原文:Documentation/input/multi-touch-protocol.txt
翻译:@wengpingbo
校订:@lzufalcon

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多点触控协议

Copyright (C) 2009-2010 Henrik Rydberg rydberg@euromail.se

介绍

为了充分利用多指触控和多用户设备,我们需要一种能够上报多点接触的数据的方法,例如物体直接和设备表面接触。这个文档描述了一种多点触控协议,它允许内核驱动上报任意数量的触摸点数据。

这个协议根据硬件的能力,可以分为两种。对于不区分触摸点的设备(Type A),该协议描述了怎样把所有触点的原始数据传送给接收者。对于能够跟踪可辨别的触点的设备(Type B),该协议描述了怎样把独立的触点更新数据通过事件通道上报上去。

协议用法

触点的数据是通过独立的 ABS_MT 事件顺序送出。只有 ABS_MT 事件才会被识别为触点数据的一部分。目前,这些事件会被单点触控应用忽略掉,所以多点触控协议可以在已存驱动中得单点触控协议之上实现。

对于 TYPE A 的设备驱动来说,触摸数据是通过在数据包最后调用 input_mt_sync() 来分割的。这会生成一个 SYN_MT_REPORT 事件,从而通知接收者接受当前触摸数据,并准备下一次接收。

对于 TYPE B 的设备驱动来说,触摸数据的分割是通过在每一个数据包之前调用 input_mt_slot(),该函数带有一个 slot 参数。这会生成一个 ABS_MT_SLOT 事件,通知接收者准备接受指定通道的更新。

所有驱动都是通过调用 input_sync() 函数来标记多点触摸传输的结束。这会通知接收者处理在上一次 EV_SYN/SYN_REPORT 事件之前累计的事件,并准备接收一批新的事件 / 数据包。

无状态的 TYPE A 协议和有状态的 TYPE B 协议之间主要的差别在于对可分辨的触摸点的使用,来减少传送给用户空间的数据总量。TYPE B 协议要求使用 ABS_MT_TRACKING_ID,通过硬件提供,或者通过原始数据计算出来 [5]。

对于 TYPE A 的设备,内核驱动应该为当前还在设备上的所有触摸点生成一个随机的枚举(注:编号??)。数据包在事件流上出现的顺序并不重要。事件过滤和手指跟踪是留给用户空间去做 [3]。

对于 TYPE B 的设备,内核驱动需要把每一个可分辨的触摸点和一个通道联系在一起,并且使用该通道来传送该触摸点的变动。触摸点的创建,替换和消除可以通过修改相应通道的 ABS_MT_TRACKING_ID 来实现。一个非负数的 TRACKING_ID 代表一个触摸点,-1 代表一个不使用的通道。一个新的 TRACKING_ID 代表一个新的触摸点,而一个不出现的 TRACKING_ID 代表触摸点已经移除了。由于是增量传递,接收端会保留每一个触控点的全部状态属性。当接受到一个 MT 事件后,只需要更新当前通道特定的属性。

有一些设备能够分辨亦或跟踪多个可以上报给驱动的触摸点(注:这里原文是 more contacts than they can report to the driver,但语义不通。这里根据上下文把 than 改为 that 来翻译)。该类型设备的驱动应该把硬件上报的每一个触摸点都和一个 Type B 的通道相关联。当区分出和一个通道相关联的触摸点改变时(原文:identity of the contact associated with a slot changes),驱动应该通过改变它的 ABS_MT_TRACKING_ID 来关闭该通道。若硬件上报有新增的触摸点(注:??),驱动应该使用 BTN_TOOL_*TAP 事件来通知用户空间当前硬件上跟踪的触摸点总数。当调用 input_mt_report_pointer_emulation() 时,驱动应该明确的发送 BTN_TOOL_*TAP 事件,并且把 use_count 置为 false。驱动最多只能创建硬件支持的最大触摸点数的通道。用户态程序可以通过发现最大支持的 BTN_TOOL_*TAP 事件比 ABS_MT_SLOT 轴上报的 Type B 通道的总数大,来检测出这种情况。(注:??)

ABS_MT_SLOT 轴的最小值必须为 0。

Type A 协议示例

这是 Type A 协议设备下双指触摸所需要的最少事件序列:

ABS_MT_POSITION_X x[0]
ABS_MT_POSITION_Y y[0]
SYN_MT_REPORT
ABS_MT_POSITION_X x[1]
ABS_MT_POSITION_Y y[1]
SYN_MT_REPORT
SYN_REPORT

移动其中一个手指产生的事件序列跟上面基本一致;在每个同步事件 SYN_REPORT 之间,将会发送所有触摸点的裸数据。

这是抬起第一个触摸点所产生的事件序列:

ABS_MT_POSITION_X x[1]
ABS_MT_POSITION_Y y[1]
SYN_MT_REPORT
SYN_REPORT

这是抬起第二个触摸点所产生的事件序列:

SYN_MT_REPORT
SYN_REPORT

如果驱动除了上报 ABS_MT 事件之外,还上报了 BTN_TOUCHABS_PRESSURE 中的一种,则最后的 SYN_MT_REPORT 事件可能会被忽略掉。此外,SYN_REPORT 事件也会被 INPUT 核心系统丢掉,导致触点清除事件(注:zero-contact event)无法到达上层。

Type B 协议示例

这是 Type B 协议设备下两指触摸产生的最少事件序列:

ABS_MT_SLOT 0
ABS_MT_TRACKING_ID 45
ABS_MT_POSITION_X x[0]
ABS_MT_POSITION_Y y[0]
ABS_MT_SLOT 1
ABS_MT_TRACKING_ID 46
ABS_MT_POSITION_X x[1]
ABS_MT_POSITION_Y y[1]
SYN_REPORT

这是 ID 为 45 的触点在 X 轴方向移动时产生的事件序列:

ABS_MT_SLOT 0
ABS_MT_POSITION_X x[0]
SYN_REPORT

这是通道 0 上得触点抬起后产生的事件序列:

ABS_MT_TRACKING_ID -1
SYN_REPORT

当前通道已经是 0 了,所以 ABS_MT_SLOT 事件被忽略掉了。这个消息的意思是移除通道 0 和触点 45 之间的联系,因此会清除触点 45,并释放通道 0,其他触点就能重复使用。

最后,是第二个触点抬起时产生的事件序列:

ABS_MT_SLOT 1
ABS_MT_TRACKING_ID -1
SYN_REPORT

事件的用法

ABS_MT 系列事件都带有不同的属性。这些事件分为几类,允许部分实现。最小集合包括 ABS_MT_POSITION_XABS_MT_POSITION_Y,用来跟踪多个触点。如果设备支持这个特性,ABS_MT_TOUCH_MAJORABS_MT_WIDTH_MAJOR 可以分别用于表示触点真实接触面积的宽度和触点本身的宽度。

TOUCHWIDTH 参数有一个几何上得解释;想象一下有一个人把一个手指按压在玻璃面板上。你将会看到两个区域,一个是内部手指真正触摸在玻璃面板上的区域,另外一个是手指外围形成的一个区域。真实的触摸区域(a)的中心坐标用 ABS_MT_POSITION_X/Y 表示,而手指外围区域(b)的中心坐标用 ABS_MT_TOOL_X/Y 表示。真实触摸区域的直径用 ABS_MT_TOUCH_MAJOR 指定,手指的直径是 ABS_MT_WIDTH_MAJOR 指定。现在想象一下这个人用力按压玻璃面板,通常,真实触摸的区域将会增加,ABS_MT_TOUCH_MAJOR / ABS_MT_WIDTH_MAJOR 的比例也会随着压力的增大而增大,但总是比 1 小。对于能感知压力的设备,ABS_MT_PRESSURE 可以用于上报设备上的压力值。支持悬浮操作的设备可以用 ABS_MT_DISTANCE 来表示当前触摸距离面板表面的距离。

      Linux MT                               Win8
         __________                     _______________________
        /          \                   |                       |
       /            \                  |                       |
      /     ____     \                 |                       |
     /     /    \     \                |                       |
     \     \  a  \     \               |       a               |
      \     \____/      \              |                       |
       \                 \             |                       |
        \        b        \            |           b           |
         \                 \           |                       |
          \                 \          |                       |
           \                 \         |                       |
            \                /         |                       |
             \              /          |                       |
              \            /           |                       |
               \__________/            |_______________________|

除了 MAJOR 参数外,触摸和手指的椭圆形状也可以通过添加 MINOR 参数来表示,这样 MAJORMINOR 就分别代表椭圆的长短轴。椭圆形触摸的方向可以通过 ORIENTATION 参数来表示,手指形成的椭圆形朝向是由向量 (a - b)决定。

对于 Type A 的设备来说,未来的标准中,触摸形状可能用 ABS_MT_BLOB_ID

ABS_MT_TOOL_TYPE 用于指定触摸工具是手指,触摸笔或者其他工具。最后,ABS_MT_TRACKING_ID 事件可以用来跟踪不同事件下相同的触点 [5]。

在 Type B 协议中,ABS_MT_TOOL_TYPEABS_MT_TRACKING_ID 事件是在 INPUT 核心中处理的;驱动应该使用 input_mt_report_slot_state()

事件的含义

  • ABS_MT_TOUCH_MAJOR

    触点长轴的长度。该长度应该和屏幕尺寸单位一致。若屏幕有 X * Y 的分辨率,则 ABS_MT_TOUCH_MAJOR 最大的长度为对角线 - sqrt(X^2 + Y^2)

  • ABS_MT_TOUCH_MINOR

    触点短轴的长度,屏幕尺寸单位。若触点形状是圆形,该事件可以忽略 [4]。

  • ABS_MT_WIDTH_MAJOR

    触点工具长轴的长度,屏幕尺寸单位。这应该理解为触点工具本身的大小。这里假设触点的方向和触点工具的方向是相同的 [4]。

  • ABS_MT_WIDTH_MINOR

    触点工具短轴的长度,屏幕尺寸单位。若触点工具的形状是圆形,则忽略该事件 [4]。

这里可以利用上面四个事件来获取额外的触点信息。比如,可以用 ABS_MT_TOUCH_MAJOR / ABS_MT_WIDTH_MAJOR 比例来表示触摸压力的大小。手指和手掌都有不同的宽度特征,可以用来做区分。

  • ABS_MT_PRESSURE

    当前触摸区域的压力,任意单位。可以用于基于压力的设备,取代 TOUCHWIDTH,或者用于任何带有空间压力分布感应信号的设备。

  • ABS_MT_DISTANCE

    触点和屏幕表面之间的距离,屏幕尺寸单位。0 距离意味着触点和屏幕是接触的。一个正数意味着触点是悬浮在屏幕之上的。

  • ABS_MT_ORIENTATION

    触点椭圆外形的方向。该值应该描述触点中心顺时针一周中的 1/4 的方位。带符号数值的范围是随意的。但是,当触点椭圆外形和表面 Y 轴对齐时,应该返回 0 值。当椭圆外形向左转变时,应该返回负值,向右转变时,应该返回正值。当完全和 X 轴对齐时,应该返回范围最大值。

    触点椭圆外形默认是对称的。对于那些能够检测 360 度方向的设备,上报的值一定要超过范围最大值,来显示大于一周的 1/4。对于一个颠倒的手指,应该返回 max * 2

    当触摸区域是圆形时,方位是可以忽略的,或者内核驱动获取不到该信息。如果设备只能识别两个轴,不能分辨出介于两者之间的值,内核驱动可以部分支持该事件。在这种情况下,ABS_MT_ORIENTATION 的范围应该为 [0, 1] [4]。

  • ABS_MT_POSITION_X

    触点椭圆外形中心点 X 轴坐标值

  • ABS_MT_POSITION_Y

    触点椭圆外形中心点 Y 轴坐标值

  • ABS_MT_TOOL_X

    触摸工具中心点的 X 轴坐标值。若设备无法分辨触摸点和触摸工具自身时,该事件可以忽略。

  • ABS_MT_TOOL_Y

    触摸工具中心点的 Y 轴坐标值。若设备无法分辨触摸点和触摸工具自身时,该事件可以忽略。

    这 4 个位置值可以用于分割触点位置和触摸工具位置。若两者都有,工具轴是指向触点的。否则,工具轴和触点轴是对齐的。

  • ABS_MT_TOOL_TYPE

    触摸工具的类型。许多内核驱动无法分辨触摸工具的类型,例如是手指或者触摸笔。在这种情况下,这个事件应该被忽略掉。这个协议当前支持 MT_TOOL_FINGERMT_TOOL_PEN 两者类型 [2]。对于类型 B 的设备,这个事件是由 INPUT 子系统核心处理。驱动应该使用 input_mt_report_slot_state() 函数。

  • ABS_MT_BLOB_ID

    BLOB_ID 把多个包组合成一个任意形状的触点。顺序的坐标点形成一个多边形,定义了触点的形状。这是一个类型 A 设备上的匿名分组,应该和 trackingID 区分开。大部分类型 A 设备没有 ‘BLOB’ 能力,所以驱动可以安全的忽略这个事件。

  • ABS_MT_TRACKING_ID

    TRACKING_ID 标示一个触点的整个生命周期 [5]。TRACKING_ID 的数值范围应该足够大,从而保证一段时间类的每一个触点标示都是唯一的。对于类型 B 设备来说,这个事件是由 INPUT 子系统核心处理,驱动应该使用 input_mt_report_slot_state() 函数。

事件计算

由于不同硬件的差异,不可避免的会导致有一些设备比其他设备更适合多指触控协议。为了简化和统一,这个章节列举了一些特定事件的计算。

对于上报长方形触点的设备,带符号的方向是获取不到的。假定 X 和 Y 是长方形触点两边的长度,下面是一个简单的公式获取最多的信息:

ABS_MT_TOUCH_MAJOR := max(X, Y)
ABS_MT_TOUCH_MINOR := min(X, Y)
ABS_MT_ORIENTATION := bool(X > Y)

ABS_MT_ORIENTATION 的方向应该是 [0, 1],来显示该设备能够区分手指和 Y 轴对齐 (0) 和手指和 X 轴对齐 (1)。

对于带有 T 和 C 坐标的 Win8 设备,坐标映射为:

ABS_MT_POSITION_X := T_X
ABS_MT_POSITION_Y := T_Y
ABS_MT_TOOL_X := C_X
ABS_MT_TOOL_X := C_Y

不幸的是,这没有足够的信息来指出触点椭圆外形和触摸工具椭圆外形的参数,所以只能去估计。这有一个简单的方案,和之前的用法兼容:

ABS_MT_TOUCH_MAJOR := min(X, Y)
ABS_MT_TOUCH_MINOR := <not used>
ABS_MT_ORIENTATION := <not used>
ABS_MT_WIDTH_MAJOR := min(X, Y) + distance(T, C)
ABS_MT_WIDTH_MINOR := min(X, Y)

原理:我们不知道触点椭圆外形的方向,所以只能假定是圆形。触摸工具椭圆外形应该和向量 (T - C) 对齐,所以直径应该增加 (T - C) 向量的长度。最后,假定触点直径是等于工具的厚度的,这样我们就有了以上公式。

手指跟踪

手指的跟踪流程,例如给每一个表面上的触点分配一个独立 trackingID,是一个欧几里德二分图匹配问题。在每一个事件同步时,实际的触点集合和前一个同步时的触点集合是匹配的。完整的实现可以在 [3] 找到。

手势

在一个实际的创建手势事件的应用中, TOUCH 和 WIDTH 参数可以用于估算手指触摸的压力或者区分拇指和其他手指。加上额外的 MINOR 参数,我们也可以区分滑动的手指和点击的手指,若再加上 ORIENTATION,我们还可以检测手指的转动。

笔记

为了和现有的应用保持兼容,在一个手指数据包里,上报的数据一定不能识别为单一触摸事件。

对于类型 A 设备来说,由于随后相同事件类型的事件指向不同的手指,所有的触摸数据都会跳过 INPUT 过滤。

类型 A 协议的使用范例见 bcm5974 驱动。对于类型 B 协议的使用范例,见 hid-egalax 驱动。

  • [1] 同样, (TOOL_X - POSITION_X) 的差值可以用于模型倾斜
  • [2] 该列表可以被扩展
  • [3] mtdev 项目主页: http://bitmath.org/code/mtdev/
  • [4] 看 [事件计算] 小节
  • [5] 看 [手指跟踪] 小节

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