一种数字书法专用触控模组设计的制作方法

1.本技术涉及电容式触控模组领域，尤其涉及用于数字书法领域的触控模组的设计和信号扫描算法。


背景技术：

2.【电极阵列】常见的触控模组其核心感知单元是电极层，电极层通常由 ito (氧化铟锡，indiumtinoxide)蚀刻而成。从上往下看，电极层由相互垂直分布的若干驱动电极(tx)线路和感应电极(rx)线路交错形成，分别称为驱动通道和感应通道，每个感应通道和驱动通道交叉处形成一个电极单元，称为感知单元，是感知用户触摸事件的最小单元，电极单元之间的距离称为极点间距。
3.【触控 ic】指触控模组搭载的芯片，内置固件包含硬件事件的处理程序，用来接收和响应硬件的事件、提供接口和外界通信，管理模组工作。
4.目前触摸屏的应用场景，比较典型的如手机屏幕、平板，这类设备对触摸精度和响应速度有较高的要求；学校、机关院所等场所使用的自助服务终端，医院医疗系统或工业类控制界面\大屏，相对而言对触摸精度和响应速度要求较低；而电容式指纹识别器类的设备，对精度要求最高，响应速度要求不高。
5.触摸屏的响应速度和触摸精度分别由触控模组的控制器（以下简称触控 ic ）和电极阵列的密度决定的。现有商用的触摸屏中，如 nexus 5 的 4.3 寸的屏幕的可见区域为 69mm * 137mm，同时配备的触控模组的通道数是 (tx，rx ) = 15 x 27，每隔 4.1mm 有一个电极单元。当触控通道数量比较少的时候，触控精度就较低，但每一次扫描所有极点的耗时较短，所以响应速度更快；当触控通道较多的时候，能感知的位置精度更高，但也意味着要保持更快的响应速度，需要更高频的扫描速度，但这并不是总能实现。
6.为了更快的响应，触控 ic 需要以较快的频率扫描电极阵列，随着阵列密度增大，每次扫描所花费的时间就会变多，那么手指高速触摸时（如玩水果忍者游戏），可能出现动作丢失的情况。简言之，对高精度和高速响应的要求不可得兼。
7.在通用的触摸屏领域，类似 nexus 5 精度是在功能要求和成本控制上的最佳方案，再高的精度徒增造价，对触摸体验提升并不明显；而指纹识别的场景也决定了支付识别要求高精度，但识别器感应区域的尺寸不需要很大，通常情况下只有 14.6mm * 10.6mm，但其极点间距达到 0.01mm。
8.在数字书法系统的实现中，需要一款高触控精度但对响应速度要求不高的触控模组，获取用户运笔时的笔触运动轨迹，包括方向、轻重、接触面积。上述模组的关键技术参数是电极极点间距 l0 = 0.4 mm， 信号扫描频率 f = 50 hz 。 目前业界还缺少满足这类规格的触控产品，所以本技术提供这类新型触控模组满足数字书法系统实施。
9.可以理解为，本技术特别为数字书法系统设计，但它的适用场景并不限定于此。


技术实现要素：

10.本技术基于对数字书法实践的特征研究，设计适合软笔书法艺术的触摸屏。本技术第一方面提供了一种新的电极层布局方式，设定极点间距参数以及关联的硬件改动。本技术第二方面提供了上述电路布局调整而优化的电极信号扫描算法。
11.从书法经验上理解，数字书法有以下不同于通用触摸应用的特征。
12.其一，传统书法帮助练习者修身养性，所以实施过程是比较缓慢稳重、低速的运笔，除了书写草书、狂草那种艺术外，平均的运笔速度 30mm/s ，和用户在玩游戏时的点击速度相比有数量级上的区别。
13.其二，具体到书法艺术中，书写时，同一笔画、字的不同部分、写完一个字后到下一个字，前后关系是邻近关系。落笔后，后面的笔触和前面的笔触是连通的，简称相邻性。这种相邻性意味着触控 ic 在扫描电极阵列信号时，可以采用针对性优化的算法。
14.其三，书法练习者，通常采用悬臂方式进行书法创作，这个过程整个界面只有毛笔笔触接触触摸屏，技术角度来讲，书写时触摸事件退化成单点触摸，简称单点型，故可针对单点触摸优化扫描算法。
15.其四，书法艺术里最小单位如笔画点“、”，为了让人眼可见，最小尺寸应该不能少于 2mm，如果呈现在极点间距 0.4mm 的设备上，每5个必定有一个极点被触摸，简称最小单位可见性。其中极点间距和间隔 5 是相互关联的，如果间隔变为 1 就退化为逐行扫描，牺牲速度但是提高了精度。如果用极点间距 0.4mm 的设备来画画，则需要退化为逐行扫描保证不会丢失作画的运笔笔画。
16.基于以上的分析，本技术设计一种新的触控模组和基于预测的信号扫描算法，特别的适用于软笔艺术，如书法和国画，其特征包括：特征一，在触摸屏上进行软笔书法艺术实施，需要较高的触控精度，获取笔迹细腻的细节。故本技术的电极阵列电路图，其显著特征是其分布密度比通用的触摸模块的密度要大的多，而又比指纹识别模组的电极阵列要小很多。图 1 所示 l0 描述电极之间的距离，以常见的指纹识别模组为例，通常在 10.4mm * 14.4mm 的感应区可包含 208 * 288 个感应单元，所以它的极点间距是l0 = 0.05 mm，
17.而 nexus 5 的屏幕大小为 69.2 mm * 137.8 mm，却只有 15 * 27 个感应单元，其极点间距l0 = 4.1mm
18.本技术的触摸模组主张的电极阵列密度为l0 = 0.4 mm同时配合相应的信号扫描优化算法，以提供高精度的同时也能高响应触摸事件。
19.特别说明，在通用触控领域，电极单元的间距 4mm， 配合触摸屏 ic 内置的算法可精确定位一个点坐标 (x0, y0），所以在通用领域人手指触摸的场景，提高电极阵列密度是完全没有意义，徒增功耗且影响触摸的响应速度。而指纹识别领域，指纹作为接触面，获取的是若干个点，所以需要原始支持 0.01 mm 级别的电极单元密度。所以 0.4mm 间距的触控模组，对于通用领域太浪费，而且增加信号扫描的工作量，拖慢触摸的响应速度；但是对于指纹识别领域，精度又不够，会导致丢失指纹纹理细节。但应用在数字书法领域却非常合适的，完美契合数字书法实践的特性。
20.特征二，通用触控事件，因为用户的下一次触摸位置大部分情况下不可预知的，每次扫描都要扫描所有的节点，确定新的接触位置。而书法艺术实施过程，后续落笔点大概率会落在前面笔触的周围，所以采用缩小后续扫描区域的方式，减少扫描的工作量，提升扫描速度，称为基于预测的信号扫描算法。
21.特征三，基于数字书法艺术实践的最小单位可见性和抽屉原理，在 0.4mm 精度的电极阵列上，若有个 2mm * 2mm 的笔画落笔，那么不需要逐行扫描，采用每隔 k = 5 行扫描信号的方式，一定可以获取到被触摸的极点，称为最新触点，进而获取到完整触摸数据，称为隔行扫描获取触点。其中 k 的大小由设备参数而定，此处仅为举例。
22.特征四，本 ic 提供通用模式和书法模式的设置接口，上层 api 可设置模式切换不同的工作状态。其一，通用模式，该模式下，扫描算法选择一部分的通道，比说 1/10 ，使用普通的扫描算法获取数据，从而提供和通用触摸屏一样的高响应和多点触摸功能。其二，书法模式，即以较低扫描速度获取高精度触摸原始数据。所以本技术触摸屏也可工作在屏兼容模式，当作普通的触摸屏使用。
23.本发明的有益效果在于，为高保真数字书法系统实施提供了最佳硬件设备，且电极密度越高，数字书法的效果越完美。亦可应用在和软笔书法类似的未来场景中。
附图说明
24.【前序触点】指在上一轮扫描中某个被触摸的电极，即电压差有变化的电极。（m, n） 表示电极极点位于第 m 个感应通道和第 n 个驱动通道相交的地方。
25.图1是电容式触控模组的感应单元阵列示意图。图 1 中，tx 表示驱动通道的分布方向，rx 表示感应通道的分布方向。 l0、l1 表示两者通道相交点形成的电容电极极点的横向、竖向间距，d 表示电极节点本身的大小。
26.图2是块触控转化模块技术原理图。图 2 演示了本触控模组工作模式的切换流程。s0 表示用户或者应用软件调用接口切换工作模式。 流程 s1
ꢀ‑
》s2
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》s3 为兼容通用触摸模式下的扫描逻辑。采用和隔行扫描的相同的方式，确定所有候选通道，逐一扫描后获取精简的电压数据，按照现有的算法计算得到点击坐标，再按照比例还原为原始尺寸的屏幕坐标；流程 s4
ꢀ‑
》s5 表示切换到书法模式的扫描流程。按照基于预测的扫描算法获取扫描通道的数据，经过修正后得到完整触摸数据。图中灰色背景的步骤表示有子流程详细描述。
27.图3是书法专用平板的触摸屏结构图。图 3 中，展示在有前序触点时预测区域的范围，虚线 tx(n-r) 和 虚线 tx(n+r) 合围区域为预测区域，其中灰色背景的方块为核心预测区域。相对的以左下角为坐标原点。坐标（m, n） 表示电极极点位于第 m 个感应通道和第 n 个驱动通道相交的地方，其中 r 表示两个极点之间的间距，是预测的两次运笔之间最大距离。同理，（m + r , n
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r) 表示第 m + r 个感应通道和第 n
ꢀ‑ꢀ
r 个驱动通道的相交处。
28.图 4a表示书法模式下，基于预测的信号扫描算法过程。其中前序触点 (m, n） 表示位于第 m 个感应通道和第 n 个驱动通道的电极极点被触摸，此电极电压有变化。流程 a0
ꢀ‑
》a1
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》a2 是信号扫描最优路径，数字书法实施过程中大概率会命中上述路径；即使是未命中的情况 a0
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》a4
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》a5、a0
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》a1
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》a3
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》a5，因为采用隔行扫描的算法，亦保证高响
应。图中灰色背景的步骤表示有子流程详细描述。
29.图 4b 描述了图 4a所示流程中最关键的改进部分。b：预测区域寻找新触点。基于数字书法的相邻性，在用户运笔过程中，会大概率命中最快路径 b1
ꢀ‑
》b5
ꢀ‑
》b6，在预测命中的情况下，避免扫描触摸区域外的大量无用的极点，大大节省每一轮信号扫描信号的时间；即使最坏路径 b1
ꢀ‑
》b2
ꢀ‑
》b3-》b4，得益于逐行扫描方式，处理速度也很快。图中灰色背景的步骤表示有子流程详细描述。
30.图 4c 描述了图 4a所示流程中关键的改进部分。 c：“遍历新触点（m’, n’）所在的触摸区域”，因为书法模式的单点触摸特性，也只需要扫描和新触点毗邻的极点，直到没有被触摸的极点，即可停止搜索。同样也避免扫描外部区域没有实际触摸的节点，极大的减少了每轮扫描的耗时。图中表注里
“ꢀ
/
ꢀ”
表示两个类似操作，只是方向和数值不同。本流程需要运行完整路径 c1
ꢀ‑
》c3 * n
ꢀ‑
》c2
ꢀ‑
》c3 * n.图 5 描述了书法模式下，用隔行扫描模式来提高扫描速度。其中扫描时每隔 k 个通道选择一条通道，相同的常数表示一组。
具体实施方式
31.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例， 对本技术的触控模组设计结构进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
32.第一部分，设定电极间距参数。图1 为典型的投射式自互容一体触摸电极的结构示意图。包含横向、竖向分布的多条等间距的电极通道，每一条横向和竖向电极通道交叉区域形成一个电极极点，定义 l0 、l1 分别是相邻电极的距离，d 表示电极本身的大小。
33.在典型的通用触控模组中，4mm《l0《5mm, 4mm ≤ l1 ≤ 5mm，其中 d《《l1。
34.本技术发明主张，基于现有的成熟的生产工艺，调节蚀刻制程参数，设定极点间距为 0.4mm，如图 1 所示，l0 = 0.4mm，l1 = 0.4mm
35.ito 层蚀刻的基底优先选择玻璃，其他透明材料如 pet 作为备选。本技术发明的核心参数要求是极点间距为 0.4mm，作为对比，普通的硅基的的指纹识别器极点间距为 0.05 mm 左右。但应当理解的是 0.4 mm 只是数据级的演示，并不是精确要求。
36.对于缩小极点间距的工业技术可行性证明，jdi 于2018 年推出以玻璃基底的指纹识别元件，并上市销售。
37.优选方案之一，本技术发明触控模组和墨水屏显示模组集成，作为数字书法系统的标准实施设备。
38.注意，因为上述通道增多引发的电路设计修改，如增加必要信号干扰屏蔽走线、fpc 引线增加、ic 接口针脚增加、噪音过滤、防干扰等改动根据不同制作工艺而调整，属于现有公知技术范围内的工艺参数调整，不再赘述。本例子的双层 ito 只是一种实现，其他工艺，如单层 ito 工艺亦可适用本设计需求。
39.第二部分，触控 ic 算法适配。在制备好上述参数的触控硬件之后，还需要修改 ic 的固件，使其处理算法和硬件结构相匹配。
40.本技术硬件拥有比通用的触控模组更精细电极分布，所以理所当然的可以降级工作在“通用模式下”。固件提供了切换工作模式 api，供外部程序控制，【切换触摸屏工作模
式】完整流程见图 2。
41.当切换通用模式下，首先算法精选其中若干组等距的通道，他们的交叉点形成简化版的极点阵列。【通道选择算法】精选的算法如图 5 所示，首先，选择起始通道如 nk + 1, 则下一个通道为 (n+1)k + 1，依次类推。例如nk +1 ,(n+1)k +1 ,(n+2)k +1 ,(n+3)k +1 ... (n+x)k +1，即为精选的驱动或感应通道，或者选择另外一组nk +3 ,(n+1)k +3 ,(n+2)k +3 ,(n+3)k +3 ... (n+x)k +3。
42.1 ≤ k, k 越小精度越高、扫描速度越慢，在书法模式下，典型情况下 k = 5 左右，取值受限于实际的极点间距；如果需要感应最精细的触摸事件，设置 k=1 退化为逐行扫描，如果要求不高情况下 k 值可以》5 ，其中感应通道的选择方式同理。
43.在上述方式确定的通道范围内，读取电压信息，形成精简的触摸原始数据（即电压差的二维数组）。用精简数据获取到一个相对于屏幕尺寸的坐标（x, y）有多种方式。
44.优选方式一，用上述数据组成，直接作为缩小版尺寸屏幕的触摸二维数组，用现有坐标计算逻辑，获取（x, y）坐标。需要注意的是，此坐标是缩小版尺寸的坐标，需要根据 k 值还原为原始屏幕尺寸的坐标。
45.优选方式二，按照 k 值取值范围，将上述数据用差值算法，填充实际没有被扫描的极点电压值，最终形成完整尺寸的电极阵列的触摸原始数据，应用现有计算坐标的算法，获取（x, y）坐标。
46.【书法模式整体流程】当模组工作在书法模式时，运行优化后的信号扫描算法，称为基于预测的信号扫描算法，特别的，整个算法基于预测区域之上。下面首先阐述在预测的扫描算法中，如何确定预测区域。
47.假设触控模组的驱动通道和感应通道的分布坐标范围是横向 (0, m)，纵向的 (0, n)，如图 3 【 预测区域的范围示意图】所示。假设某次运笔结束时，最后接触的屏幕坐标是（xm, yn），此坐标位于电极极点（m, n) 所在极点感应范围。基于相邻性原则，后续落笔不会和前序落笔距离太远，用 r 表示预测的下次可能运笔的最远距离。考虑到大部分情况下，单个汉字内部笔画笔顺位置多变，下一笔的位置可能在上一笔的上下左右某个位置，所以以（m, n) 为中心，确定 tx(n-r) 到 tx(n+r) 之间的区域为预测区域，即图 3 所示两条虚线合围区域。其中 [(m
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r, n
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r), (m + r, n
ꢀ‑ꢀ
r), (m
ꢀ‑ꢀ
r, n + r), (m + r, n + r)] 合围起来的矩形区域为核心预测区域，即图 3 灰色背景区域，为大概率下一笔出现的区域，优先扫描。
[0048]
回到书法模式的整体流程，如图 4 所示。
[0049]
优选路径：a0
ꢀ‑
》a1。如果前一轮扫描中有若干电极节点被接触，选择最后一个节点为前序触点，记为（m，n），那么进入子流程在预测区域寻找新触点。
[0050]
【预测区域寻找新触点】流程步骤如下，详见图 4-b：已知前序触点（m，n），选择合适的 r 值，0《r《m and n，
ꢁ
确定优先扫描范围从 tx(n-r) 到 tx(n+r) ，按照前述通道选择算法确定 tx(n-r) 到 tx(n+r) 之间那些通道需要发射信号，记为精选通道 c(tx)。
[0051]
开始遍历精选通道 c(tx) 发射信号，如第一条为tx，当 tx 发射高电平时，优先
选择 rx(m
ꢀ‑ꢀ
r) 到 rx(m + r) 范围内感应通道检测电平信号，一旦找到一个电压和寄生电压误差内不同的，则视为有触摸事件发生，找到新触点（m’, n’）结束过程。如果在核心区域没有找到，在保持 tx 高电平有效时，继续扫描 （0，rx(m
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r) ）和 （ rx(m + r)，m）区域的感应通道，即除了核心区域外的预测区域。如果找到新触点（m’, n’），则结束过程；如没有找到，则判断是否所有精选通道 c(tx) 里的 tx 都已经遍历完毕。如果还没有，选择下一条通道重复上述流程。最坏情况下，遍历完 c(tx) 也没有找到，则返回无触摸事件，此为最长路径 b1
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》b2
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》b3
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》b4。通常情况下 r《《m （m，n 是感应和驱动通道总数） ，所以无论是否找到新的触点，都避免扫描大量预测区域之外的通道，极大节省每轮扫描的耗时。
[0052]
【遍历新触点（m’, n’）所在的触摸区域】完整流程如图 4-c 所示。在找到新触点后，即可获取完整的触摸数据，通常是表示电压差二维数组。详细过程如下：以（m’, n’）为枢纽，向四周寻找所有与之相连通的有触摸的节点。首先选择一个方向，如从 tx(n
‘
) 向 tx0 方向，开始扫描电压信号。选择一条通道 tx(n’) 发射信号，检测感应通道是否有触摸事件，有则记录电压信息，并选择下一条继续上述逻辑，直到找到某个通道没有触摸事件，随之切换方向如从 tx(n’) 向 tx(n)方向，重复上述流程。 如果两个方向都以遍历完毕则结束本次扫描，读取 buffer 内完整电压数据，buffer 数据通过 fpc 线缆和触控 ic 相连。之所以读到未触摸的通道即结束该方向的扫描，原因是基于数字书法的单点性。
[0053] 回到书法模式整体流程，路径：a0
ꢀ‑
》a4
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》a5，得益于隔行扫描算法，即使无前序触点，本算法以较低电极扫描的频率也保证高响应，即使电极密度较高时也能保证不丢失触摸输入信号。如果遍历完毕还是没有找到触点，则报告无触摸事件。
[0054]
需要注意的是，上述的遍历过程，视硬件支持做并行或串行扫描的测量优化。
[0055]
有必要进一步阐述本技术发明的新颖性。本技术主张的扫描频率是 50hz，甚至更低，精度更高的产品需要的更高精度电极阵列，相应的扫描频率会相对降低。为了对比更明显特制作下表，可以看出本技术是适合软笔书法领域的全新设备。
[0056]
比较项适用场景触摸扫描频率电极阵列间距通用的触摸屏手机、平板、机构自助服务大屏、工业控制操作台80hz~1000hz4～8mm数字书法适用触摸屏书法、国画专用平板《50hz～0.4mm指纹识别器门禁、人员识别卡20hz~100hz～0.05mm
由上表可见，本技术发明电极阵列的间距和另外两类设备存在数量级的差距。
[0057]
在本实施例中，基板为玻璃基板，可选的，也可为石墨烯基板、纳米银基板等。
[0058]
进一步说明本模块的使用场景，作为优选实施案例之一，本模块使用玻璃作为蚀刻基底和墨水屏贴合，其透明性特征是作为数字书法的优选设备必要要素。
[0059]
作为优选实施案例之一，本模块使用玻璃作为蚀刻基底和普通 lcd 屏幕贴合，可用于可显示彩色元素的通用的 pad、手机设备。
[0060]
作为优选实施案例之一，本模块使用硅基作为基底，集成其他类型外壳，作为现有手机、平板的外设，采集接触面积信息的设备。
[0061]
本技术不限于应用在电容式触摸屏领域，相同参数和算法亦可应用于电阻、红外、声波等工作原理的触摸设备。基于本领域公知的技术，本说明中对电压值的测量等价于对电容值的测量，也等价于测量电容的变化部分所耗费的时间。
[0062]
应该理解为，本技术所述数字书法专用，并不是对本技术使用场景的限定性描述，
而是出于便于描述，利于理解的考虑。
[0063]
对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上达示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本技术。 因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求书而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和 范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。本技术未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种专用触控设备，具体来说是一种电容式触摸模组，其特征在于，ito 形成的电极层里由 tx 和 rx 通道交叉处形成的电极极点间距为 0.4mm，采用基于预测的信号扫描算法优化信号扫描效率。2.根据权利要求1所述的触控模组，其特征在于，通过设置接口，在通用模式和书法专用模式下切换，两种模式都使用优化后的扫描算法，获取当前触摸事件的数据。3.根据权利要求2所述的触控模组，其特征在于，通用模式下，使用隔行扫描算法保证在低功耗下能够保证触摸事件的高响应性。4.根据权利要求2所述的触控模组，其特征在于，书法模式下，基于预测区域，快速寻找到新一轮的触摸区域原始数据。5.根据权利要求4所述的触控模组，其特征在于，基于预测区域，快读找到新的触点，并应用相邻原则，快速扫描新触点周围的所有触摸区域。6.根据权利要求1所述的触控模组，其特征在于，选用墨水屏作为显示模块贴合为触摸显示屏。7.根据权利要求1所述的触控模组，其特征在于，选用普通彩色 lcd 屏幕作为显示模块贴合为触摸显示屏。

技术总结
本发明公开了一种专用触控模组，其特征在于感应部分的电极极点间距为0.4mm，以及根据数字书法艺术的特点优化的基于预测的信号扫描算法。本模组的电极密度有别于通用触摸屏的4～8mm极点间距和指纹识别器的0.04mm极点间距，是数字书法系统的高保真实现的理想硬件，其硬件特征具有获取精细笔画轨迹、形状的能力。本模组具有比通用触摸屏更密的硬件基础，可降级工作在通用模式下；当其工作在书法模式时，虽然电极阵列非常密集，考虑数字书法艺术的特点，使用“隔行扫描”，优选处理“预测区域”，快速获取“相邻区域”等算法，以较低功耗实现触摸事件的高响应。摸事件的高响应。摸事件的高响应。


技术研发人员：王亮
受保护的技术使用者：杭州译墨数字科技有限公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/10/7