巡礼:手写笔

就算当年乔布斯还活着的时候,一些人们也不顾“教主”的倡导,在iPad上面配备一个手写笔。这种手写笔一般分为两种:蓝牙驱动的定位笔或者单纯模仿手指的电容笔。由于iPad当时生来就没有考虑过用笔,所以体验并不是很好。

西方不亮东方亮。三星用自己的Note系列手机,尤其是那只表现不错的笔,吸引了很多人的兴趣,也因为这支笔,收获了不错的销量。同样的,配有手写笔的Surface电脑,也是因为有这支笔,被很多人认为是核心卖点之一。

四面楚歌,不,八面玲珑的库克自然没有那么死心眼,很快,iPad也有了自己笔。

就像一出恢弘的歌剧,终于,所有的主角悉数登场。目前,在高端点的手写笔(排除没啥用的电容笔)领域,主要的派系为:以微软收购的N-Trig系列(用于微软自家Surface产品)、以Wacom为代表的EMR(电磁感应输入技术,Electro-Magnetic Resonance)和AES(主动式静电感应技术,Active Electrostatic Solution)系列、苹果的Apple Pencil(苹果自家黑科技,目前找不到详尽的资料介绍)。

(现在投身做手写笔的大厂还有:Atmel、Synaptics等。但是由于市场占用量太小,就不再论述。)

于是问题就来了……

挖掘技术哪家强?

挖掘技术哪家强?

这次,就来对比一下主流的这几项技术。

Warning:文章中夹杂了大量物理常识(其实连笔者也不懂),请读者选择性食用。如果只关注使用体验上差别,请直接跳转到文章后半部分。

Wacom EMR

在手写笔的领域,Wacom绝对是垄断性的存在。之前曾经挑战过Wacom的公司,差不多都自挂东南枝了。譬如曾经也风生水起的“友基”,现在在Wacom各种高中低产品面前也显得黯然失色。

当然,Wacom的成功,也多半归功于这个EMR技术。

Wacom EMR手写笔

Wacom EMR手写笔

毫无疑问,Wacom最成功的数位板产品线当推影拓(Intuos)系列。影拓系列采用的都是EMR方式的手写笔。

采用EMR方式的手写笔,如果不考虑笔身上面设置必要的按钮(启动程序等功能需要蓝牙连接),本身是可以无电源使用的。这也是这个技术区分于其他所有主流手写笔的最重要特点。事实上,很多廉价国产平板采用的笔都是这个技术的,其笔身没有设置任何按钮,也不需要电池驱动,譬如酷比魔方iwork11系列。

EMR的工作原理

EMR工作原理

EMR工作原理

在屏幕下方有可以探测到EMR笔活动的电磁感应板(图片中EMR传感器所在位置),在感应板上面纵横分布着线圈。高中物理常说,“磁生电,电生磁”,随着笔的移动,在通电的感应板所产生的磁场范围内,笔中的共振回路能够积蓄微弱的电能。当笔积蓄到能量后,控制回路就会停止向循环线圈提供电流并把循环线圈接通到接收回路。此时笔所积蓄到的能量会通过共振回路的自由震荡,将能量从笔尖的线圈处传送回感应板。在将能量传回电磁感应板之后,控制回路首先通过对感应板上循环线圈的扫描,从而初步检测出笔的大致位置。接下来再对笔周围的多个循环线圈进行扫描,并对检测出的信号进行计算,即可十分精确地计算出笔的座标值。

通过以上的过程,并不断进行计算,系统不仅可以得到笔当前的坐标,还能获取笔的移动速度等数据。

压感的实现,是通过笔内部的、在笔尖后端的电容器实现。当施加压力的时候,笔尖会向笔里面运动,从而导致电容器正负极之间的距离变化,从而改变电容,实现了对于压力的感应。

EMR笔内部设计

EMR笔内部设计

现在的平板电脑,将显示屏、电容感应屏幕和电磁感应板堆叠在一起,从而实现EMR手写笔和手指都能够操作。

EMR的特点

EMR技术的最大特点就是成熟。作为久经考验的手写笔技术,EMR非常可靠,也意味着廉价。所以EMR技术几乎成为入门级别产品的标配。并且由于不需要电源,EMR的笔可以做的很细,非常适合需要在机身开笔槽的机器,例如三星的Note系列手机。

经过多年的进化,现今EMR技术的笔一般都达到2048的压感级别。在市场上,应该属于最高一档压感级别。

另外,EMR笔都支持悬浮操作,即笔尖距离屏幕一定距离也可以操作。Wacom的EMR技术让悬浮操作延迟较低,而微软的N-Trig虽然也做到了悬浮操作,但是操作时候延迟很大。这个问题在写字或者作图的时候,想对准一个地方的时候,使用N-Trig的笔往往有点麻烦。

但是由于EMR的工作原理,必须在屏幕上放置感应器,所以会增加整个屏幕的厚度。这也是一些追求极致的平板所不能接受的问题(Surface Pro 3放弃在前两代使用的Wacom的笔的原因之一)。

此外,EMR技术在边缘准确度上有很大问题(Surface Pro 3开始微软放弃Wacom的EMR笔技术的第二个原因)。EMR技术在小屏幕上表现良好,譬如三星Galaxy Note系列的手机屏幕;但是在平板这种屏幕尺寸较大的设备上,其边缘的准确度会明显下降,甚至会出现边缘笔迹断断续续的现象。其实这个问题也存在于数位板上面,但是由于数位板没有屏幕,所以即使有偏移和视差(屏幕上显示的位置和真实笔尖在屏幕上的位置的差别),也表现的不是很明显。

总结来说,由于Wacom在整个手写笔领域的事实上的垄断地位,EMR是其主推的一个技术。EMR成熟、可靠,并且价格低廉,是入门级别很好的选择。

补充说明一下,根据网上的反馈和调查,不同操作系统对于手写笔的表现都有影响。在Android系统下,EMR笔的视差和延迟都明显比Windows下好一些。

N-Trig

Surface 3笔

Surface 3笔

在Wacom抱着EMR这棵枝繁叶茂的大树不思进取的时候,N-Trig技术以其更好的屏幕边缘精度和较小的时差,被很多厂商看好。当然被看好的结果大家都知道,微软:买买买!

在微软收购N-Trig之前,N-Trig大有和Wacom平分秋色的感觉。包括Thinkpad的一些平板都在尝试使用N-Trig技术的手写笔。然而,自从微软收购了N-Trig之后,这个触控笔技术就变成了微软Surface系列的“御用”产品。

N-Trig的工作原理

事实上,在业界,类似N-Trig和Wacom AES等有源手写笔被称为主动投射式电容笔(Active Projected Capacitance Stylus ,Active P-Cap Stylus)。虽然具体实现上有所差异,但是总体技术原理上差别不大。

N-Trig笔内部结构

N-Trig笔内部结构

首先,有源的手写笔不断发出低频信号(频率一般在30~70KHz之间),信号中包含笔尖所感受到的压力、笔的按键状态和笔的ID序列号等信息。通过上面的结构图可以看出,对于压力的数字化,是通过笔尖压迫快门,促使快门遮挡LED的光线,从而影响在LED对面的检测器的受光量和感光位置,进而计算出笔尖受到的压力。

N-Trig原理

N-Trig原理

其次,在机器屏幕上,有网格状的投射式电容传感器,负责整个触摸和笔的感知。这些网格状的电容传感器排线分组连接到若干个控制器上,这若干个小的控制器又连接到一个主控制器上。在工作的时候,主控制器负责控制和管理若干个小的控制器,与这些小的控制器进行数据交换,并收集这些控制器传过来的笔或者触摸的位置信息,同时也将收集到的所有数据处理后提交到主板的相应接口,从而完成对于触摸或者笔的工作流程。

在这个环节,其实每个厂家处理并不相同。有一些厂商,例如Atmel,采用双向传输模式,即笔和传感器之间可以相互进行数据交流。而N-Trig则不同,是采用了单向传输模式,笔只负责发送响应的低频信号到传感器,不再具有信号接收功能。

N-Trig的特点

自然,相比于之前说过的EMR模式的笔,N-Trig的笔复杂了很多,所以价格上也水涨船高。根据商业规律,大部分厂商都是希望通过配件来赚取更多利润的,而不是仅仅通过主机。一旦配件的成本太高,势必挤压了厂商原本的利润空间。所以即使是在微软收购N-Trig之前,N-Trig的笔也多出现于Thinkpad这种高端机型上面。毕竟只有高端机型,才有足够的利润空间,即使配件的价格稍微高一点,消费者也不会那么在意。

N-Trig的最大特点是将触摸和笔识别结合在了一套系统上,屏幕上只需要放置一层感应层就可以完成。从而减少了屏幕厚度,也减轻了重量。同时,屏幕层数越少,光的折射效果便越不明显,就可以让视差也随之缩小。

当然,实际体验上来看,N-Trig的笔的确在很大程度上解决EMR笔的视差偏移和边缘灵敏度问题。当然,如果严格来说,一点偏移都没有的笔是不存在的,尤其是笔尖的角度较为倾斜的时候。

Surface笔偏移

Surface笔偏移

笔的响应速度方面,N-Trig较比EMR并没有太大的优势,甚至可以说在相应的延迟时间上,EMR技术更短,使用过程中表现出来就是感觉笔迹更“跟手”。当悬浮的时候,N-Trig的笔反应灵敏度立刻降低,甚至有明显的滞后感觉。

一直以来,手写笔不被人看好的很大原因是在屏幕上有一种在“玻璃上写字”的感觉。在Surface Pro 4的笔上,微软也特别加入了硅胶之类的笔尖,从而大大增加了使用时候的摩擦力,让人真的又一种写在纸上的感觉。这点其实非常重要,就像日常购买钢笔一样。一般人首先都是考虑手感,看写出来是否顺滑但还要不至于滑得失控,然后才回去考虑出墨是否流畅等其它方面。

在Surface Pro 4的笔上,微软终于回归了1024级别的压感。早在N-Trig在被收购前,就有256和1024这两个压感级别。但是比较市面上大部分EMR笔都是2048级别(事实上,2015年开始大量上市的Wacom AES技术的笔也均为2048压感级别),N-Trig不知道能不能尽快赶上。

另外就是画线抖动的问题了。这也是从Surface 3时候的老生常谈了,在慢速画直线的时候,N-Trig的笔画出的线条就是仿佛手抖一样的波浪线。这个问题,在Surface Pro 4的笔上依然存在。

当然,作为有源的手写笔,需要安装电池。尽管Surface的笔采用了最细的AAAA(9号)电池,其体积和重量也都算手写笔里面较粗的。还好,每个人对于笔的粗细、重量甚至重量的分布都喜好不同。不过由于体积的限制,Surface的笔就不可能类似很多传统的手写笔一样,在平板机身上开一个笔槽。“设计成内置电池,充电的不就好了么?”太细的笔可能造成笔内电池容量非常不理想,影响整个笔使用时间(没错,说的就是那个设计得那么细、却仍没办法放在平板内、还没有笔夹的Apple Pencil)。而且能换电池的设计,也并不是那么不方便,虽然那群老外根本就没有想过9号电池在中国是多么不好买,但相信随着各种手写笔的普及,9号电池一定会出现在楼下小卖部的柜子里。

看什么看,说的就是你!

看什么看,说的就是你!

2016年1月30日更新:至于为什么Surface Pro 4的笔可以用在Surface 3上面,但仅能提供256级别压感,由于N-Trig的资料并不是那么齐全,只好自己分析一下。N-Trig的压力感知是通过笔尖的快门遮挡LED光束完成转换成数字信号的,并通过低频信号发射出去。但是由于接收和处理压感信号的控制器并不具备处理1024级别压感的能力,所以只能以类似“兼容”模式处理256级别的压感信号。类似于在720P分辨率的屏幕上播放4K分辨率的视频,虽然视频分辨率非常高,但是由于接收视频信号的显示器分辨率的限制,只能最终以720P的分辨率展示出来。

Wacom AES

还好,在N-Trig之类的厂商的压力下,Wacom也终于推出了新的手写笔技术。

Wacom AES手写笔

Wacom AES手写笔

其实在很早,Wacom也有过一个带电源的手写笔技术,不过据说这项技术Wacom并不看好,将其卖给了基友厂商——友基。不过这大多是坊间传闻而已。

在最近,Wacom开始推出了主动手写笔的产品。在早期(2015年年初),有一些采用了AES技术的产品,如东芝的部分二合一设备,但是由于那时候Wacom技术不成熟,不同型号的AES笔甚至不能互换使用,这些采用Wacom AES的平板更像是在做Wacom的试验品。但是在2016年初,Wacom推出了完整的AES手写笔系列,并据此推出了Bamboo Smart手写笔。这支笔可以兼容市面上大部分采用AES技术的平板电脑,甚至一些刚刚推出的平板电脑。从而继续奠定了Wacom在此领域的垄断。

AES的工作原理

在Wacom的网站上,并没有详细介绍AES的基本原理。看来对于这个技术,Wacom还有所保留。不过根据Wacom提供的宣传册,应该类似之前提到N-Trig的模式,可能具体实现有所差别。

AES的特点

从2016年初这个时间点上来看,AES都提供了和EMR技术相同的压感级别,达到了2048级别。

AES技术,相比于EMR技术,大大提升了屏幕边缘的准确度,并尽量减小了视差。在接下来的文章中,将会通过对HP Elite X2 1012这款二合一设备的体验感受,来具体分析AES技术,敬请期待。

和N-Trig相似,但是AES提供了2048级别的压感。虽然对于普通人,256级别的压感完全足够,但是对于画师来说,2048才是真正的利器,甚至专业级别的画师需要4096级别的压感。

同样的,AES的笔也可以提供多种材质的笔尖,从而增加摩擦力。但是貌似目前上市各种AES技术的手写笔大部分还是光秃秃的普通笔尖,写在屏幕的玻璃面板上体验还是不那么好。

虽然各方面都类似N-Trig技术(当然这两种笔是不能互换的),AES的笔迹更加“跟手”,当进行悬浮操作的时候,光标较比N-Trig反应更为灵敏。

不过,虽然AES增加了边缘的准确度,但是在画直线的时候,仍然会有N-Trig类似的波动,而且波动甚至比N-Trig的还要大。

AES笔慢速画直线抖动

AES笔慢速画直线抖动

此外,为了省电,AES笔会类似一些蓝牙鼠标,在长时间不用的时候自动关闭,当笔尖接触屏幕的时候再再次开启。这样虽然达到了节电的目的,但是显然N-Trig这种一直保持开启状态的笔更让人觉得舒服(Surface Pro 4的笔已经改为自动休眠,拿起时候感受到加速度自动开启)。据说2016年的新机型一些AES的笔也改进了电量管理,也是将笔设置为了常开状态。届时将配合HP Elite X2 1012的使用来验证。

总结来说,AES是Wacom为对付N-Trig开发的一套非常不错的技术。和N-Trig一样的精确度和视觉误差, 有比N-Trig更好的压感和反应速度。如果Wacom继续改进AES技术,相信将来一定是大部分手写笔的首选技术。

目前看来,按照Wacom的产品线,Wacom看家产品数位板还采用EMR技术的笔,证明AES还是需要一定时间才能替代EMR的。Wacom也宣称,即使采用了AES技术,整个手写笔系统的成本依然低廉。可以预测,在2016年,大量国产的千元价位的平板电脑,都会逐步采用更加方便的AES技术的手写笔。

Apple Pencil

苹果至今没有公布任何关于Apple Pencil的技术细节。

Apple Pencil

Apple Pencil

Apple Pencil的特点

按照苹果的秉性,不争第一,只求最好。一般苹果推出的产品,都是技术更成熟一些,用户体验也稍微更好一些。尤其是到了厨子库克这一代,不激进的苹果推出产品的态度越来越沉稳。

看什么看,说的就是你!

看什么看,说的就是你!

当然,根据各方面的评测和信息汇总,苹果这支笔,单纯从压感上来说,也就是256级别。不过Surface的信徒们也不要笑,一年前,Surface的笔也只有256级别的压感。新技术的第一代产品,苹果和微软一样,都不愿意步子那么大。

但是单纯从体验上来说,Apple Pencil应该是最好的手写笔之一。

当使用Apple Pencil的时候,iPad Pro和Apple Pencil之间就以240Hz的采样频率交换数据,所以即使在非常快速的书写的时候,也基本没有“跟不上”的感觉。而N-Trig技术的笔的采样频率仅有140Hz。

Apple Pencil的定位、视差等问题也基本解决。在慢速画直线的时候,也不会有任何波动。边缘准确度和灵敏度都很好。

另外,这支笔支持倾斜角度,从而辅助一些软件,画出不同的效果。笔尖也有摩擦感,不会太滑。

但是,很多人并那么不喜欢Apple Pencil。首先这支笔太细长,造成内部电池容量很小。号称12小时的续航远远达不到,很多人抱怨说是基本是一天一充。虽然Apple Pencil看似可以随时插到iPad的Lightning插口上快速充电,但是这种方式非常不优雅。单独购买一个充电底座,似乎也完全没有必要。自己的Surface 3的笔,随机附送的一节9号电池(超霸电池),在9个月的使用时间中,写了大量OneNote文档,标注大量PDF文档,至今却仍没有换过电池。于是想起小时候,睡觉前,妈妈总会问一句:铅笔削了么?钢笔灌水了么?用Apple Pencil,还真的经常会被没电困扰。还好,官方说,充电15秒,可以使用30分钟。

总结来说,Apple Pencil是一支非常棒的笔。虽然苹果都不好意思透露其压感级别,但是配合iOS不错的软件优化,仍然效果很好。苹果为了做广告,请来一大票艺术家拿着画画。其实单从不愿意透露的压感级别来说,Apple Pencil并不适合画画,相反,用Apple Pencil写字、注释PDF文档、记录OneNote笔记,书写体验甚至超过了大部分的Android和Windows平板。但是,由于iOS在生产力上的先天性不足,自己看文档还好,如果涉及到了“文档批注->批注文档邮件发送->根据批注修改文档”这种常见的工作流,iOS糟糕的生产力提供绝对会成为公司开除一个人的理由……

总结

显而易见,虽然Wacom还没有在自己的数位板等专业的产品线上用AES技术替代传统的EMR技术,但是如今大部分笔都开始向有源方向演进。无论是上面说到的Wacom、N-Trig还是苹果,还是依然在不断努力的Atmel、Synaptics,都已经将有源的手写笔作为自己发力的重点。

采用有源的手写笔,好处显而易见。除了能够提供更好的使用体验,还可以为笔加装蓝牙模块,从而通过按键实现特定的功能,这点在Wacom最新的驱动软件中已经实现,按键的功能也可以自定义。

同时,手写笔的表现,还跟操作系统有很大的关系。总体上来说,Android对于手写笔的处理好于Windows。

综上所述,Wacom AES是比较好的选择。产品丰富,兼容性好,体验也不错。N-Trig被封为微软“御用”之后,产品选择也只有了Surface系列。Apple Pencil也只有iPad Pro一条选择。目前市面上的平板,如果是搭载Wacom笔的,一般有电池的,就是采用了Wacom AES技术的。毕竟对于大多数都厂商来说,对于手写笔的参数并不会标记那么清楚。

对于学生这个庞大的群体来说,有一支笔,真的非常方便。同时,参加会议的时候也能够很方便做笔记(配合OneNote还能录制音频)。所以,在2016年的新年,不考虑试一试么?


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Weixin

Weixin

欢迎批评、指正、讨论。

本文部分参考:

N-trig’s Dual-Mode Pen and Touch

Wacom EMR vs. N-Trig vs. Wacom AES

Touch Technologies Tutorial

Wacom Official Site

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Majirefy

Majirefy

一个没有技术的技术宅,喜欢买买买,热爱生活,贪图享受。

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20 条回复

  1. 花水木说道:

    还是蛮专业的,一直欣赏,继续加油!

  2. 洛丁丁说道:

    好长啊………

  3. Vickey说道:

    非常不错的文章,蛮用心的

  4. klabc说道:

    楼主,我在smzdm要发表一系列关于手写平板和数位屏的文章,其中第一篇引用了您在本文的技术资料,在文中特别注明了。向您表示感谢!

  5. Maurier说道:

    最近打算换成cintiq,但companion 2那接近15寸的大小实在难以接受,求出3代,还是去看一下AES实际绘画体验怎样吧,就是不知道ThinkPadX1 TABLET是不是AES技术[掩脸]

    • Majirefy Majirefy说道:

      X1 Tablet也是AES技术的手写笔。绘画体验由于自己只会画火柴人……所以不太好测试……

      • maurier说道:

        我去把广州岗顶大部分带触控笔的都试了,结论是无论是联想的X1还是华为的MB,笔尖都太滑,没有实际作画的意义…
        巨硬的SP4、SB摩擦感不错,但光标追随感依然很差,不是大神还真用不了…
        HP的X2没有样机不让试,水果也是触控笔不让试…
        三星今年好像出了一款带笔的Win板,但我没找到…
        cintiq companion 2 不错,只是价格和尺寸实在是不适合作为平板…
        结果我去逛了一圈两手空空地回来了233

        • Majirefy Majirefy说道:

          的确是这样,摩擦力是手感的重要保证,谁也不喜欢写玻璃板的那种滑溜溜的感觉。
          SP4的笔尖有硅胶之类的材质用来增强阻力;Cintiq的板子本身的材质就有一定的摩擦力,手感都不错。
          周末打算去Apple Store,体验一下苹果的手写笔。
          论跟手的感觉,肯定是苹果略胜一筹,毕竟拥有最高的刷新率。
          但是苹果的手写笔还不是特别成熟,希望下一代起码有橡皮擦的功能。

  6. ProxyError说道:

    其实wacom的EMR技术也有慢速画线会抖动的情况,这个我在新帝13hd上也遇到过,只是相比主动式笔而言不太明显

  7. goby说道:

    看完了,辛苦了,写得很详细。给工程师看得

  8. jiyu711说道:

    其实wacom从EMR向AES转变的根本原因是EMR配套成本太高,为了缩减成本才搞出来AES这么个技术,况且忽悠普通消费者宣传一下压感级别就好了,刷新率、起始压力克数这些参数从来不作考虑。另外为了差异化竞争wacom目前基本只在自家产品线中使用EMR,如果你实际上手体验的话就知道现阶段那些主动技术在延迟,刷新率,波浪线效应还有悬浮操控上面跟EMR差的还挺远,唯一的优点可能就是边缘准确度还有加了电池附带的蓝牙功能。

  1. 2016年2月25日

    […] 之前在文章《巡礼:手写笔》中已经介绍了Wacom的AES手写笔技术。 […]

  2. 2017年8月11日

    […] 博主曾经写过一篇关于数码手写笔的文章,里面内容十分详尽,不过里面有一些东西漏了没说,特借着本文补充一下所漏说的. […]

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