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Apple Pencil 的原理是什么?

回答
苹果的 Apple Pencil,无论是第一代还是第二代,都是一款令人惊叹的数字绘画和书写工具,它之所以能带来如此逼真的纸上体验,背后是多种先进技术巧妙结合的成果。要深入理解它的原理,我们可以从几个关键层面来剖析。

核心在于“压感”和“倾斜感”:触控的进阶

Apple Pencil 最核心的功能,也是它区别于普通触控笔的关键,在于它能感知你下笔的力度(压感)和笔尖的角度(倾斜感)。这两种信息结合起来,才能模拟出我们在纸上用不同力道、不同角度去画出粗细、深浅、阴影等效果。

压感技术:
第一代 Apple Pencil: 它的笔尖内部集成了一个精密的传感器阵列。当你下笔时,不同程度的压力会激活这些传感器。这些传感器会测量你在不同位置施加的力度,并将这些数据实时传输到 iPad。iPad 的显示屏内部也有相应的处理单元,能够根据这些数据来调整线条的粗细和颜色深浅。你可以想象成笔尖里有很多非常微小的“弹簧”或者“压力传感器”,它们在你按压时会产生不同的形变,然后这些形变被转化为电信号。
第二代 Apple Pencil: 苹果在这方面进行了优化,采用了更先进的压感技术。虽然具体细节苹果并未完全公开,但可以推测它使用了更灵敏、更精确的压力传感器,能够捕捉更细微的力度变化。这种优化使得线条的变化更加流畅自然,对力度的响应也更灵敏。

倾斜感技术:
两代 Apple Pencil 都支持倾斜感。 它的笔尖和侧面集成了陀螺仪和加速度计。这些传感器能够精确地测量 Apple Pencil 在空中的姿态和角度。当你倾斜笔尖时,iPad 会接收到这些角度信息。iPad 的绘图软件会根据你倾斜的角度来模拟不同的笔刷效果,例如,倾斜笔尖可以画出更宽、更柔和的笔触,就像用侧锋画铅笔画一样,非常适合阴影和渲染。

低延迟和精准定位:即时反馈的关键

除了感知你的动作,Apple Pencil 还有一个至关重要的特点:极低的延迟。当你移动 Apple Pencil 时,iPad 上的线条几乎是瞬时出现的,感觉就像你真的在用笔在纸上写字或画画。

“像素级”的精确度: Apple Pencil 不仅能知道你在哪里,还能知道你“怎么”在那里。它的定位精度非常高,能够精确到像素级别。这意味着你可以非常精细地控制每一笔的起点、终点和轨迹。
协同工作: 这种低延迟和高精度并非 Apple Pencil 单方面实现的,它需要 iPad 显示屏的强大支持。iPad 的触摸屏和内部处理芯片协同工作,以极快的速度读取 Apple Pencil 的信号,并实时计算出笔触的形态,然后将结果绘制在屏幕上。这种“沟通”的效率极高,所以我们才能感受到那种“所见即所得”的绘画体验。

无线配对和充电(特别是第二代):无缝的体验

第一代 Apple Pencil: 它通过 Lightning 接口进行配对和充电。第一次使用时,你需要拔下笔帽,将其插入 iPad 的 Lightning 端口。配对过程非常简单,就像连接蓝牙设备一样。充电也是通过这个接口完成。
第二代 Apple Pencil: 这是苹果在设计上的一个重大突破。它通过磁吸的方式与 iPad 的侧面连接,实现自动配对和无线充电。只需将 Apple Pencil 靠近 iPad,它们就能自动识别并连接,同时开始充电。这种设计不仅方便,还使得 Apple Pencil 随时都处于准备就绪的状态,大大提升了用户体验。

触控手势(第二代):拓展功能

第二代 Apple Pencil 在笔身上增加了一个触摸区域,支持触控手势。通过轻点两下笔身,可以快速切换工具,比如在画笔和橡皮擦之间切换。这进一步提升了创作的效率,减少了用户在 iPad 屏幕和 Apple Pencil 之间来回操作的次数。

总结来说,Apple Pencil 的工作原理可以概括为:

1. 笔尖传感器 捕捉你的压力和倾斜。
2. 内置陀螺仪和加速度计 辅助测量姿态。
3. 这些信息通过无线传输(蓝牙)发送给 iPad。
4. iPad 的显示屏和内部处理器 接收信号,并以极低的延迟根据压力、倾斜和位置,实时计算并渲染出不同粗细、深浅、角度的笔触。
5. 第二代 Apple Pencil 更进一步,通过磁吸配对和无线充电,并增加了触控手势,带来了更无缝、更高效的使用体验。

正是这些精密技术的集合,才让 Apple Pencil 能够模拟出如此接近真实绘画的质感和反馈,成为了数字艺术创作领域的一个标杆。它不仅仅是一支笔,更是一个连接创作者想象力和数字画布的桥梁。

网友意见

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正巧做过Apple Pencil的拆解,由于是同行,匿了。

Apple Pencil的功能实现原理复杂的可能会吓到你。。。

  1. 触控定位精度
    Apple Pencil其实并不是“电容笔”,是主动在笔尖发射电磁波的。iPad端的支持Pencil的触控芯片也是特殊定制的,在扫描普通的触控信号的同时,接受到Pencil的特殊频段,这个可以拿频谱探棒扫描到的。
    电容触摸屏对于直流电来说是绝缘的,但是对于交流信号是可以理解是微弱导电的。
    - 更惊人的是,笔尖不是发射一个固定频段的哦,而是同时发射多个频段的信号的哦,利用交叠扫描和数学分析提高定位精度。。
    - 更更惊人的是,适配不同iPad 频段是不一样的哦,是每台每台校正的哦,用来规避不同LCD面板的微弱电磁噪声从而提高信噪比。。。
    所以结果就是,Apple Pencil 可以实现接近像素级的定位精度,至少10倍于电容笔。
    如果你考虑到Apple一直在触控密度和扫描频率都是坚持高业界一个档次的,Apple Pencil还有240Hz扫描频率。。。这么高精度配上这么高速度,无敌。。
  2. 传感器
    笔尖是有压力传感器感受用力的,而iPad屏幕是不支持force touch的。
    另外Apple Pencil里还有9轴陀螺仪,用来和iPad的陀螺仪的差值计算笔尖的倾斜角度,实现毛笔的笔触效果。。
    - 更惊人的是,如果看过拆解,里面不是1颗陀螺仪哦,而是在不同位置装了2颗。可能外行同学不太明白2颗有什么惊人的,如果有做硬件设计或者硬件产品经理同学可以想一下2颗陀螺仪能用来做什么。
    Apple 连你倒立拿着笔写字的情况都考虑了,还可以实现类似转笔过来用笔帽做橡皮的功能(甚至很可能Apple做了但是自己觉得效果不好又拿掉了)。。。
  3. 算法
    最新的iOS13 有一项很不起眼的更新,Apple Pencil的延时从16ms继续提升到了8ms。
    这个外行可能也觉得没啥,虽然16ms 已经是业界最最顶尖水平了,但是你可以觉得只是Apple贵,规格高,iPad Pro 120Hz现实加上Apple Pencil 240Hz 扫描频率,CPU速度也足够快,16ms(1帧)运算显示延时水到渠成。
    但是8ms。。。0.5帧呀,这意味着已经违反了信息论了,触控数据还没扫描到,就已经送去显示了。
    人家轻描淡写了一句“运用机器学习技术的笔迹预测”。。。

所以老板问我,我们公司抄一个和Apple Pencil需要多少时间多少人的时候,我就说咱也就抄个造型了。。。
硬件要芯片级升级整个触控电路,而且咱还没这制造水平把这么多零件传感器塞一根笔杆里,设计的出来未必量产的出来。
软件别说连倒立拿笔都做了,咱勉强把画直线校正好就不错了。哦对,还得招个Machine Learning Team来做算法,一个人几百万吧。。。

“那我们还是做电容笔吧,iPad兼容就行。”

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