Nachdem sich herkömmliche Touchsysteme am Markt etabliert haben, wird bereits eine neue Gene­ration an HMI-Systemen erprobt: Derzeit arbeiten verschiedene ­Global Player an unterschiedlichen Umsetzungen eines 3D-Touchscreens. Auch hier wurde – wie schon bei ­herkömmlichen Touch-Systemen – der Markt durch die Mobilsparte getrieben. Ein Ansatz war das Hovering, das es erlaubt, ohne eigentliche Be­rührung der Touch-Oberfläche den ‚Cursor‘ zu bewegen. Dabei wird die Z-Information ausgewertet, also der Abstand vom Finger zur Scheibe. Der maximale Abstand beträgt wenige Zentimeter im einstelligen Bereich. Die Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Touch-Eingabe wurden dem Verbraucher von den Herstellern aber nicht überzeugend deutlich gemacht. Zudem fehlt hier oftmals eine sinnvolle Software-Unterstützung, um einen Mehrwert zu genieren.

Ein anderer Hersteller aus dem Mobilbereich deklariert sein Produkt gar als 3D-Touch, wobei hier keinerlei Eingabe mit Abstand zum Cover möglich ist. Im Gegenteil, es wird eine mechanische Verformung der Linse relativ zu einer zweiten rückseitigen Ebene gemessen. Hiermit lässt sich beispielsweise ein Rechtsklick mit einem Finger ohne zeitliche Verzögerung generieren. Die zwangsläufig dünne und hiermit einhergehende zerbrechliche, da verformbare Coverlens wird in den meisten industriellen Applikationen nicht toleriert. Reine Abstandssensoren (Proximity), die beispielsweise über eine IR-LED operieren, können nicht die benötigte Entfernung und Komplexität von Gesten in der Detektion erreichen, oder werden konstruktiv sehr aufwendig. Außerdem lassen sie sich relativ einfach in ihrer Funktion stören, wenn beispielsweise eine zusätzliche IR-Quelle einwirkt. Bei kamerabasierten Lösungen wird in der Regel eine Öffnung in der Bedruckung der Coverlens benötigt. Außerdem ist der finanzielle Aufwand für die Integration sowie Bildanalyse (Processing Power) erheblich.

3D-Touch in der Industrie

Ein in der Industrie eingesetzter Touch, der 3D auswertet, muss alle Nachteile der oben genannten Ansätze vermeiden. Idealerweise sollte er mit stärkeren Frontscheiben zurechtkommen und auch mit Handschuh bedienbar sein. Das Ziel ist, dass die Erkennung der Hand bereits in einem größeren Abstand zum Display funktioniert. Das System muss zudem robust arbeiten, selbst wenn es über die Zuleitungen oder ein Feld-Noise eingekoppelt wird. Hier gilt insbesondere die DIN 61000-4-x zu erwähnen. Ein potenzieller Kandidat ist ein Touchcontroller von Silicon Integrated Systems (SIS) in Kombination mit der GestIC-Technologie aus dem Hause Microchip. Die Paarung bietet eine intuitive und in der Bedienkomplexität skalierbare Lösung. Ziel hierbei ist es, weniger den klassischen 2D-Touch komplett zu ersetzen, sondern ihn um die dritte Dimension zu erweitern. Viele Eingaben erfolgen weiterhin mit dem Finger auf dem Display, doch andere Funktionen können direkt per Gestensteuerung, frei schwebend über dem Display abgerufen werden.

Ein Portfolio möglicher Gesten, um den 3D-Touch zu bedienen

© MSC Technologies

Derzeit mögliche 3D-Gesten sind in Bild dargestellt. Der ‚Flick‘ ist das dreidimensionale Pendant zu der Bewegung, die üblicherweise für das Durchwechseln zwischen Bildern auf dem Smartphone verwendet wird. Sehr ähnlich ist auch die Geste ‚Edge Flick‘, nur mit dem Unterschied, dass die Geste außerhalb des Bildbereiches startet und innerhalb enden muss. Auch kreisende Bewegungen werden mühelos erkannt. Wichtig hierbei und zu beachten ist, dass immer das Zentrum der Masse für die Erkennung ausschlaggebend ist. So könnte es sein, das ein kreisender Finger mit darüber stillstehender Hand nicht, oder nur träge detektiert wird, wobei bei Hinzunahme eines weiteren Fingers eine schnelle Erkennung ermöglicht wird. Auch N- oder Z-förmige Bewegungen können unter vielen weiteren Gesten mit einer sehr guten Erkennungsrate erfolgen. Ratsam ist es allerdings, alle nicht zur Eingabe benötigten Gesten zu deaktivieren, so dass eine Fehlinterpretation minimiert wird.

Ein Beispiel für eine Anwendung mit großem Potenzial in naher Zukunft ist das Autoradio. Hier werden Flick-Gesten von rechts nach links (Lenkrad auf der linken Seite) keine gute Idee sein. Da in den meisten Fällen die Hand zuvor von links nach rechts am Sensor vorbeigeführt wird, und so eine ungewollte Flick-Geste getriggert wird. Allerdings zeigt die Praxis, dass bereits nach kurzer Eingewöhnungsphase in den meisten Fällen die gewünschten Gesten ausgelöst werden. Sämtliche Gesten sind in der Firmware als Profil hinterlegt. Ähnelt ein Bewegungsmuster mit ausreichender Genauigkeit einem Profil, wird die Geste vom Controller kommuniziert. In allen anderen Fällen wird die Geste verworfen.

Abstand bis zu 35 cm

Zusätzlich zu der eigentlichen Funktion der Gestenerkennung, kann der 3D-Touch gleichzeitig für die Näherungserkennung eingesetzt werden. Außerdem ist es möglich, die relativen Koordinaten im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. So können beispielsweise mehrere Icons des Desktops platzsparend, oder sinnvoll gruppiert hintereinander liegen. Hiermit werden derzeit bis zu 200 Positionen pro Sekunde erkannt und die räumliche Auflösung beträgt 150 dpi.

Der maximal mögliche Abstand der Hand zum Touch wird hierbei im Groben durch die Geometrie der Elektroden, der Boost-Spannung (3 bis 18 V) der Sende-Elektrode (Tx), dem Erdungskonzept und den erlaubten Gesten bestimmt. Bei einem geerdeten 30,74 cm (12,1 Zoll) Touch und einer ‚Hold‘-Geste (Hand statisch vor Sensor) sind bis zu 35 cm möglich.

Das Funktionsprinzip ist eine Mischung aus Mutal Capacitive und Self Capacitive. Es wird ein Sender (Tx), und vier oder fünf Empfänger(Rx)-Elektroden benötigt. In der Kombination mit einem 2D-Touch kann, wenn es der 2D-Controller zulässt beziehungsweise Boost-Chips zum Einsatz kommen, auch der 2D-Touch als Tx verwendet werden. Die Rx-Elektroden werden in der Regel um den 2D-Touch als Leiterplatte gruppiert. Denkbar sind aber ebenso andere Materialien, da die Design-Regeln Raum für Flexibilität bieten. Ein einfacher Testaufbau wäre sogar mit Kupfer-Tape auf einer ­Glasscheibe möglich. Für den industriellen Ansatz sollte hinter den Rx-Elek­troden mit circa 1 mm Abstand definitiv noch ein GND-Shilding platziert werden, um störendes Rauschen weitgehend aus dem System zu halten. Damit sind zwei bis drei Lagen nötig. Der 3D-Chip detektiert fortwährend den Rauschpegel. Bei Bedarf kann er seine Arbeitsfrequenz daraufhin selbstständig anpassen. Hierfür stehen fünf fest in der Firmware eingebrannte Kandidaten zur Verfügung. Von der Software her können ebenso einzelne Frequenzen deaktiviert werden. Dieser und andere interne Algorithmen stabilisieren das System, so dass die typischen Automotive- und Industrie-EMV-Anforderungen mit einem vernünftigen Aufbau bedient werden können.