作者：徐小龙
出版社：电子工业出版社
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物联网室内定位技术试读：
前言
定位，即确定方位，无论对于人还是地球上的其他生物来说，都太重要了。例如，经过训练的警犬可以通过嗅觉来确定毒品或者武器的位置，其他很多哺乳动物也可以在短距离范围内靠嗅觉定位；蝾螈、海龟等两栖动物也可以通过嗅觉也确定产卵水域的位置；信鸽可通过体内生物钟精确计算太阳位置，可以在远隔数百千米之外的陌生地方定位家的位置；很多迁徙的候鸟，在做长途飞行时都能利用地球磁场来进行定位和导航，保持其飞行路线不发生偏离；大马哈鱼能够穿越大洋返回自己原来孵化所在的同一条河流里产卵，其大部分旅程依靠太阳的位置、海流、地磁来定位和导航，最后到达淡水附近时，能根据河水的气味物质回忆起自己的出生地；蝙蝠、海豚等拥有基于超声波的声呐系统，通过“回声定位”来觅食、逃避敌害和求偶繁殖。
而对于生活在现代社会中的人们来说，确定自己及相关事物的位置也是至关重要的。事实上，除了通常我们一般所熟知的确定我们自身在地球上的位置外，仔细想想，广义的“定位”其实是无所不在的。我们再使用鼠标时，移动鼠标来寻找和点击屏幕上的图标，这难道不也是在定位吗？我们使用智能手机、平板电脑时，触摸屏也在通过电容、超声波或红外等方式来确定我们手指或者手写笔的位置。我们在用数码相机或智能手机来拍照时，也会通过激光、红外等方式进行对焦，而所谓对焦，也是在确定被摄主体的位置。
当然，本书重点还是在探讨人或物体在地球上的位置这一狭义范畴。随着对卫星定位和导航技术研究的不断深入，人们对基于位置的服务（Location Based Service，LBS）已不再陌生，其中最为人所熟知的最著名的LBS应用就是基于全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的定位和导航服务。近十年来，无线通信技术、互联网技术及微电子技术的飞速发展使得智能手机、平板电脑等移动智能终端也得到了广泛的普及，基于LBS的应用也呈现了多样化发展的趋势。
根据定位应用中所应用的定位场景的不同，一般的定位技术可据此分为两种：室外定位和室内定位。在室外定位中，主要是利用卫星技术进行定位和导航的服务，其中应用最为广泛的就是GPS技术，民用级GPS的定位精度在15 m左右。目前，随着我国北斗导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的建设和迅速发展，BDS已经与美国开发研制的GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）以及欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Satellite Navigation System，GSNS）一起，并称为全球四大卫星导航定位系统。
同时，随着城市化进程的加快，人际活动大多发生在室内场景中，人们对于LBS的需求也渐渐从室外延伸到了室内。由于卫星信号在有障碍物遮挡的情况下衰减严重，因而在高楼林立、结构复杂的城市间以及室内环境下定位精度很低，无法实现室内定位及相关的LBS服务，单纯的基于GPS的定位和导航已不能满足人们日益增长的室内LBS的需要。因此，定位技术，特别是室内定位和室内的LBS服务，已成为学术界和产业界的研发重点。在室内定位的研究领域中，早期的研究方向主要集中在 Wi-Fi 定位技术、移动蜂窝网络（Cell）定位技术、红外线（Infrared）技术、超声波（Ultrasound）技术、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）定位技术等。由于通信技术和电子制造技术的不断发展，研究人员对低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）技术、超宽带（Ultra Wideband，UWB）技术、传感器与无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）、计算机视觉技术、激光技术等新技术展开了研究，并将这些技术与定位和导航的研究相结合，提出了一些定位精度更高或能耗更低的定位和导航方案。
近年来，世界范围内的高校、研究机构以及各大IT企业巨头也都掀起了室内定位热：在国外，杜克大学对生活中的诸多“路标”进行研究，提出了UnLoc定位系统，美国苹果公司推出了基于BLE的iBeacon室内定位技术，美国谷歌公司推出了基于Wi-Fi技术的室内定位系统，芬兰的IndoorAtlas公司推出了基于纯地磁技术的室内定位应用；在国内，我国以北斗导航系统为基础，提出了通用于室内和室外定位的全天候的定位系统—“羲和”，清华大学刘云浩团队提出了LiFS定位系统，高德地图、百度地图也都相继推出了具体的室内定位地图和多种定位技术融合的室内定位应用等。城市化进程的加快和互联网的高速发展，使得人们在室内的活动时间越来越长，越来越多的人际活动都发生在室内场景中，室内定位和室内LBS的应用具有很大的潜力，值得深入地学习和研究。
随着互联网技术、物联网技术的大力发展，定位技术已不再局限于单纯的室外和室内导航领域，物流运输、仓储管理、医疗健康、重要物资监控、特种作业人员定位、消防救援等都需要高效的定位技术，并且上述的这些应用领域大多长时间都是处于室内场景中的。
目前的室内定位算法及技术在定位精确度、抗噪声能力、硬件成本及鲁棒性等方面仍有较大的提升空间，特别是在定位精度和设备成本开销之间总是难以取得一个良好的平衡。大多数室内定位机制仍然在使用单一的定位技术，如Wi-Fi、RFID、ZigBee等来进行定位，并且对于单一技术的室内定位机制，仅以定位算法为切入点使得定位系统的定位性能得到提高十分困难。一种思路是以多种定位技术的融合定位为研究主题，从定位算法和定位模型两个方面为切入点，以提出多源数据融合的定位算法和定位模型，降低定位设备成本，降低定位误差，提高定位精度。
本书作者在移动计算、信息网络、位置服务、室内定位等技术领域已经有了多年的研究，具有扎实的理论基础和实践经验。本书的内容主要源于作者所领导的科研团队承担的国家自然科学基金、教育部专项研究基金、江苏省重点研发计划、江苏省高校自然科学基金等资助项目的研究工作和相关成果。
针对目前国内对室内定位技术的研究需求，本书取材国内外最新资料，是在认真总结作者主持相关科研项目等相关科研成果的基础上，精心组织编写的。本书详细、深入地介绍了定位技术和位置服务的发展和应用现状、主流的定位算法、室外定位技术及室内定位技术，特别详细地介绍了我们自己提出的一系列室内定位领域的研究成果，集中反映了室内定位技术的新思路、新观点、新方法和新成果，具有较高的学术价值和应用价值。本书包含以下内容：首先概述了位置服务与定位技术，介绍了位置服务定义、应用情况、历史背景、发展现状，然后介绍了定位技术的发展情况；其次着，介绍了衡量定位算法的主要性能指标、影响定位的主要因素，深入阐释了目前主流的定位算法，包括基于测距的定位算法和基于非测距的定位算法；最后在阐释室内定位技术前，本书也花了一定的篇幅介绍室外定位技术，包括基于卫星的室外定位技术、基于基站的室外定位技术和混合定位技术。本书的重点是全面、深入地阐述室内定位技术，本书介绍了定位场景，然后分析了基于RFID、蓝牙、Wi-Fi、UWB、WSN等电信号的室内定位技术，以及基于地磁场、惯性传感器、超声波、红外线和视觉信息等非电信号的室内定位技术。本书最大的特色在于介绍了本书作者所领导的科研团队在室内定位领域的研究成果，包括基于方差修正指纹距离的室内定位算法、基于混合Wi-Fi热点室内定位算法、基于Wi-Fi和RFID数据融合的室内定位算法、基于惯性测量单元的多源定位模型等。
本书注意从实际出发，采用读者容易理解的体系和叙述方法，深入浅出、循序渐进地帮助读者把握室内定位技术的主要内容，富有启发性。与国内外已出版的同类书籍相比，本书选材新颖、学术思想新、内容新，体系完整、内容丰富，范例实用性强、应用价值高，表述深入浅出、概念清晰、通俗易懂。本书既可作为计算机科学技术学科、电子信息学科以及信息网络专业的大学高年级学生、硕士及博士研究生教材，同样对从事移动计算、网络应用系统研究和开发工作的科研人员也具有重要的参考价值。
参与本书编写的还有唐瑀、王屹进、戎汉中、袁豪、张雷、杨春春，本书融合了项目团队相关研究人员的研究成果。此外，本书还引用了国内外研究人员的诸多研究成果以及网络上的相关资料，在此一并衷心感谢！
由于编写时间仓促，加上作者水平有限，书中的错误及不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。作者2017年7月第1章定位与位置服务1.1 定位需求1.1.1 自然界的定位[1]
有人做了一次实验：在威尔士海岸斯科克霍姆岛上将一只墨嘴海鸥从它的巢里抓了出来，到了5000 km以外的波士顿又放了它。12天以后它又回到了自己的巢中，居然比告知放飞消息的信件还早到了一天。而北极燕鸥每年往返于地球的南极和北极之间，维基百科指出北极燕鸥的迁徙旅程约38000 km（见图1.1）。人们至今还无法明确知道动物是怎样克服这么长的危险路程安全返回的，也许有的依靠陆地上明显的标记，有的依靠特殊的音响感受器或磁场感受器。以下就介绍几种动物独特的定位本领。[2]图1.1 北极燕鸥的迁徙路线图[3]
大量哺乳动物在短距离范围内主要靠嗅觉定向。嗅觉也帮助蝾螈和其他两栖动物找到产卵的水域，让海龟游到数千米外可以产卵的海滩。大马哈鱼穿越大洋返回到自己原来孵化出来的同一条河流里产卵，其大部分旅程依靠太阳的位置、海流以及依靠它的磁觉，最后到达淡水附近时，它能根据河水的气味物质“回忆”起自己的出生地。
大家都知道信鸽具有卓越的航行本领，它能从2000 km以外的地方飞回家里。实验证明，如果把一块小磁铁绑在鸽子身上，它就会惊慌失措，立即失去定向的能力；而把铜板绑在鸽子身上，却看不出对它有什么影响。当发生强烈磁暴的时候，或者飞到强大无线电发射台附近，鸽子也会失去定向的能力。这些事实充分说明了，鸽子是靠地[4]磁场来导航的。同样大海中的绿海龟是著名的航海能手，每到春季产卵时，它们就从巴西沿海向坐落在南大西洋的沧海森松岛游去，这座小岛全长只有几千米，距非洲大陆 1600 km，距巴西2200 km；但是，绿海龟却能准确无误地远航到达。产卵后，夏初季节，它们又渡海而归，踏上返回巴西的征途。有据研究表明，绿海龟也是利用地磁[5]场进行导航的。
对多数人来说，三文鱼就是餐桌上一盘盘色彩艳丽、味道鲜美的佳肴，至于它们是怎么在这个世界上生活的，怕是了解的人不多。其实这也难怪，虽然今天人类科技水平相当发达，但人类对三文鱼的习性的掌握还相当初级。例如，成年三文鱼是根据什么来寻找它们当年的出生地这个问题，目前的学术界还只能笼统地猜测它们是根据水中的气味来辨别方向的。对三文鱼的研究之所以困难，最主要的原因还是因为三文鱼属于回游鱼类的缘故。三文鱼的一生大致经过三个阶段，第一阶段，三文鱼从鱼卵变成小鱼苗后要在淡水中生活一段时间才会游向大海，这段时间的长度并不固定，有的三文鱼在成鱼一年后便离开自己的出生地，但有的三文鱼却会在淡水中生活很久，加拿大魁北克地区就曾发现过在淡水中生活8年后才游到海中的三文鱼。在这一阶段，估计有40%以上的三文鱼苗会被其他捕食者吃掉。海水中的三文鱼，是其一生中身体成长的最重要阶段，它们在短时间内变得又大又肥。但在辽阔的大海里，三文鱼的安全也得不到保障，海豹、格陵兰鲨、银鳕鱼，还有我们人类，都将三文鱼视作美餐，这一阶段大约70%的三文鱼被吃掉。在海洋中生活1～4年，当那些幸存的三文鱼完全长大成熟后，它们将开始它们最后旅行，返回自己的出生地，产卵繁殖。由于安大略湖水域三文鱼的海中栖息地在格陵兰岛大陆架附近，从格陵兰岛游到多伦多的直线距离比哈尔滨到广州的距离还要远，实际上，三文鱼是不可能沿直线游行的，因为这个世界上没有哪条河是笔直的。旅途中的三文鱼既不能乘火车更不能坐飞机，就那么一下一[6]下地游，路途遥远先不谈，单说不迷路就是个奇迹。
人类利用天上卫星导航，可以不迷路，南飞的大雁利用地面的湖泊山川作为地标，也可以不迷路，但三文鱼的周围都是水，水与水之间是没什么不同的，它们没有任何参照物，那么三文鱼到底是靠什么辨别方向的呢？它们可能凭借脑海中的记忆，那是多年前儿时的记忆，但就是凭着这样的记忆，三文鱼，游回来了。哥那拉斯加（Ganaraska）河（见图1.2）位于多伦多东100 km左右的Port hope镇附近。这条河流程不长水量不大，但对三文鱼来说，这里却是它们的圣地。据安大略省资源厅统计，来到哥那拉斯加河产卵的三文鱼数量要大于从哥那拉斯加游向大海的三文鱼的数量，这说明，一方面加拿大三文鱼的生存环境正在改善，鱼类数量整体在增加；另一方面也说[6]明，很多不是出生在哥那拉斯加河的成年三文鱼却来到这里产卵。图1.2 哥那拉斯加河
两座灯塔之间，就是哥那拉斯加河的入湖口。与浩瀚的安大略湖相比，这个入湖口可能连针鼻大小都赶不上。但哥那拉斯加河的三文鱼，都是从这个狭小的湖口游进来的，它们是怎么找到这儿的呢？
目前的解释是，水中的鱼儿能在波涛汹涌的海洋中按一定的方向去导航。这比鸟的迁途能力更为奇特。海水是导电的，当它在地球的磁场流动的时候就产生电流。于是，鱼儿便利用这个电流信号，灵敏[6]地校正自己的航行方向。还有人对鳗鲡进行了细致的观察，初步发现，鱼脑能对微弱的电磁场做出反应，地磁场是对鳗鲡提供信息源。因此，美洲的鳗鲡习惯于航行很长的距离后到达产卵场所，产卵后又返回它们原来的“基地”。
同样，还有远在加勒比海沿岸水域生活着一种形体较大的节肢类动物—大鳌虾，这种动物白天栖息在暗礁中，晚上出来活动觅食。让科学家感到迷惑不解的是，这种动物在离开其巢穴一段距离后仍能准确无误地找到自己的巢穴。它们是如何在漆黑一片的大海中找到归途的呢？美国科学家发现它们体内生有一个能辨认方向的“磁罗盘”。
科学家在对赞比亚地下鼹鼠的研究中，发现在名为上丘脑的大脑结构中有些神经细胞是这种动物生物“指南针”的一部分。这些细胞组对不同磁场方向会做出有选择性的反应。鼹鼠利用这些磁感觉信息合成了一幅它们周围环境的心理地形图，而其他的动物用不同感官信息来达到同样的地形图。
每年深秋，数百万的王斑蝶都要从美国和加拿大的栖息地迁徙到墨西哥中部山区越冬，行程可达 3200 km，堪称昆虫迁徙距离之最。但这些王斑蝶却是前一年春季自墨西哥返回到北美等地区的王斑蝶后代，从未飞到过墨西哥，它们靠什么认路呢？人们曾经认为这些蝴蝶以太阳作为指南针来导航，但在乌云蔽日的天气中它们照样迁飞。研究人员在实验室中对秋季王斑蝶进行测定发现，将王斑蝶放在正常的磁场中，它们朝西南方向飞行，与从美国东部向墨西哥方向迁飞的方向一致。而将其放在逆向磁场中，则纷纷朝向东北方向迁飞。撤掉磁场时，则呈现漫无目标的乱飞状态，这表明王斑蝶体内存在磁性物质，其迁飞方向也与体内磁性物质有关。
动物界中还有许多种类可以不同程度地感知所在环境的红外辐射，对红外辐射的感知通常表现为对环境热源温度信息的感受，最常见的是体表感温以选择或适应环境。而蝮亚科蛇类（Crotalinae）在演化过程中，产生了特有的信号接收器官—颊窝，进化出专用的红外感知系统，对温度信息有着极高的灵敏度和精确度，甚至达成类似视觉的目标识别与定位功能。
蝙蝠是唯一有飞行能力的哺乳动物，经过长期的演化，其结构和功能达到了一种完美的高度。现分布于世界各地的蝙蝠均属于哺乳纲（Mammalia）翼手目（Chiroptera）。根据其形态等，可进一步分为大蝙蝠亚目（Megachiroptera）和小蝙蝠亚目（Microchiroptera），前者除果蝠（Rusettus）属外，均不使用回声定位；后者则都具有回声定位能力，而视觉系统相对原始，故将它们称为回声定位蝙蝠[2]（Echolocatingbat）。图1.3 蝙蝠超声波定位
科学家曾在16只座头鲸身上安装了跟踪设备，然后利用卫星技术进行跟踪。这些座头鲸从南大西洋和南太平洋向北游了数千千米，偏离洄游路线不会超过 5°。人们一直认为很多动物在进行远距离迁移时利用地球磁场或太阳方位进行导航。但科学家表示，这两种方法都无法解释座头鲸如此超凡的导航能力，因为地球的磁性变化太大，无法解释座头鲸的直线洄游，而在水里也无法找到太阳导航所需的参[9]考点。他们因此怀疑座头鲸采用了一种组合导航的方式。
研究动物的超级感知能力，不但可加深我们对大自然的理解以便更好地保护生物多样性，还可以为工程设计提供新灵感、新原理和新材料，这在国家安全、公共安全、工业检测、医学检验等领域都有极广阔的应用前景。1.1.2 生物定位类型
定位无处不在，在自然界中的动物具有某些人类所没有或超越人类的感知能力。例如，夜行性的肉食动物狼、猫和鸮等有超强的夜视能力；一些昆虫、鱼类和鸟类可以看见紫外或偏振光；少数昆虫、蛇类和蝙蝠可以感知红外辐射；多数蝙蝠和海豚可以听到超声波并借此回声定位；大型动物如鲸类和大象可以听到次声波；部分鱼类、鸟类和海龟借助地磁导航和定向；电鱼可以感知水体的电场变化；鳞翅目[8，9]昆虫几乎可以检测空气中的单分子信号。
1.红外感知
强大的红外感知系统使蝮蛇在夜间或洞穴等黑暗环境下，可以有效地捕捉小型哺乳类和鸟类等温血动物（见图 1.4）。蝮蛇的捕食行为与视觉、红外觉、嗅觉、震动感知等神经系统密切相关，具体到对活体猎物的识别与定位，又特别依赖于视觉与红外觉两个系统。自然环境中，亮度、温度、地形等因素是多变且不可控的，因此，通过两个不同的感知系统对猎物进行识别和定位，其可以有效起到互补作用，其捕食的时间和空间得到了拓展，从而提高捕食效率。图1.4 蝮蛇红外视线中的动物
与视觉系统类似，蝮蛇的红外感知系统可以根据接收、信号传导、编码还原的信息处理步骤分为3个结构部分。颊窝是蝮蛇的红外信号接收器官，是蝮亚科蛇类具有红外感知能力的物理基础。带有空间和温度信息的能量辐射到颊窝膜的外表面，激活了分布于膜中的感受单元—三叉神经末梢（TNM），完成了外部热量信息向神经电信号的转换。随后，神经电信号经三叉神经节传递至中枢神经，在中脑视顶盖下层区域进行空间编码处理，并在此与视觉信息进行整合，最后到达端脑进行判断与决策。
2.回声定位
尽管回声定位蝙蝠种类繁多，其实可根据它们发出的回声定位信号模式大体上归为 3类：即恒频-调频（Constant Frequency-Frequency Modulation，CF-FM）蝙蝠，如胡须蝠（Pteronotus parnellii rubiginosus）等，其发声信号由一段较长时程的CF成分后接续一段较短时程的下扫FM 成分所构成；调频（FM）蝙蝠，如大棕蝠（Eptesicus Fuscus）等，其发声信号为下扫FM声；咔哒声（Click）蝙蝠，如大蝙蝠亚目的果蝠（Rousettus），其发声信号为时程极短（40～50μs）的调频声，带宽可达80 kHz。
人们对蝙蝠回声定位的认识，从 1793 年意大利生理学家 Spallanzani 发现盲眼蝙蝠能自由飞行开始，到1938年Griffin成功地记录到蝙蝠发出的超声，100多年的历程才最终揭开“蝙蝠是通过主动发出声音信号，并听其回声来感知周围环境”的千古之谜，Griffin 于1944 年提出将自然界中利用类似声呐原理探测周围环境的过程称之为回声定位（Echolocation）。至此，蝙蝠研究进入了一个全新的时代。
蝙蝠的回声定位系统主要由发声系统、听觉系统和运动系统所组成。不同模式的回声定位信号，在回声定位方面有不同特点，如CF信号和CF-FM信号中的CF成分最适宜传递目标速度信息；而FM信号和CF-FM信号中FM成分最适宜传递目标特征和距离信息。飞行过程导致的多普勒频率漂移（Doppler Shift）不但能传递与蝙蝠相对飞行速度有关的信息，而且还能传递有关昆虫翅振（Wing Glint）信息。回波的振幅能传递目标（Target）大小信息，回波延迟时间可传递靶物距离信息，回声中分频率的振幅和 FM 成分的变化能传递有关目标质地等信息，回声到达两耳间的时间差、频率差乃至相位差可提供目标的经向（Azimuth）方位信息，而每只耳的外耳产生的声波干涉图景可提供目标的俯仰方位信息。
在神经解剖学结构研究方面，发现与回声定位相关的结构高度特化，显示出蝙蝠听觉系统对回声定位的适应。
● CF-FM 蝙蝠耳蜗基底膜对回声定位信号主频异常敏感，形成所谓“听觉中央凹（Auditory Fovea）”；
● 中脑下丘增大，某些结构出现分化；
● 腹前耳蜗核（Aterior-Vetral Nucleous of Cochleanucleous，AVCN）极度增大，甚至在 CF-FM蝙蝠的AVCN边缘区出现一群大而独特的多极神经元；
● 从腹后耳蜗核（PVCN）到上橄榄复合体（SOC）存在直接输入，明显地有别于其他哺乳类动物；
● 在胡须蝠的内侧上橄榄核（MSO），与非回声定位哺乳动物相比，其神经元仅接收来自对侧AVCN的单耳输入，这可能更有利于精确地处理耳间时间差（ITD）；
● 外侧丘系核（Lateral Leminiscus）的腹侧核和中间核显示出异常增大和超常组构。
另外，近期的一项脑核磁共振成像和组织学比较研究显示，使用CF-FM和FM声脉冲进行回声定位的蝙蝠要比啮齿类（大鼠和小鼠）有更大的耳蜗和更多的转数（Turns），这些差别与它们所发出的生物学相关的声信号及听觉行为相关。
在听觉细胞的功能和机制研究方面，在近40多年来，被认为对以下诸方面给予了强烈的关注，如：
● 回声延迟（Echo-delay）或靶物距离（Target Range）调谐；
● 听觉神经元的频率调谐与“听觉中央凹（Auditory Fovea）”；
● 皮质功能组构的模块性（Modularity）；
● 神经元反应潜伏期的动态性；
● 声刺激的时程调谐；
● 目标选择性神经元与尺度（或大小）不变性（Scale invariance）。
此外，还值得关注的是在蝙蝠听觉调控方面，发现既有同一中枢内细胞间的调控，也有不同中枢间的调控，还有高位中枢对低位中枢的所谓离皮质调控。自20世纪末以来，在大棕蝠和胡须蝠上发起了一系列有关离皮质调控研究，证实了蝙蝠脑内存在对听觉输入精细的离皮质调控机制。这种机制对皮质下中枢对听觉输入产生更精准的反应，以及在成年后为适应环境而形成听觉可塑性，提供了一种结构和功能的保障。人和动物的行为总是处于神经系统的控制之下，对听觉系统怎样加工人和动物行为相关的复杂声信号，所知甚少。近年来，在大蹄蝠（Hipposideros Armiger）和普氏蹄蝠（Hipposideros Pratti）上用模拟的回声定位声信号进行研究，获得了某些新的认识，发现听觉中脑—下丘神经元对这种行为相关CF-FM声信号以特异性的模式来反应，呈现出Single-On（SO）和Double-On（DO）反应模式，但对纯音和 FM 刺激未见有反应模式的差异。进一步研究还发现，这两类神经元在潜伏期、恢复周期，以及所占比例方面均有明显不同，提示有可能是与蝙蝠回声定位行为和回声信息加工相关的特殊反应模式。
在蝙蝠行为学研究方面，早期用粉虫（Mealworm）与塑料块混合后作为空抛物做目标识别，以及用细钢丝列成的飞行屏障做空间分辨率行为学测试，证实了它们有很高的目标识别能力和空间分辨率。通过录制蝙蝠追踪猎物过程中的发声信号，发现在捕获相可高达100 次/秒以上，针对这种行为表现的电生理实验证据表明，蝙蝠的听中枢神经元具有很高的时间分辨率，以及从高脉冲重复率的回声中提取信息的能力。众所周知，人声调的性别差异总体上是“女高男低”，而近期在普氏蹄蝠上的研究发现，其声调却是“男高女低”，显示出雌雄二态性（Sexual Dimorphism）。蝙蝠为了有效地发现目标和锁定目标，它们能通过调节其口形（Mouth Gape）聚焦声呐场（Sonar Field）和调控发声信号的声束以锁定目标。可见，在我们人类知道用雷达（Radar）聚焦和锁定目标之前，蝙蝠使用这种技能已经先于我们千万年。对蝙蝠的巡航研究发现，它们能根据回声携带的信息计算出外界物体在三维空间（Three Dimensions，3D）中的位置；近期还获得了它们的大脑能对头部方位进行3D编码的证据；这种3D空间的辨别能力不仅有助于巡航，亦能用于分类外界物体。由于蝙蝠在追踪猎物时，会因飞行而使回声 CF 成分产生多普勒频率漂移，这就需要蝙蝠根据频率漂移幅度和飞行速度计算出发声频率的补偿值，确保回声主频总是落在耳蜗基底膜的“听觉中央凹”。人工回声测试表明，蝙蝠能主动降低发声频率以补偿产生的多普勒漂移，保持回声频率处于主频或主频附近。近期研究显示，这种频率补偿行为受到听中枢的调控。“利己”和“共享”现象同样存在于蝙蝠中，有研究观察到同种蝙蝠一同飞行时，它们可交替发声并神奇地共享其回声。
这一发现说明大棕蝠可借助地球磁场来做远距离导航，并在夜间飞行拥有超常的感觉能力。总之，无论是对这种动物物种所表现出的神奇的回声定位行为，还是它们与哺乳类乃至人类所共有的基本听觉机制，均值得人们持续给予关注和研究。
3.动物磁定位
地磁又称为地球磁场，特指地球周围空间分布的磁场，近似于一个位于地球中心的磁偶极子的磁场。它的磁南极（S）大致指向地理北极附近，磁北极（N）大致指向地理南极附近，与北极和南极形成一个11.3°的磁偏角。地表各处地磁场的方向和强度都因地而异，地磁强度由赤道向两极呈现由低到高的态势。磁倾角（Magnetic Inclination）是指地磁场中任一点磁感应强度矢量与水平面的夹角，磁偏角（Magnetic Declination）是指地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。地磁的这些特征，构成了相对稳定的地理信息。动物在迁徙过程中常利用地磁信息来定向和导航，因此磁感知成为一个热门的研究领域。
目前通过对多类动物进行磁感知的研究表明，甲壳动物（5种）、昆虫（9种）、硬骨鱼（4种）和哺乳动物（3种）可利用磁偏角信息进行定向和导航；两栖类（4种）、爬行类（2种）和鸟类（20种）则是基于磁倾角信息进行定向和导航。
大量证据显示海龟（Caretta Caretta）远距离迁徙依赖地磁导航，科学家在实验时设计在80°西经线的北纬61.2°（A）和55.4°（B）两点，以及20°北纬线的西经66.1°（C）和23.3°（D）两点，释放小海龟。结果显示，4个位置释放的海龟朝不同的方向运动，如A点朝向171.7°；B点朝向15.8°；C点朝向50°；D点朝向217°。现已知道，海龟围绕大西洋做顺时针洄游，洄游路线正好穿过上述的4个地理位置，而小海龟的朝向也正好是洄游的方向。
家鸽（见图 1.5）返巢（Homing）的初始阶段也可能是依赖地磁信息导航的，因此有科学家开展了磁场导航的干扰实验。温特图尔位于瑞士的北部，实验鸽长期饲养于此。在实验鸽的头部靠近耳的位置黏附微小的磁石（有研究显示鸟类的内耳毛细胞富含铁元素），然后分别在温特图尔东边的德国林道（Lindau）附件和南边的洛桑附件释放。结果显示，在林道释放的大部分对照组鸽当天返回巢穴，贴磁石的大部分实验组鸽第二天返回；在洛桑释放的实验组和对照组都大部分当天返回，组间无差异。图1.5 家鸽
大型哺乳动物也有较精确的磁感知能力。通过谷歌地球的卫星照片、实地观察和测量雪地“鹿床”的头部朝向，发现不管是采食还是睡觉，家畜牛和野生鹿的头部都指向磁极，即北半球的动物头部倾向于朝向地理北极附近的磁南极（S），而南半球的动物倾向于朝向地理南极附近的磁北极（N），而与地理南极和北极保持约10°的偏差。由于数据是在全球范围内收集的，基本排除了气候和光照等因子的作用。中国风水也强调睡觉“应顺地磁，即南北向，或夏至朝南、冬至朝北”。科学家们对宝兴树蛙（Rhacophorus Dugritei）的产卵观察，发现地面的卵泡（由保湿泡沫和卵构成）大致呈梭状，产卵从西北向开始，向东南延伸，形成一个指向东南的条带状卵泡。将树蛙移至室内的塑料盆中，完全遮蔽光线，产卵的方向还是指向东南方约140°的方位。
近年来，研究多集中在磁感应器本身、位置、结构、机制等。目前有两个理论比较流行，即铁小体理论和配对电子理论。前者是指生物矿化的磁小体连接到机械敏感结构；后者涉及短寿命基团对的中间态，一种磁敏感的量子化学反应过程。含铁小体的细胞在动物体的分布很广，在鱼类的鼻腔、鸟类喙部和内耳都存在。在虹鳟鱼（Oncorhynchusmykiss）三叉神经的浅表眼支（RosV）记录到磁刺激相关的神经电反应，这些神经电可以反向追踪到嗅上皮。将嗅上皮细胞打散到培养液中，外加一个旋转磁场，显微镜下可观察到极少数细胞（1～4/10000）随磁场的旋转而旋转。X-射线光谱显示，这些细胞[8]富含铁晶体。信鸽（Columbalivia）通过条件反射训练，能够识别地磁场的异常变化。如果在其喙上部靠近鼻腔有蜡质结构（Cere）的地方安置磁小体，或局部麻醉喙上部，或切断两侧的三叉神经眼支，都使信鸽失去这种识别能力。在喙上部蜡质结构中，发现大量的细胞含有铁晶体。野外的放飞实验也证明局部麻醉，会导致信鸽返巢行为异常。有意思的是，随后的实验结果反对这些含铁细胞是磁感应相关的神经元，而是一些巨噬细胞，属于免疫系统。在鸟类的内耳前庭系统的细胞中发现富含铁晶体的细胞器，直径为 300～600 nm，由铁蛋白颗粒组成。这种细胞器在鸟类中广泛存在，但在人类和小鼠中则不存在。
一些昆虫、鸟类和两栖动物的磁感知是可见光依赖的，因此推测光感受系统如视觉和松果体参与其中。对蝾螈、蛙、果蝇和欧洲知更鸟的测试，发现蓝光与黄光伴随的磁定向有很大的相差。如在东方红斑蝾螈（Notophthalmus Viridescens），光波长λ≤450 nm依赖的磁定向与≥500 nm光照下的磁定向相差90°。这个系统似乎涉及两个不同的过程。不同的光强也可导致磁定向的偏差，如春天的欧洲知更鸟在低光强下（7×1015quanta s-1 m-2）趋向向北飞，而在高光强下（43～44×1015quanta s-1 m-2）则改为东西向飞行。脑功能的偏侧性广泛存在，但在光依赖的磁感应中达到极致。实验证明，遮蔽欧洲知更鸟（Eritha Cusrubecula）的右眼可以完全消除磁定向能力，即只有右眼具有磁定向功能；而在家鸽中这种偏侧性在磁感知水平不存在，但在认知水平左右脑起不同的作用。
光依赖的磁定向可能是基于一个受磁场作用的单隐花色素的光学系统。短波长依赖的光致还原过程诱导黄素隐花色素（Flavin Cryptochrome）部分还原，形成氧化还原基团对（FADox→FAD），而长波长依赖光氧化过程诱导黄素基团氧化，返回到氧化态（FAD→FADox）。在持续光照下，基团的进一步光致还原，形成全还原态（FADH-）；在完全黑暗的环境，则再次氧化成为全氧化态（FADox）。黄素隐花色素的这个可逆反应，在3种氧化还原态中产生光致平衡来决定分子的信号激发/非激发的比例。基于隐花色素的分子阵列，磁场的作用在于信号状态的维持，以及对光的反应，以此提供磁场方位信息。该机制的前提是基团对的磁场效应能够从入射光因光强和频谱差异所导致的变化中分离出来。该理论的一个致命挑战是基团对只对以极高频率变换的磁场反应，而地磁场是静态的。然而，欧洲知更鸟的磁定向能力显著地受到宽带频率（0.1～10 MHz）或单一频率（7 MHz）的垂直向磁场的干扰。
近几十年来，对动物的红外传感与成像（昆虫、蛇类和蝙蝠），回声定位（蝙蝠、海豚和鲸类），以及地磁导航（海龟、知更鸟和家鸽）的研究，在传感的分子、神经元反应特性及其信息处理、神经环路和行为等方面，都取得了显著的成果，但还处在重大突破的前夕，一些基本科学问题依然有待解决。如TRPA1通道如何受红外辐射而开闭，中枢神经的回声Map在哪里以及如何认知，有关磁感知的争论依然存在。1.1.3 生物定位应用
无人机最早在20世纪20年代出现，当时是作为训练用的靶机使用的。随着21世纪科学技术飞速发展，对无人机的研究有了长足的进步，其不仅有着广泛的应用领域，如航拍、农业植保、测绘等，更是在未来战争中起着关键的作用。无人机的导航性能是决定其飞行准确性的重要因素，其自助定位水平又是衡量其导航性能的一大重要指标。将生物科学和技术科学结合与渗透，人类开辟了一项新的技术，并诞生了一门边缘科学—仿生学。仿生学是指人类模仿生物的某些能力来应用于发明创造的科学，在飞机制造的发展中，仿生学就给人类提供了很多灵感，如机翼曲线与鸟类、机翼震颤与蜻蜓翼尖小翼等。（http：//www.chinabaike.com/t/30826/2015/1120/3870665.html）
在2013年，亚马逊CEO宣布将推出一套可以在30分钟以内，将产品运送到顾客手中的无人直升机运输系统—Amazon Prime Air。2016年1月，亚马逊公布了无人机送货的一些细节，其为自己设定的目标是：递送距离必须超过16 km。这些无人机重约25千克，最多可以递送2.25 kg的商品。亚马逊全球公共政策副总裁保罗·米塞纳（Paul Misener）提到：亚马逊有不同的无人机，并且在同时使用它们，不同的无人机被用于执行不同的递送任务；亚马逊的美国客户有的生活在炎热、干燥、尘土飞扬的地方，有的生活在炎热、潮湿、经常降雨的环境中；同样，他们生活在各种各样的建筑中，比如乡村农场或城市高楼大厦等。要为所有客户提供递送服务，需要不同的无人机才能办到。直至目前，亚马逊的无人机送货业务仍未投入大规模商用。（http：//news.xinhuanet.com/tech/2016-11/18/c_1119937149.htm）
2016年6月19日，一架京东无人机在江苏宿迁市曹集乡同庵村居委会内缓缓起飞，10分钟后，到达5 km外的旱闸村居委会。当地的京东推广员接收包裹，无人机送货顺利完成第一单（见图1.6）。京东表示，无人机将正式投入农村物流试点运行。此次京东展示的三款无人机载重量为 10～15 kg 不等，具备自动装卸货功能。无人机的飞行距离为 5～10 km，货物送到后可按指令自动返航。京东 JDX 事业部负责人肖军介绍，此次所展示的无人机都是自主研发的，包括长航时、大载荷等在内的特点专为农村设计。“在安全性方面，无人机将会按照提前规划好的航线飞行。规划航线时，已经避开了学校、居民区等人员密集的场所。”如今，国内大型电商纷纷开始布局农村，但是快递的“最后一公里”始终是个难题。肖军介绍，目前，农村送货成本5倍于城市，而无人机的使用能够很好地解决成本问题。“根据目前的测试，正常情况下，京东无人机往返 10 km，成本还不到 1 度电，也就是不足 0.5 元，而且也比汽车配送要快。”（http：//china.huanqiu.com/hot/2016-06/9023221.html）图1.6 京东无人机送货1.2 现代定位技术1.2.1 人类定位需求
定位技术应用在各个领域，无所不在，如在鼠标中通过各种技术实现屏幕中光标的定位，VR眼镜焦点定位，触摸屏焦点定位，相机拍照捕获人脸定位等。本节从广义的角度讲述各种定位技术。1.2.2 光学定位
本定位技术是指鼠标定位的方式，和鼠标的工作方式密切相关，常见的定位方式有光栅定位、轨迹球定位、发光二极管定位、激光定位等。（http：//baike.baidu.com/link？url=c7qF3ymsxauhcqVWspkBC894uHeUJ6snbvD7sFbXAinfr8FbMLh0GIOh1s928D8XxSovR1TA pvoqfIKGUdJyPx-aHokhYpmbzUVud92PZSPmFFyK_nqci5gdk78-abMT-4AJTSL5qttbte9LiLln JK）
1.光栅定位
光栅定位主要是机械鼠标所使用的方式，不过由于纯粹的机械鼠标现在已经基本消失，这里的机械鼠标实际是指光机式鼠标。
鼠标移动时带动胶球滚动，胶球的滚动又摩擦鼠标内的分管水平和垂直两个方向的栅轮滚轴，驱动栅轮转动。栅轮的轮沿为格栅状，紧靠格栅两侧，一侧是红外发光管，另一侧是红外接收组件。鼠标的移动转换为水平和垂直栅轮不同方向和转速的转动。栅轮转动时，栅轮的轮齿周期性地遮挡红外发光管发出的红外线照射到水平和垂直两个红外接收组件，产生脉冲。鼠标内控制芯片通过两个脉冲的相位差判知水平或垂直栅轮的转动方向，通过脉冲的频率判知栅轮的转动速度，并不断通过数据线向主机传送鼠标移动信息，主机通过处理使屏幕上的光标同鼠标同步移动。
2.轨迹球定位
轨迹球定位的工作原理和光栅定位类似，只是改变了滚轮的运动方式，其球座固定不动，直接用手拨动轨迹球来控制鼠标箭头的移动。轨迹球被拨动时带动其左右及上下两侧的滚轴，滚轴上带有栅轮，通过发光管和接收组件产生脉冲信号进行定位。轨迹球的滚轮积大、行程长，这种定位方式能够做出十分精确的操作。轨迹球另一大优点是稳定，通过一根手指来操控定位，不会因为手部动作移动影响定位。此外，现在也有使用光电方式的轨迹球，其工作原理和发光二极管定位类似。
3.发光二极管定位
发光二极管定位是大多数光电鼠标的定位方式，这是一种“电眼”的工作方式。在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面（这就是为什么鼠标底部总会发光的原因）。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。图1.7 鼠标定位原理
4.激光定位
激光定位也是光电鼠标的一种定位方式，其特点是使用了激光来代替发光二极管发出的普通光。激光是电子受激发出的光，与普通光相比具有极高的单色性和直线性，目前用于定位的激光主要是不可见光。普通光在不同颜色表面上的反射率并不一致，这就导致光电鼠标在某些颜色表面上由于光线反射率低，使DSP不能识别的“色盲”问题。此外普通光在透明等物质表面无法使用，或者产生跳动。由于激光近乎单一的波长能够更好地识别表面情况，灵敏度大大提高，因此使用激光定位的鼠标可以有效解决这些问题。1.2.3 焦点定位
众所周知，虚拟现实（VR）是一个边缘化和可跨界的行业，技术门槛要求很高，因此VR产品在技术实现上面临许多瓶颈，其中VR产品的空间定位技术一直是困扰各厂商的难题，也就是虚拟现实中焦点的定位。在主机端也只有HTC Vive解决了这个问题，移动端则更是看起来遥不可及。但是，许多的移动开发者更倾向于发力 VR 内容，研发移动端的定位技术，因为未来移动VR将是“大风口”已成为行业共识。
由于计算机屏幕只有一个，而人却有两个眼睛，又必须要让左、右眼所看的图像各自独立分开，才能有立体视觉。这时，就可以通过3D立体眼镜，让这个视差持续在屏幕上表现出来。通过控制 IC 送出立体信号（左眼→右眼→左眼→右眼→依序连续互相交替重复）到屏幕，并同时送出同步信号到3D立体眼镜，使其同步切换左、右眼图像。换句话说，左眼看到左眼该看到的景象，右眼看到右眼该看到的景象。3D 立体眼镜是一个穿透液晶镜片，通过电路对液晶眼镜开、关的控制，开可以控制眼镜镜片全黑，以便遮住一眼图像；关可以控制眼镜镜片为透明的，以便另一眼看到另一眼该看到的图像。3D 立体眼镜就可以模仿真实的状况，使左、右眼画面连续互相交替显示在屏幕上，并同步配合 3D 立体眼镜，加上人眼视觉暂留的生理特性，就可以看到真正的立体 3D 图像，如图1.8所示。（https：//zhidao.baidu.com/question/180261823061960444.html）图1.8 VR眼镜场景图
上述中的交替显示模式的工作原理如下（https：//wenku.baidu.com/view/e9672bc6aa00b 52acfc7caaf.html）：（1）交错显示模式的工作原理是将一个画面分为二个图场，即单数描线所构成的单数扫描线图场或单图场，以及偶数描线所构成的偶数扫描线图场或偶图场。在使用交错显示模式进行立体显像时，我们便可以将左眼图像与右眼图像分置于单图场和偶图场（或相反顺序）中，我们称此为立体交错格式。如果使用快门立体眼镜与交错模式搭配，则只需将图场垂直同步信号当作快门切换同步信号即可，即显示单图场（即左眼画面）时，立体眼镜会遮住使用者的一只眼，而当换显示偶图场时，则切换遮住另一只眼睛，如此周而复始，便可达到立体显像的目的。（2）画面交换，它的工作原理是将左右眼图像交互显示在屏幕上的方式，使用立体眼镜与这类立体显示模式搭配，只需要将垂直同步信号作为快门切换同步信号即可达成立体显像的目的。而使用其他立体显像设备则将左右眼图像（以垂直同步信号分隔的画面）分送至左右眼显示设备上即可。（3）人之所以能够看到立体的景物，是因为双眼可以各自独立看东西，左右两眼有间距，造成两眼的视角有些细微的差别，而这样的差别会让两眼看到的景物有一点点的位移。而左眼与右眼图像的差异称为视差，人类的大脑很巧妙地将两眼的图像融合，在大脑中产生出有空间感的立体视觉效果。1.2.4 触摸屏定位
随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多地使用触摸屏，因为触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的，而且又适用于多媒体信息查询的输入设备。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互变得更为直截了当。这种技术极大方便了那些不懂电脑操作的用户，这种人机交互方式赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要有公共信息的查询，如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外还可广泛应用于工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等，将来触摸屏还要走入家庭。随着城市信息化的发展和电脑网络在日常生活中的渗透，信息查询都会以触摸屏—显示内容可触摸的形式出现。
为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，必须首先用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成：触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接收后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为 电 阻 式、电容式、红外线式和表面声波式。（http：//baike.baidu.com/link？url=qyr5RSCxGLIEhWraqexw4Wnu7PKn3SB8cv4Oa38xo17gQobB0necDpFfcs4j9rRtOjY_HuAv9-Gvye fvYvj7n-1K2e9GN63kWJG5id6ng-0KUSQUNNhf_tj_oKJ55MGzXk0w6Jm06R7HOVXVS4zHQ_）
1.电阻式触摸屏
电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点（X，Y）的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。
这种触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也涂有一层涂层，在两层之间有许多细小的（小于 1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送至触摸屏控制器。触摸屏控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。
2.电容式触摸屏
电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的，它是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是薄层矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层，以保证良好的工作环境。当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，可得出触摸点的位置。
3.红外线式触摸屏
红外线式触摸屏是利用 X、Y 方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外线式触摸屏在显示器的前面安装一个电路板技术，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。早期，由于红外线式触摸屏存在分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，而一度淡出过市场。此后第二代红外屏部分解决了抗光干扰的问题，第三代和第四代在提升分辨率和稳定性能上亦有所改进，但都没有在关键指标或综合性能上有质的飞跃。但是，红外线式触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势。采用声学和其他材料学技术的触屏都有其难以逾越的屏障，如单一传感器的受损、老化，触摸界面怕受污染、破坏性使用，维护繁杂等问题。
4.表面声波式触摸屏
以右下角的X轴发射换能器为例：发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X 轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号。不难看出，接收信号集合了所有在X轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在Y轴走过的路程是相同的，但在X轴上，最远的比最近的多走了两倍X轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是X轴坐标。发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指或其他能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X 轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反映在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。之后Y轴以同样的过程判定出触摸点的Y坐标。除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值，这是由接收信号衰减处的衰减量计算得到的，三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。
典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图 1.9 所示，两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物（ITO）涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为黏性绝缘液体材料，如聚酯薄膜。电极选用导电性能极好的材料（如银粉墨）构成，其导电性能大约为ITO的1000倍。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]