estão ligados, com cabos comuns, com seus coletores interligados, enquanto os LEDs possuem cada um seu próprio cabo ligado em seu respectivo anodo, os receptores e catodos estão ligados ao aterramento do circuito. A conexão entre a moldura ou “Tela”, e a placa de comunicação, é feita através de um conector.

Na placa de comunicação, encontramos os componentes básicos para o seu funcionamento, o conector para o cabo de comunicação e alimentação, o circuito integrado para comunicação serial (MAX3232), e o microcontrolador (ATmega 64). O “Apêndice A – Lista de Componentes Utilizados na Placa do Projeto TouchGenius” indica a lista de componentes que foram utilizados no projeto para que o funcionamento da aplicação ocorre-se corretamente, esta lista é baseada no esquema elétrico da placa conforme documento “Apêndice B – Esquema Elétrico da Placa do Projeto TouchGenius.”.

Um microcontrolador é um dispositivo que consiste de um circuito integrado com uma unidade central de processamento simples com suporte a funções como oscilador a cristal, timers, interrupções, E/S, E2PROM, ADC, e uma pequena quantidade de RAM. Têm seu uso em aplicações dedicadas e sistemas embarcados.

O microcontrolador é o responsável por controlar o acionamento e desligamento dos LEDs e por transformar a tensão dos fototransistores em um sinal digital, através do ADC (Conversor Analógico-Digital), para que possa ser então interpretado pelo programa do microcontrolador, depois enviando o caractere ASCII correspondente a aquela posição via serial RS-232.

Um ADC é um dispositivo eletrônico que converte uma tensão (sinal analógico) e em um número (sinal digital) proporcional à magnitude da tensão.

O programa do uC, escrito em linguagem C (Apêndice C – Aplicação Utilizada na Placa), decide qual caractere ASCII enviar da seguinte forma:

Em um laço while (1), os LEDs são ligados e desligados em pares nos quais os feixes de luz são perpendiculares, por exemplo, LED 0 e LED 3, LED 0 e LED 6, LED 0 e LED 2, e assim por diante. Após o par de LEDs ser ligado, é realizada a leitura do valor do ADC, e comparado com um valor pré-estabelecido, como já vimos anteriormente, os fototransistores estão ligados no ADC, e como sua tensão varia de acordo com a incidência de luz, o valor no ADC quando o houver luz direta dos LEDs será baixo, e quando houver um corte no feixe de luz, será alto. Se o valor lido for maior que o valor pré-estabelecido, então é enviado o caractere ASCII corresponde àquela posição, enquanto o feixe não for liberado, nada mais é feito. Ao ligar os LEDs em pares, mantendo os outros desligados, é possível saber com certeza qual a posição foi acionada.

Tabela 1 – Pseudocódigo do algoritmo de funcionamento da Tela Touch.

Liga LED na linha Liga LED na coluna Realiza uma leitura do ADC Se valor lido maior que valor pré-definido:    Emite sinal sonoro    Envia caractere correspondente àquela posição     Realiza uma nova leitura do ADC, permanece em loop enquanto valor lido      maior que valor pré-definido Desliga LEDs

 

O caractere ASCII é enviado ao PC via comunicação serial RS-232. Como o foco do trabalho é demonstrar a tecnologia touchscreen, a forma como a aplicação Java recebe o caractere ASCII é feita como se a mesma estivesse recebendo um caractere digitado no teclado. O responsável por fazer com que o caractere recebido via serial seja interpretado como um caractere digitado é uma opção do Windows, em Painel de Controle, Opções de Acessibilidade, Guia Geral, Configurações, aqui se configura devidamente a porta serial na qual a placa de comunicação está ligada, e a taxa de transmissão para 19200, clica-se em Ok então ticando-se a opção “Usar as teclas seriais” e clica-se em OK. Feito isso, o Windows passa a interpretar os caracteres recebidos pela porta serial como se tivessem sido digitados pelo teclado.

O TouchGenius surgiu a partir de uma adaptação do código do jogo Genius, que originalmente fora feito para ser jogado usando o mouse. Foram feitas alterações para que o jogo pudesse receber comandos via teclado, o que após a configuração realizada anteriormente, permitirá que seja feita a interface entre a “Tela Touch” e o Jogo.

O código foi escrito na linguagem Java e possui seis classes, cada uma com seu objetivo definido, o código-fonte e as alterações podem ser conferidos no documento “Apêndice D – Aplicação Genius em Java”. O jogo se baseia em apresentar ao jogador uma seqüência de cores que deve ser seguida, após apresentar a seqüência, o jogo aguarda pressionamento dos botões correspondentes à seqüência, caso seja pressionado um botão incorreto, o jogador perde e o jogo é reiniciado, a cada rodada correta é acrescentado um novo botão à seqüência aumentando assim a dificuldade.

Uma das principais alterações feitas para permitir o uso da “Tela Touch”, foi a inclusão de um KeyListener, usado para tratar eventos do teclado no Java, em conjunto com o Robot, que permite simular o mouse. A classe Robot é definida com o objetivo de gerar entrada no sistema operacional nativo. Pode ser usada para automação de tarefas, apresentação de demos de sistemas e geração de testes.

Ao receber uma entrada via teclado, que no nosso caso é o caractere que foi enviado pela “Tela Touch” via serial e entendido pelo sistema operacional como uma entrada de teclado, a mesma é tratada pelo KeyListener, após isso o Robot entra em ação, ele é responsável por mover o cursor para posição correspondente àquele caractere e então pressionar o botão do jogo.

Tabela 2 – Pseudocódigo do algoritmo do TouchGenius.

Genius exibe a seqüência a ser seguida Usuário “toca” na Tela a posição referente ao botão KeyListener recebe a caractere referente à posição do botão Robot move o cursor e clica no botão MouseListener processa o clique do mouse na de acordo com a lógica do jogo

 

          CONCLUSÃO

É tentador querer concluir essa pesquisa caindo no lugar comum de elogiar o Touchscreen e graças aos avanços tecnológicos de Hardware e Software a interatividade com a maquina. Isso se tornaria óbvio e redundante!

O que realmente conclui-se é perceber que um sistema, e quando falamos em sistema entende-se qualquer produto (Hardware, Software, Automóvel, Utensílio Doméstico, etc.) está fadado ao insucesso se não for simples e natural para quem o opera.

Para que o Touchscreen chegasse no formato atual vários fabricantes como Microsoft, Sansung, BlackBerry e Apple lançaram produtos que não foram satisfatórios, isso devido à sua dificuldade de operação. Outras tentativas que pareciam ser muito interativas e naturais também foram abandonadas.

Enquanto não surgem outras possibilidades de interagir com a máquina, como leitura de ondas cerebrais ou movimento dos olhos, o touchscreen é sem dúvida o mais natural. Basta imaginarmos que antes de aprendermos a falar, comer sem ajuda, andar ou irmos ao banheiro sozinhos, já queremos manusear tudo o que vemos à frente. E ainda, quantas vezes nos pegamos olhando um objeto e fazemos questão de tocá-los? Este fato pode ser visto desde uma dona de casa que faz uma feira, sendo necessário o toque nos alimentos para verificar se está bom ou não. E quantas vezes em estabelecimentos comerciais, museus e exposições encontramos o aviso “NÃO TOCAR” pois sabem da necessidade natural do humano em querer a interação com o objeto. Por estes motivos, encontrou-se a dificuldade de implementar uma ferramenta capaz de interagir com o homem. Mas o touchscreen conseguiu de muitas formas superar esta barreira.

Para que essas barreiras fossem quebradas, passou por muitos anos em experiência, e encontrou dificuldade de casar com um produto onde a maioria da população fosse capaz de reconhecê-lo.

Ainda a tecnologia conta com vários tipos, e esses tipos possuem características que devem ser estudadas e analisadas levando em conta todos os aspectos do cenário onde a interface que será construída irá operar, desta forma não se pode definir que uma característica seja boa ou ruim para cada tipo, o que deve ser analisado é como, quando e onde a interface irá interagir com os usuários.

Além da pesquisa qualitativa, é necessário levar em conta a dificuldade encontrada para implementar e criar a tecnologia. Isso como já comentado, pode ser concluído visto a dificuldade de muitas empresas conceituadas em lançar produtos que fossem capazes de causar um sucesso com a tecnologia touchscreen. Para este estudo, o projeto TouchGenius foi essencial para verificar que alguns componentes podem não ser tão eficazes quanto outros. É necessário atentar para que o hardware e o software possuam uma interação que não cause problemas de usabilidade. E ainda deve-se atentar para o aplicativo que será rodado na interface, pois mais do que a própria tecnologia, este aplicativo pode causar um insucesso. Hoje em dia o maior mercado para a tecnologia touchscreen se encontra no ramo do entretenimento, e levando isso em consideração o projeto focou em um jogo simples chamado Genius, que passou por diversas adaptações para que pudesse estar de acordo com a tecnologia.

Espera-se desta forma atentar para os leitores de que projetos que envolvem o casamento entre hardware e software são arriscados, visto que podem levar ao insucesso, são vulneráveis e instáveis, mas quando realizado de forma a focar no produto final podem causar sucesso.

Espera-se com esta pesquisa histórica, qualitativa e com a criação do projeto TouchGenius ter contribuído para uma melhoria no quadro que a ciência computacional apresenta hoje. Considerando-se que hoje a maioria das pessoas não se atentam para os diversos tipos de tecnologias existentes para o touchscreen, e nem ao menos sabem diferenciá-las quando manuseiam os equipamentos e ainda não se apercebem da dificuldade que é criar novidades para consumo, torna-se importante que considerações sejam realizadas e divulgadas ao menos àqueles que irão criar estas novas tecnologias, para que estes possam saber onde estarão caminhando.