触摸屏的校准方法

本文介绍的校准方法需要三个目标点/或测试点，然后依次进行触摸测试，以确定该显示屏特有的校准因数。最后通过这些校准因数将触摸屏的对应点与实际显示的对应点完全对应起来。

误差的来源

有几个误差源会影响触摸屏控制器，使之无法产生正确的对应点X和Y坐标。最主要的误差源是电气噪声、机械误差及放大因子。此外，操作者的误操作也会有所影响，如手指或铁笔按压时间不够长或压力不够大。以上所有误差均会产生无用数据，必须对它进行纠正补偿才能使触摸屏正常工作。

在各种电气系统中，由热效应或电磁效应以及系统设计缺陷引起的电气噪声无处不在。在触摸屏中，由于AD转换器的前端电路具有高输入阻抗，因此特别容易受到电气噪声的影响。除了对带有触摸屏控制器的电路小心布局外，我们通常在AD转换器输入端增加低通滤波器来解决这一问题。此外也可选择软件方法，舍弃AD转换中的最小的一、两位，并用算法将一些落在允许误差范围之外的数据点从采样流中去除。这种软件算法也可消除由使用者产生的误差。

本文所阐述的校准方法可用来解决由于机械误差和放大因素引起的误差。图3中的圆圈表示触摸屏下的LCD显示的图形，椭圆则表示当用户顺着LCD显示的图像画圈时，触摸屏对应点的集合，不过有所夸大。这个重建的图形显然经过一系列旋转、移位和放大，而且在每个方向变换的参数不一样。校准的重点则是将触摸屏上显示的这个重建图形经过变换，换算出与LCD显示的图形相一致的对应点集合。

校准的数学基础

为了得到一个通用解决方案，我们将每个点描述为一个数学参量。如图4所示，可将LCD显示器上的每个点当作一个矢量PD，而该点在触摸屏上对应的点则当作矢量P。

此外，我们假设一个参量M，通过这个参量可将PD与P进行换算，即

PD=MP(1)这里的M是一个转换矩阵，也是我们要研究的对象。如果能得到转换矩阵M中相关的数值，那么给定触摸屏上任一点P，我们就可换算出它在LCD显示器上的对应点PD。

现在假设LCD显示器上的任一点都与触摸屏上的某点相对应，但要经过旋转、移位和放大处理。

如果按矢量的长度和角度将每个点用(X,Y)两个坐标来表示，则LCD显示器和触摸屏上的点都可通过以下方程式来表达：

如果触摸屏在校准时与显示屏之间存在一个角度差异，为了进行补偿，要进行旋转处理，即θr=θD-θ，θr 是角度差。这样我们便可得到一个中间点：

将每个点的X坐标和Y坐标以不同的因子放大，得到KX和KY。考虑放大因子可以得到以下方程式，它更准确地描述了LCD显示器与触摸屏上点与点之间的对应关系：

最后，我们加上位移因子XT和YT，得到LCD显示器与触摸屏上点与点之间的对应方程式：

为了将方程式5再次变换以求取方程式中的未知量，假设触摸屏和LCD显示器上点与点之间有一个角度差θr，但这一角度极小，因此sinθr≈θr，而cosθr≈1.0。根据这一假设我们得出另两个十分有用的近似方程式：

通过以下组合，方程式5可重新表示为：

方程式7的优点在于，它采用触摸屏坐标描述了LCD显示器上的点坐标。上述方程式也可转换为：

利用我们原先的假设(即实际情况中的放大、旋转和位移因数均为常量)，除X和Y之外，上述方程式右边的各项均为常量。

通过采用更方便的方式表达XD和YD坐标，我们可以得到触摸屏与LCD显示器各点之间的对应关系方程式：

可见，只有当触摸屏和LCD显示器间的角度差非常小时，才可运用上述公式。

校准矩阵

一般的校准算法常选取2-5个采样点来收集校准信息。假设LCD显示器上的对应点可以通过触摸屏上的点转换得到，只需正好3个采样点我们就可得到校准数据。需要3个采样点的原因在于方程式9a和9b有三个未知量。从这3个采样点我们可获得足够的信息来建立并求解这一联立方程组。

采样点的选取也应当考虑到实际情况。它们必须能得出非冗余的联立方程组，它们不能太靠近触摸屏的边缘(此处呈现非线性)，此外它们的间隔必须足够宽，以便尽可能减少放大误差。图5所示的P0、P1和P2这三个点符合这些条件。这些点距触摸屏边缘约10%，分布足够散，得出以下非冗余方程式：

从而求出A、B、C、D、E和F的值。一旦这些参数值定下来，便可利用方程式9，通过触摸屏上的原始数据计算出它在LCD显示器上的对应点。

上述联立方程组的未知量已求解出，此处不再推导。直接跳过中间步骤得出最后结论，将K作为各方程式的公分母，便可得出未知量：

软件实现

实际的软件实现过程相对简单。可从/code.htm上得到程序样本，它包括三个文件：alibrate.c、calibrate.h和sample.c。第一个文件包含两个函数setCalibrationMatrix()和getDisplayPoint()。前者实现了方程式13-18，后者则实现了方程式9。D，而该点在触摸屏上对应的点则当作矢量P。"hspace=12

src="/Article/UploadFiles/200504/20050420001204188.GIF"align=right vspace=12>启动文件包含了各种声明，另一个源文件则实现了一个控制台应用程序，这一程序执行校准功能，并示范如何在器件中使用这些函数。sample.c中的代码假设在调用这些函数前，器件中实现了一个执行程序来采集校准数据。

表1是建议的校准步骤，将这些步骤执行完毕就实现了校准过程，此时设备便可开始从触摸屏系统接收精确的位置信息。触摸屏控制器中设有中断程序，当程序将数字转换器的输出数据过滤后，它需要调用函数getDisplay-Point()。通常，getDisplay-Point()函数调用是将触摸屏某点数据存入用户输入队列以前的最后一个步骤。

表1：建议的校准步骤。

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1.用全组数值调用setCalibrationMatrix()以设置显示屏驱动器，并提供原始存取数据(见sample.c)。这样就不需要为存取数据构造特殊的函数。你只需要按照与程序一样的机制获取纵坐标。

2.在坐标(XD0,YD0)画出第一个目标。

3.收集从触摸屏返回的数据，并存储在坐标(X0,Y0)。

4.在坐标(XD1,YD1)画出第二个目标。

5.收集从触摸屏返回的数据，并存储在坐标(X1,Y1)。

6.在坐标(XD2,YD2)画出第三个目标。

7.收集从触摸屏返回的数据，并存储在坐标(X2,Y2)。

8.采用参考显示数据和其产生的触摸屏数据作为变量，调用setCalibrationMatrix()函数。

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其它考虑因素

执行采样函数是为了保证每次都获得准确结果，因而它的中间值未经过放大。

由于多数数字转换器提供的原始数据为10位，因此需要进行整数型32位数学运算，方程式15和18会产生31位的符号数。执行这些方程式时要使用分辨率高达1,024点的触摸屏数字转换器，它适用于分辨率高达512点(宽度或高度)的显示器。

如果要在大面积的触摸屏中使用这些公式，就必须使用64位整数或将缩小输出值和中间结果，以免在计算校准因子时寄存器出现溢出。