Почему в Surface Pro 3 дигитайзер имеет всего 256 уровней давления?

Сейчас на реддите проходит АМА группы разработчиков Surface. Один из вопросов был, почему в третьем сёрфесе, использовали не Вакомовский дигитайзер, а N-Trig которые предлагает всего 256 уровней давления. Народ волнуется, что этого будет недостаточно для уверенной работы стилусом в рисовании.

Ответ же получился исключительно занимательным и доходчивым, и потому я сделал вольный перевод. Некоторые не интересные вещи и опустил, так что не ругайте сильно. Заодно скажу, что некоторые термины типа, touch digitizer, я перевел как смог, так что если знаете устоявшийся перевод, пишите в личку.



Привет, это СтивиБ. Я ожидал вопроса о дигитайзере, и поэтому обдумывал ответ несколько дней до АМА. Я надеюсь что вы и другие интересующиеся найдете его полезным.

На данный момент существуют три вида перьевых дигитайзеров: электромагнитные, пассивно-ёмкостные (у которых кончик пера «прикидывается» пальцем), и активно-ёмкостные.

Электромагнитные основаны на приемной печатной плате обычно расположенной под экраном и подсветкой. Эта плата никак не связана с пальцевым дигитайзером, которых обычно расположен впереди экрана. На плате расположены куча плоских катушек, которые излучают электромагнитное поле (типа как одна часть обычного трансформатор). Вторая часть трансформатора находится в пере. При подношении пера к экрану, эта часть попадает в ЭМ поле и добавляет нагрузку. Эта нагрузка распределяется по нескольких катушкам и позиция пера интерполируется по этим данным. Это поле работает до 15 мм над экраном и это дает возможность реализовать механизм парения (hover). Данные с ручки (уровень нажатия, кнопки) передаются посредством модулирования частоты. Для получения ориентации пера обычно требуется вторичная сетка катушек и немного тригонометрии. Ориентация нужна для того чтобы компенсировать механический параллакс. Из всех технологий, эта самая старая.

Пассивно-ёмкостные стилусы просто имитируют палец, и работают с пальцевым дигитайзером.

И наконец, активно-ёмкостные решения начали появляться в начале 2000-х. Они также работают с пальцевым дигитайзером, но кончик пера вносит электростатический сигнал который принимается ёмкостными линиями дигитайзера. Представьте себе мини-рацию которая передает сигналы на миниатюрные антенны встроенные в экран. Перекрестье ёмкостных линий (то место где пересекаются вертикальные и горизонтальные линии), которое получает самый сильный сигнал соответствует позиции пера. Конечно, для работы такого пера, ему требуются батарейки. Кстати, вы наверно слышали, как пару лет назад мы купили разработчика классного активно-ёмкостного дигитайзера, Perceptive Pixel. Я уверен, что это лучшая перьевая технология для больших экранов. Рынок этого вида дигитайзеров активно развивается несколькими производителями, потому что они хорошо встраиваются в существующие пальцевые дигитайзеры.

Теперь давайте подумаем, что-же делает стилус отличным с точки зрения железа.
1. Точность правит балом. Чем точнее и стабильней кончик пера рисует по экрану, тем проще и удобней им пользоваться. Проблема точности зависит от трех параметров.

• Зрительный параллакс — от кончика пера до чернил на экране. Это там где вы думаете расположен кончик пера.
• Электронный параллакс — от кончика пера до дигитайзера. Это там где дигитайзер думает расположен кончик пера.
• Точность дигитайзера и линейность искажений по площади всего экрана.

2. Тактильные и звуковые ощущения. Перо должно чувствоваться и звучать будто вы пишите/рисуете на настоящей бумаге.
3. Само перо — его вес, материал, эргономика.
4. Стабильная и аккуратная оценка давления.
5. Кнопки для переключения режимов.
6. Задержка рисования. Она сильно зависит от приложения, и хорошие разработчики стремятся снизить её к минимуму.
7. Блокирование ладони, для что-бы исключить ложные касания.
8. Интеграция с устройством.

Теперь когда мы немного разбираемся в теме, давайте обсудим некоторые достоинства и недостатки вышеупомянутых технологий. Я сознательно пропущу обсуждение пассивно-ёмкостных дигитайзеров ввиду их очевидной ущербности. Также, я хочу сказать, что среди этих технологий, в общем аспекте, нет очевидных лидеров. Всё зависит от конкретной реализации, и интеграции конкретного дигитайзера в конкретное устройство. Я лично наблюдал убогие реализации всех трех технологий различными вендорами. Так что использование какого-то типа дигитайзера само по себе не гарантирует успеха.

Итак, начнем с электромагнитных стилусов

1. Точность. Такие стилусы могут быть очень точными, но это сильно зависит от реализации. Для того чтобы такое перо хорошо работало по краям экрана, приемная печатная плата за экраном должна быть слегка больше самого экрана. Также металлические обьекты и магниты около экрана или даже рядом с устройством строго противопоказаны, так как они вносят искажения сильно ухудшающие точность. Эти требования ограничивают производителя по дизайну экрана и используемым материалам. А поскольку ЭМ поля дрифтуют в зависимости от среды, вендору нужно хорошо откалибровать дигитайзер, а так-же учитывать ситуации где пользователь помещает металлический обьект впереди устройства (например чехол с металлической вставкой).
2. Зрительный параллакс — зависит от толщины экрана, и ни одна из технологий не имеет значимого преимущества в этом плане.
3. Электронный параллакс — поскольку приемная плата зарыта в глубине устройства, дигитайзер должен расчитать ориентацию пера и вычислить позицию из ориентации. Вычисление позиции часто зависит от того где именно на экране расположен кончик пера. Поэтому нельзя написать одно математическое преобразование для всех точек на экране. Редко кто этим заморачивается и обычно выбирают какой-нибудь путь попроще.
4. Стабильность и аккуратность по всем экрану. Самый просто способ проверить, это взять линейку и нарисовать несколько диагональных линий по всему экрану. Оцените ровность линий. Скорее всего они не будут идеально ровные, т.к. этого сложно добиться.
5. Само перо — его вес, материал, эргономика. ЭМ стилус не может быть сделан из металла. Они могут быть любых размером и форм, от тонких и неудобных (но которые можно воткнуть в гнездо в устройстве), до больших и больше похожих на ручки. Ещё им не требуются батарейки.
6. Стабильная и аккуратная оценка давления. Обычно с этим у ЭМ стилусов всё в порядке. Кстати это больше зависит от кривой давления чем от количество репортируемых бит. Я обьясню подробней ниже.
7. Интеграция с устройством — поскольку ЭМ-дигитайзер отделен от пальцевого дигитайзера ему потребуется около 0,4-1мм толщины, несколько миллиметров вокруг экрана и несколько десятков грамм.

Активно-ёмкостный стилус

1. Точность. В прошлом я видел здесь (пер.: в MS надо полагать) не самые лучшие реализации, но я очень доволен тем что мы добились в Pro 3. Мы и правда подняли планку. Перо стало гораздо точнее причем по всему экрану. Первое что я слышу от художников, которые впервые работают с этим пером, это хвальбы по поводу точности.
2. Зрительный параллакс — зависит от толщины экрана, как я уже сказал. В Pro 3 мы уменьшили его до 0,75 мм, и это одно из самых низких чисел, которые я наблюдал у планшетов с пером.
3. Электронный параллакс — поскольку ёмкостные линии расположены сразу под стеклом (которое у нас всего 0,55 мм толщиной!), параллакс достаточно мал, и это одна из причин по которой наши перья ощущаются точнее.
4. Стабильность и аккуратность по всем экрану — сделайте тест с линейкой!
5. Само перо — его вес, материал, эргономика. Поскольку мы не ограничены материалом, мы сделали клёвую ручку из адонированного алюминия, которая удобно лежит в руке. Да, ей нужна батарейка, но зато с батарейкой можно излучать более мощный сигнал, который позволяет например, по нажатию на торец открывать OneNote с растояния полутора метров! Такого не сделаешь с пассивным пером.
6. Задержка — как я уже сказал, задержка сильно зависит от конкретного приложения. У нас правда есть одна проблемка — в парении заметен небольшой лаг, но это только в парении.
7. Интеграция с устройством — по сравнению с ЭМ-дигитайзером ограничений практически нет. Например наши Type клавиатуры цепляются к сёрфесу посредством магнитов, что мешало бы ЭМ полю.

Ну, как и обещал, поговорим о главном Фёдор, о давлении. Некоторые тут волнуются, что 256-и уровней давления недостаточно. Знаете, можно ведь обещать любое разрешение, 10, 12, 14, 16 бит… Но в конце, даже если система выдает 16-битное число, это совершенно не значит что в нём содержится 16 бит полезной информации. Это как в камерах с сенсорами по 20 мегапикселей — там тоже не всегда получается 20 мегапикселей полезной картинки. Вы можете провести эксперимент, который я провел на прошлых выходных. Я взял лучший ЭМ-планшет который знаю и сравнил с Pro 3. Сначала я скачал софтину под именем «digiInfo», которая умеет записывать Windows-сообщения. Настроил её на запись сообщений о давлении на обоих планшетах. Потом я сделал небольшое приспособление, которое держало стилус и давило на экран с силой около 50-и грамм (пер.: простите, что смешиваю граммы с ньютонами). Записал репортуемое статистическое давление, импортировал в эксель, и вот что увидел: у ЭМ-пера с 1024-ю уровнями, стандартное отклониение было в три раза больше чем у нашего пера с 256-ю уровнями. Так что, в результате, производительность одинаковая несмотря на лишние два бита разрешения.
Иными словами, перо Pro 3 измеряет давление в диапазоне 10-400 грамм и проецирует на одно из 256 уровней, причем нелинейно, т.к. человеческое давление нелинейно. Но примерно получается 1-1,8 грамм на уровень. А ЭМ-перо меряет в диапазоне 10-500 грамм и теоретически получает около 0,4 грамм на уровень.
…
от переводчика:
Тут я потерял нить разговора. Стиви начал говорить про весы и про усреднение сигнала.

Think about both those numbers and that is both super super sensitive… the best weight scale I have can do .1 gram increments…. The only reason it works is cause it averages the heck out of the numbers which adds a considerable amount of lag… this lag one cannot do on a stylus… so you are stuck with a nosier signal comparatively in a stylus.

Но после вдумчивого разбора, мне кажется он предлагает взять любые точные весы и посмотреть насколько точно вы можете пальцем выставить давление. Он видимо имеет ввиду что 10-битное перо имеет излишнюю точность, что приводит к излишнему шуму, сильному усреднению сигнала, и в итоге лагу.

Источник: habrahabr.ru/post/224365/