Как сенсорные экраны проложили мир к кончикам наших пальцев.

Для тех кто пользуется сенсорными экранами, но никогда не задумывался о том, как они работают с железной и программной части, на Ars Technica вышел ряд статей, подробно описывающих их работу. Ниже следует перевод второй статьи из этого цикла.

Как мы знаем, первые сенсорные экраны были изобретены в 60-х годах прошлого века. До середины первой декады 21 века различные вариации этой технологии применялись в различных устройствах от ПК до ранних сотовых телефонов и персональных ассистентов вроде Apple Newton и Palm Pilot. Но все эти гаджеты едва ли чем-то большим, чем баловством, прелюдией к главному событию.

Когда вы думаете о сенсорных экранах сегодня, то вы скорее всего думаете о смартфонах и планшетах, и не без причины. Представленный в 2007 году iPhone послужил причиной преобразований, превративших пару нишевых устройств - смартфонов и планшетов - в многомиллиардные индустрии. Нынешняя ожесточенная конкуренция между операционными системами как Android и Windows Phone (также, как и производителями железа вроде Samsung и многих других) показывает, что новые продукты представляются с безумной скоростью.

Сами экраны являются движущей силой, делающей эти устройства возможными(и даже успешными). Все меньший, но все более мощный чип позволяет делать телефону то, с чем с десятка лет назад справлялись только сверхмощные компьютеры. Хотя и программное обеспечение устройств имеет большое значение. Если старые наладонники и планшеты требовали стилус для взаимодействия с неразборчивой клавиатурой и использование трекбола, то мобильное программное обеспечение адаптировано для наилучшего взаимодействия с естественным для людей указателем - более крупным, но более удобным пальцем.

Основа основ: емкостный мультитач.

Большинство успешных устройств последних пяти лет имели одну общую черту - наличие емкостного сенсорного экрана, способного распознавать множество касаний за раз. Таким образом, взаимодействие с новейшим флагманом Samsung Galaxy S4 не отличается от такового с оригинальным iPhone. Список различий между двумя смартфонами составляет длинный список, хотя оба устройства основываются на одной технологии.

Современные сенсорные экраны состоят из нескольких слоев: на поверхности имеется пластик или стекло, которые предназначены для прикрытия остальной конструкции. Этот слой обычно сделан из чего-либо тонкого и устойчивого к царапинам, вроде Corning Gorilla Glass, чтобы помочь вашему телефону пережить поездку с ключами в вашем кармане живым и невредимым. Ниже имеется емкостный слой, проводящий слабый ток, и расположенный поверх другого, более тонкого слоя стекла. Под всем эти располагается сам экран. Когда ваш палец, естественный проводник тока, касается экрана, он создает помехи электрическому полю емкостного слоя. Эти данные передаются на чип-контроллер, регистрирующий положение(и часто давление) прикосновения и сообщает операционной системе отзываться соответственно.

Эта конструкция сама по себе может точно распознать не более одного прикосновения одновременно - стоит только коснуться экрана в двух разных точках и контроллер интерпретирует ваше прикосновение неправильно, либо не вовсе не отреагирует. Чтобы распознать множество разничных прикосновений, емкостный слой должен включать в себя два других слоя - один использующий электроды “передатчики”, второй - “приемники”. Эти ряды электродов работают перпендикулярно друг от друга и формируют сетку над экраном устройства. Когда ваш палец касается экрана, он интерферирует с электрическим сигналом между электродами передатчиками и приемниками.

Благодаря такому сеточному расположению, контроллер способен точно определить более одного касания одновременно - большинство сегодняшних смартфонов и планшетов поддерживают от двух до десяти точек прикосновения одновременно. Сенсорные поверхности, распознающие множественные прикосновения, позволяют использовать сложные жесты вроде pinch-to-zoom или поворота изображения. Но все это невозможно без способности экрана распознавать несколько одновременных прикосновений.

Эти основные строительные блоки все еще являются основой смартфонов, планшетов и теперь уже компьютеров с сенсорными экранами, но технологии неуклонно развивались и улучшались с тех пор, как были представлены прародители современных смартфонов. Специальные покрытия экрана, именуемые олеофобными(буквально - боящиеся масла), были нанесены на верхний стеклянный сло, чтобы помочь экранам противостоять отпечаткам пальцев и пятнам на экране. Такое покрытие также упрощает стирание назойливых пятен с экрана. Corning даже выпустили два обновления к оригинальному Gorilla Glass, сделав стекло тоньше и при этом более устойчивым к царапинам. Ну и напоследок, благодаря технологии “in-cell” удалось встроить емкостный сенсорный слой в саму матрицу, тем самым уменьшая общую толщину и сложность строения экранов.

Хотя ни одно из этих нововведений не было столь значительно, как емкостный мультитачевый сенсорный экран, но они послужили поводом для создания более тонких и легких смартфонов, а также освободили больше места для батарей и других внутренних компонентов

Дай волю пальцам: создание программ, управляемых человеческой рукой.

Каким бы важным компонентом ни был сенсорный экран, но приложения, которые работают на нынешних планшетах и смартфонах являются более важным фактором. Современные операционные системы сделаны прежде всего под управление пальцем, и они разработаны вне всего набора программ, используемых с клавиатурой, мышкой или стилусом.

Давайте вернемся в 2001 год, когда Microsoft впервые показала коцепт “Планшетного компьютера”. Те первые планшеты работали на одной из версий Windows XP Professional, называемой “Tablet PC Edition”. Она поддерживала ввод специальным пером и поставлялась вместе с небольшим набором приложений для рукописных заметок и и других предназначенных для этого пера задач.

Несмотря на эти дополнения, версия XP для планшетов являлась ни чем иным, как обычная Windows XP с рядом поверхностных улучшений. Хоть перо и было приемлимым устройством ввода, но большая часть операционной системы и программ, работавших на планшете, были разработаны для работы с мышкой и клавиатурой.(Наиболее свежим примером ПО, разработанного прежде всего для работы с мышкой и клавиатурой является Microsoft Office.) Это необязательно плохо, но из-за этого приложениями сложнее пользоваться лишь с сенсорного экрана.

Современные операционные системы, ориентированные прежде всего под управление пальцем, более дружелюбны по двум аспектам: отзывчивость и размеры.

Говоря “отзывчивость”, мы подразумеваем не только операционную систему, откликающейся на нажатия быстро и точно, хотя, конечно, и это играет значительную роль. Когда вы прикасаетесь к чему-либо в реальном мире, оно реагирует на это немедленно. Поэтому операционные системы, которыми удобнее всего пользоваться -  это те, которые реагируют молниеносно. Windows Phone славится тем, что работает гладко даже на слабом железе, чтобы быть уверенным, что телефон работает удовлетворительно, несмотря на ценник. Но стабильность также является одним из важных факторов элементов отзывчивости системы. Обновление Android под названием Jelly Bean привнесло в систему так называемый “Project Butter”, призванный обеспечить работу системы на уровне 60 FPS как можно чаще. “Project Butter” предназначен устранить огрехи с подвисаниями системы, имевшими место быть в предыдущих ее версиях.

Еще одним важным элементом является наличие маленьких нюансов, делающих работу с системой более естественной: например скроллинг, ускоряющийся, замедляющийся и набирающий обороты в зависимости от того, как вы касаетесь экрана. Когда вы уже больше не можете листать, ОС обычно показывает вам это нехитрой анимацией. Такое поведение показывает пользователю, что его нажатие было распознано, даже если на самом деле ввода как такового не было. Если вчерашние компьютеры использовали мигающие индикаторы, чтобы показать, что они работают, то сегодняшние сенсорные устройства используют гладкие переходы и анимацию.

Размеры наэкранных элементов также носят решающий характер для более лучшего опыта - человеческие пальцы недостаточно точны, чтобы иметь дело с множеством наложенных друг на друга меню, флажками и кнопками, используемыми в Windows или OS X. Вместо этого часто приходится жертвовать количеством умещаемой информации в пользу более крупных элементов интерфейса. Большинство современных операционных систем имеют гайдлайны, которых стоит поддерживаться при разработке приложений, а поскольку таковые от Apple наиболее просты и четко сформулированы, возьмем iOS в качестве примера.

Apple Human Interface Guidelines для iOS определяют величину 'минимального размера нажимаемого элемента пользовательского интерфейса'  в размере 44 на 44 'точки прикосновения'. На экранах без Retina, как в iPhone 3GS или iPad mini, 'точка прикосновения' и пиксель размерами одинаковы, тогда как в Retina экранах одна точка касания по площади равна квадрату 2х2 пикселя величиной(поскольку в Retina экранах пикселей в 4 раза больше, чем в безретиновых экранах). В телефонах размер одного нажимаемого элемента составляет 9,7мм в величину, тогда как в iPad это 11,9мм. Разработчики вполне могут использовать элементы больших или меньших размеров, но эти измерения существуют для того, чтобы дать разработчикам общее представление о том, какая площадь понадобится, дабы избежать случайных нажатий по кнопкам, неопознанных прикосновений, или других непреднамеренных действий.

Из-за различий программного обеспечения сенсорных устройств с устройствами, управляемыми стилусом, либо мышкой и клавиатурой, устройства с сенсорными экранами преобразовали под себя железо, на котором они работают. Большинство смартфонов имеют лишь несколько физических кнопок: кнопка включения, кнопки регулировки громкости, переключатель в беззвучный режим и кнопка возврата домой. Использование сенсорного экрана, как основного средства ввода, устранило нужду в таких вещах, как механическая цифровая либо буквенная клавиатура, поскольку картинка на экране может динамически изменяться в зависимости от нужд. Софтверные клавиатуры со временем стали более восприимчивы к контексту. Например кнопка “.com”, появляющаяся при наборе веб-адреса в браузере.

 По мере того, как развивалось программное обеспечение и люди все более привыкали к нему, новейшие телефоны и планшеты еще дальше обеднели в отношении кнопок. В стоковом Android на место механических кнопок пришли сенсорные наэкранные кнопки(которые, как и софтверные клавиатуры, могут меняться в зависимости от запущенного приложения). Планшеты на Windows 8 и Windows RT, хоть и сохранили кнопку Windows, но предпочтение отдается жестам и свайпам от краев экрана. В Blackberry Z10 покончили даже с кнопокой возврата домой, тем самым полагаясь на жесты не только при навигации по ОС, но и пробуждении телефона из сна.

Оглянитесь - сенсорные устройства повсюду

Успех сенсорных телефонов и планшетов имел два оглушительных эффекта: во-первых пользователи ожидают увидеть сенсорный экран там, где раньше он не встречался(уже не один раз, возвращаясь к Macbook Air после нескольких дней использования ультрабука на Windows 8, я поймал себя на том, что нажимаю на экран). С другой стороны, производители железа, стремящиеся навариться на успехе сенсорных устройств, стали экспериментировать с внедрением сенсорных экранов повсюду - от компьютеров до часов.

В сфере ПК, Windows 8 породила новый класс ноутбуков-трансформеров, предназначенных удовлетворить нужды пользователей как в сенсорном экране, так и в настольной Windows. Не все из этих экспериментов имели успех, но лучшие из них, разработки вроде IdeaPad Yoga от Lenovo и XPS 12 от Dell, получили сенсорные экраны без вреда для эргономики. Sony Playstation Vita, грядущая Playstation 4, а также Nintendo Wii U наделены сенсорными экранами, как вторичное средство ввода в дополнение к контроллерам соответственных консолей. Все эти устройства показывают, что сенсорный экран может быть как отличным, так и разрушительным дополнением - он может улучшить и без того хорошие устройства с такой же легкостью, как преобразил смартфоны и планшеты начала и середины 2000 годов.

Другие эксперименты с фронта персональных компьютеров нацелены на создание совершенно новых классов устройств. Компьютеры вроде Sony Tap 20, Lenovo IdeaCentre Horizon 27 и Asus Transformer AiO совмещают в себе ПК всё-в-одном и большой тачскрин, чтобы несколько людей могли собраться вокруг него. Что кажется особенно пригодным при развлечениях и обучении - многопользовательские игры, совместные занятия, часто являются причиной покупки таких больших устройств.

Появление сенсорных экранов также вероятно и в маленьких устройствах. Согласно слухам, не одна компания работает над “умными часами”, способными дополнить(или даже заменить некоторые функции) вашего смартфона. Вполне справедливо, что если такие продукты и появятся, то многие из них будут иметь сенсорный экран(хотя как показывает пример часов Pebble, они могут работать приемлемо и без сенсорного экрана). Если у вас был маленький квадратный iPod Nano 6 поколения, то вы возможно имеете представление о будущем. Эти девайсы имели сенсорный экран, ограниченное число приложений, и их легко можно было носить на запястье, при условии, если у вас был нужный ремешок.

Сенсорные экраны постепенно проникают почти во все устройства, имеющие экран, создавая совершенно новый опыт использования, либо дополняя старый. Таково настоящее сенсорных экранов: они успешны, они распространены почти повсеместно, и они продолжают менять то, чего мы ожидаем от наших устройств.