FTIR触控技术解析

中心议题
    *FTIR触控技术解析
解决方案
    *利用全内反射原理

FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) 的背后原理

虽然我们已经知道了 DI (Diffused Illumination) 的方式来实作 Table，然而多了解一种实作的方式，会让你有多一种选择。而 FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) 的实作方式跟 DI (Diffused Illumination) 是有点类似的。FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) 的实作方式是由 Jeff Han 在 2006 年提出的，他的论文在 UIST 这个 UI 的知名 Conference 上面也可以看到。让我们来拆解一下 FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) 的背后原理吧!

先由 FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) 名字来看，后面三个字 TIR (Total Internal Reflection)，代表的就是全反射，所谓的全反射就是光在一直在一个介质里面一直反射而不会逸出。让我们看一下 Wikipedia 的正式解释:

全内反射（又称全反射）是一种光学现象。当光线经过两个不同折射率的介质时，部份的光线会于介质的界面被折射，其余的则被反射。但是，当入射角比临界角大时（光线远离法线），光线会停止进入另一介面，反之会全部向内面反射。

所以，上图的蓝色的线就是全反射路径。因此我们知道全反射跟入射角以及介质有关，而介质是最重要的一件事情。而 Jeff Han 最大的贡献就是找到了一种介质，可以让红外线在里面进行全反射，而这个莫大的贡献就是这个全反射的介质竟然是如此便宜的压克力。因此，知道了全反射介质， 知道了红外光，我们就知道这个互动桌面大概是要怎么建置了。既然大家已经知道了 DI (Diffused Illumination) 的作法，那 FTIR 的原理跟 DI 非常类似，因此我们就一口气解决它吧! 还有，由于我的实作是用 DI (Diffused Illumination)，因此在下面的介绍当中，我会顺便介绍一下 FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) 实作需要注意的地方，以及可以参考的资料。而又由于我没实作过这种方式，因此，或许会在实作细节遇到的问题我就不是很清楚了，不过，大体来说，应该是没什 么大问题就是了。

首先，你还是要有透明的介质，因为透明的介质是需要能够产生全反射的，所以，这个介质目前是限制在压克力 (Acrylic)，而由于要让红外线光可以打进去，以及产生全反射，你的压克力的厚度必须要超过 8 mm；而你又要让光在里面做全反射，因此你的压克力的四个边必须要磨光，这里所指的磨光是磨到你从一个边可以看到另外一头边上的东西。这样子说明如果还不 够清楚的话，那下图 Laurence Muller 的结果图应该会让你明瞭什么叫做磨光:

(图片来源: Laurence Muller)

所以，在准备你的压克力的阶段时，你需要的不只是压克力，你还需要水砂纸来抛光，以及最后用 Brasso 铜油来做最后的抛光动作。所需要的材料 Laurence Muller 在他的 FTIR 实作的这篇文章里有提到:

• 水砂纸型号:
  • P320 (I used Norton T223 / P320 / Very Fine)
  • P800A (I used Auto-paper P800A / Super fine)
  • P1200A (I used Auto-paper P1200A / Super fine)
• Brasso 铜油
• 旧衣服
• 旧报纸
• 一桶水
• 最后你需要的是无限的耐心…你的面板越大 ，你需要抛光的面积就越大，加油吧!

在上面的设计图当中，你可以看到在 FTIR 的实作当中是要把红外光放在边边的，然后让红外光射到压克力里面去，在里面做全反射。这样子有一些好处，包括了你的红外光在平面上面是绝对均匀的，至少会 比用 DI (Diffused Illumination) 来的均匀。同样的，还是利用红外线摄影机 (IR Camera/Webcam) 来接收所反弹回来的红外光线。然后，投影机的内容还是要打到投影布幕 (Diffuser) 上面。

整个设计大概是这个样子，但是你会遇到一些问题，你必须要自己焊接你的 LED 灯，还好，在网路上面可以找到一票这种资料，你也可以在 Laurence Muller 的介绍文章里瞭 解你要如何焊接。最后，你终于做出来了，你或许会遇到一些问题，正如 Jeff Han 在他的 Paper 中所描述的，你必须要在萤幕上面用力按压才会得到比较清晰的手指亮点，这样子有点让人困扰。因此 NUI 的团体发现，如果在压克力表面上铺上一层 Silicon，那这个问题就可以获得解决了。如何铺置? 在 BlaXwan’s 中有详细介绍。

如果你顺利用 FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) 建立了你的 Table，你就可以直接跳过下一章 DI (Diffused Illumination) 的建置。然后把 TouchLib 给跑起来就可以了，这个软体我会在后面介绍到。

基本上，如果你想要用 FTIR 来建立 Table，在网路上面有很多资源，你只要打入 “Multitouch, DIY, FTIR” 应该就多到看不完了，大部分的都是 NUI Group 的人。然后你就会发现，为什么随便一个外国人家里面都有个车库，然后车库里面都有一些杂七杂八的工具。一些参考资料:

• Laurence Muller 的网站
• Gravano 的 FTIR 实作手册
• FTIR 实作介绍
• 其他的就 Google 吧!

回顾 DI/FTIR 优缺点

不过在进入下一篇前，在让我们回顾一下 DI (Diffused Illumination) 以及 FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) 的作法。两种作法都是用红外光的反射原来来制作互动桌面，因此，这会有一个缺点，那就是红外线干扰的问题，你不可以把你的桌子放在太阳光下，或是环境当中 有很多红外线的地方，这会让你的桌子很不稳定。另外，它们都是用投影机，因此会有个问题，就是你的互动桌面怎样都不可能太 “薄”，因为你的投影机就佔据了投影的距离。这也就意味着，如果我们实作比较小的面板似乎就没有多大的意义，所以你会看到许多利用红外光设计的多点触控 (Multitouch) 桌面都会设计的比较大张一点。最后，你用的因为是投影机，除非是特殊的投影机，不然你不可以持续开机太久，会产生投影机过热的问题。

当然用红外光也有一些好处，包括因为是利用反射的原理，因此可以辨认一些物体的形状，能够辨识物体的形状，那可以做的互动应用就广了一些。当然，你 可以说，我们可以用电阻做成的多点触控 (Multitouch) 桌面，然后在桌面上面再架一个 Webcam，也可以达到。所以，我说，FTIR/DI 的优势就是要把桌子做的大一点，这样子在成本的优势之下，这个样式就胜出了。不过即使不是成本的优势，这两种方式因为容易 DIY，所以在目前为止也是胜出，至少每一个人，只要有心都可以做的出来。没错，是每一个人。

关于 FTIR 以及 DI 支间的比较。由于 FTIR 是用红外光在压克力里面做全反射，因此，打光可以说是相当均匀，不会有什么暗角的问题，而 DI 在这方面就要多费一点苦心。 不过 FTIR 受制于全反射的介质，因此只能用压克力；而 DI 的话，你要用什么都可以，我在论坛上面看到有人甚至拿毛玻璃做桌面，这样子连投影布幕 (Diffuser) 都省了。相较于 FTIR，DI 在环境的考量上面要多了一点，就是因为红外光是往上射，因此在可以反弹红外线的角度内，如果有个反射很强的物质，也会照成干扰，像是你把镜子放在上方之类 的；或是你穿的衣服在袖子的地方是闪亮亮容易反射的材质。