Прочие устройства ввода - манипуляторы

Трекбол представляет собой "перевернутую" оптико-механическую мышь - в движение приводится не сам корпус устройства, а только его шар. Это позволяет существенно повысить точность управления курсором и, кроме того, экономить место, поэтому трекболы часто используют в ноутбуках.

Сенсорная панель (touchpad или trackpad) - это устройство ввода, применяемое в ноутбуках, служит для перемещения курсора в зависимости от движений пальца пользователя. Используется в качестве замены компьютерной мыши. Сенсорные панели различаются по размерам, но обычно их площадь не превосходит 50 см2. Работа сенсорной панели основана на измерении емкости пальца или измерении емкости между сенсорами. Емкостные сенсоры расположены вдоль вертикальной и горизонтальной осей панели, что позволяет определять положение пальца с нужной точностью. Поскольку работа устройства основана на измерении емкости, оно не будет работать, если водить по нему каким-либо непроводящим предметом, например, основанием карандаша. В случае использования проводящих предметов сенсорная панель будет работать только при достаточной площади соприкосновения, поэтому, например, работа с влажными пальцами весьма затруднена. Преимуществами сенсорных панелей являются:

• отсутствует необходимость в ровной поверхности, как для мыши;
• расположение сенсорной панели, как правило, фиксировано относительно клавиатуры;
• для перемещения курсора на весь экран достаточно лишь небольшого перемещения пальца;
• работа с ними не требует особого привыкания, как, например, в случае с трекболом.

Недостатком же сенсорных панелей является низкое разрешение, что затрудняет работу в графических редакторах и 3D-играх.

Джойстик является аналоговым координатным устройством ввода информации, выполняемым обычно в виде двух реостатных датчиков с питанием +5 В. Рукоятка джойстика связана с двумя переменными резисторами, изменяющими свое сопротивление при ее перемещении. Один резистор определяет перемещение по координате Х, другой - по Y. Джойстик обычно подключается к адаптеру игрового порта, расположенному на многофункциональной плате ввода-вывода (Multi I/O Card) или звуковой карте (в последнем случае разъем игрового порта совмещается с интерфейсом MIDI). Очевидно, что основным элементом игрового адаптера является АЦП. Адаптер принимает до четырех цифровых сигналов типа "включено-выключено" (кнопки) и до четырех аналоговых сигналов, что позволяет подключать два 2-кнопочных джойстика.

Световое перо работает с помощью небольшого оптического детектора, находящегося на его кончике. По ходу сканирования экрана электронным лучом инициируется импульс оптического детектора, когда пучок достигает точки экрана, над которой находится перо. Время возникновения этого импульса относительно сигналов горизонтальной и вертикальной синхронизации позволяет определить позицию светового пера. По своей сути световое перо является расширением видеосистемы. Разъем для подключения светового пера был обязательным для видеоадаптеров CGA, встречался время от времени у видеоадаптеров EGA, но практически исчез с распространением VGA.

Сканер

Сканером называется устройство, которое позволяет вводить в компьютер образы изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий или другой графической информации. Сканеры можно классифицировать по следующим критериям:

1. По степени прозрачности вводимого оригинала изображения:
• непрозрачные оригиналы (фотографии, рисунки, страницы книг и журналов), при этом изображение снимается в отраженном свете;
• прозрачные оригиналы (слайды, негативы, пленки), при этом обрабатывается свет, прошедший через оригинал.
2. По кинематическому механизму сканера:
• ручные сканеры - проблема ровного и равномерного перемещения сканирующей головки по соответствующему изображению (от чего зависит качество сканированного изображения) возлагается на пользователя;
• планшетные сканеры - сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя;
• рулонные сканеры - отдельные листы документов протягиваются через устройство так, что сканирующая головка остается на месте (неприменимы для сканирования книг и журналов);
• проекционные сканеры - вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, при этом блок сканирования также находится сверху, а перемещается только сканирующее устройство (возможно сканирование проекций трехмерных предметов).
3. По типу вводимого изображения:
• черно-белые (штриховые или полутоновые);
• цветные.

В черно-белом сканере изображение освещается белым светом, получаемым, как правило, от флуоресцентной лампы. Отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на фоточувствительный элемент (ПЗС-линейка или ПЗС-матрица). Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму через АЦП (для полутоновых сканеров) или через компаратор (для двухуровневых "штриховых" сканеров).

Для сканирования цветных изображений существует несколько технологий. Например, в сканерах фирмы Microtek сканируемое изображение поочередно освещается красным, зеленым и синим цветом, так что страница сканируется за три прохода. Похожий подход используется в сканерах Epson и Sharp, однако там смена цвета происходит для каждой строки, что позволяет избежать проблем с "выравниванием" пикселей при разных проходах. В сканерах Hewlett Packard и Ricoh сканируемое изображение освещается источником белого света, а отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на трехполосную ПЗС-линейку через систему специальных фильтров, разделяющих свет на три компоненты: красный, синий, зеленый.

Для связи с компьютером сканеры, как правило, используют один из универсальных периферийных интерфейсов: SCSI, IEEE 1284 или USB.

Для унифицирования прикладного программного интерфейса драйвера сканера (а также цифровых камер) в 1992 г. компаниями Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett Packard и Logitech была разработана спецификация TWAIN⁶⁾.

Устройства вывода

Монитор

Монитор (дисплей) - устройство визуализации текстовой или графической информации без ее долговременной фиксации. По типу отображаемой информации мониторы делят на алфавитно-цифровые (в настоящее время не используются) и графические. По способу формирования изображения графические дисплеи делят на векторные (не используются в ПК) и растровые. В векторном дисплее изображение строится из элементарных отрезков векторов (в случае ЭЛТ - электронный луч непрерывно "вырисовывает" контур изображения, собирая его из этих векторов). В растровых дисплеях изображение получают с помощью матрицы точек (в случае ЭЛТ - электронные лучи пробегают по строкам экрана, подсвечивая требуемые точки своим цветом). Наиболее широкое распространение получили мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и на основе жидких кристаллов (ЖК).

Принцип действия ЭЛТ-мониторов заключается в том, что испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение (рис. 16.2). На пути пучка электронов находятся дополнительные электроды: отклоняющая система (определяет направление пучка) и модулятор (регулирует яркость получаемого изображения). В случае цветного монитора имеются три электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: R (red) - красный, G (green) - зеленый, B (blue) - синий. Чтобы каждая пушка попадала только по люминофору своего цвета, используется теневая маска. Электронный луч периодически сканирует весь экран, образуя близкорасположенные строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость определенных пикселей, образуя видимое изображение. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла экрана к нижнему правому. Прямой ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной) развертки, а по вертикали - сигналом кадровой (вертикальной) развертки.

Рис. 16.2. Устройство ЭЛТ: 1 - электронные пушки, 2 - отклоняющая система, 3 - теневая маска, 4 - люминофоры

Очевидно, наиболее важными параметрами для монитора являются: частота кадровой развертки, частота строчной развертки и полоса пропускания видеосигнала. Частота кадровой развертки во многом определяет устойчивость изображения (отсутствие мерцаний). Ассоциация VESA¹⁾ рекомендует использовать для разрешений 640х480 и 800х600 частоту кадровой развертки не ниже 72 Гц, а для разрешения 1024х768 - не ниже 70 Гц. Современные мониторы поддерживают кадровые развертки в диапазоне 60-160 Гц. Частота строчной развертки определяется произведением частоты вертикальной развертки на количество выводимых строк в одном кадре с учетом обратного хода (разрешение по вертикали), типичное значение - 30-64 кГц (отражает количество строк, которое монитор может воспроизвести за одну секунду). Полоса видеосигнала определяется произведением разрешения по горизонтали с учетом обратного хода на частоту строчной развертки (отражает число точек в строке, которое монитор может воспроизвести за одну секунду). К важным факторам, определяющим четкость изображения, относят также размеры точек люминофора, а точнее - расстояние между ними (dot pitch), типичное значение - 0,25-0,28 мм.

Работа ЖК-мониторов основана на свойстве некоторых веществ проявлять анизотропию в текучем ("жидком") состоянии. Первый ЖК-монитор был продемонстрирован американской фирмой RCA в 1966 году. Для изготовления ЖК-мониторов используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. В отсутствии электрического поля молекулы этого вещества образуют скрученные спирали (обычно 90º). В результате такой ориентации молекул плоскость поляризации проходящего света поворачивается. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они ориентируются вдоль поля), при этом поворота плоскости поляризации проходящего света не происходит. Используя подходящим образом ориентированный пленочный поляризатор, можно добиться, чтобы в первом случае ЖК-элемент пропускал проходящий свет, а во втором - нет.

Таким образом, каждая точка изображения на ЖК-мониторе представляет из себя соответствующий TSTN²⁾ -элемент, а весь экран - матрицу этих элементов. Для адресации ЖК-элементов можно использовать два метода: прямой (пассивный) и косвенный (активный). При прямой адресации элементов каждая выбираемая точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующий проводник-электрод для строки (общий для целой строки) и на проводник-электрод для столбца (общий для всего столбца). Матрицы с пассивным управлением ("пассивные матрицы") имеют недостаточный контраст изображения, т.к. электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема решается при использовании так называемых активных матриц, когда каждой точкой изображения управляет свой независимый электронный переключатель (как правило, TFT³⁾).

При применении активных матриц большое значение имеют такие параметры, как малое время отклика (типичное значение - 10-25 мкс) и большой угол зрения (75º-120º).

При подключении мониторов к видеокарте используются в основном два типа разъемов: разъем DB-15 с аналоговым видеосигналом и опционально с цифровым интерфейсом DDC⁴⁾ и разъем DVI (Digital Visual Interface), позволяющий передавать как аналоговый видеосигнал, так и цифровой.

Принтеры

Под принтером обычно подразумевают устройство вывода данных, преобразующее информацию в удобную для чтения форму на бумаге. Принтеры классифицируют по следующим критериям:

1. По способу печати:
• последовательные - печатный документ формируется символ за символом;
• строчные - при печати устройство формирует сразу всю строку целиком;
• страничные - на бумагу наносится изображение сразу всей страницы.
2. По технологии печати:
• ударные (для переноса красящего вещества используется механический удар);
• безударные.

К ударным принтерам относят матричные принтеры. В них печатающая головка из 9, 18 или 24 игл, приводимых в движение электромагнитами, крепится к каретке и перемещается вместе с ней по направляющим параллельно бумаге вдоль печатаемой строки. Часть игл матрицы приводится в движение, и они "ударяют" по красящей ленте, находящейся между головкой и бумагой, формируя, таким образом, след из маленьких точек. К недостаткам этих принтеров относят низкую скорость печати и высокий уровень шума при работе. Достоинством же является то, что они оставляют оттиски букв на бумаге, а это важно при составлении финансовых или официальных документов. Следует отметить, что у этой технологии печати в общем случае нежесткие требования к качеству бумаги.

К безударным относят струйные чернильные принтеры. У них, так же как и у матричных, головка движется в горизонтальной плоскости над бумагой. Печатающая головка содержит сопла, через которые подаются чернила. У разных моделей количество сопел может варьироваться от 12 до 64. Различные технологии струйных принтеров отличаются способом выбрасывания чернильной капельки из сопла. В принтерах Cannon и Hewlett Packard используется технология bubble-jet (или thermal ink jet). В каждом сопле находится нагревательный элемент (тонкопленочный резистор). При резком нагревании образуется чернильный паровой пузырь, который выталкивает из сопла очередную порцию чернил. В принтерах Epson используется технология piezo ink jet. Выбросом капли из сопла управляет диафрагма из пьезоэлемента. Под действием электрического поля пьезоэлемент деформируется и выталкивает каплю из сопла. Скорость работы струйных принтеров примерно такая же, как и у матричных. Несомненным преимуществом перед матричными принтерами является низкий уровень шума при работе. Однако следует иметь в виду, что струйные принтеры требуют высококачественной бумаги. В целом, необходимо отметить, что расходные материалы для данной технологии являются самыми дорогими, по сравнению с принтерами других технологий печати.

Другой популярной безударной технологией является технология электрографической печати, которая используется в так называемых лазерных принтерах. Луч микромощного полупроводникового лазера формирует электронное изображение на фотоприемном барабане. Барабану предварительно сообщается некий статический заряд. Таким образом, освещаемые и неосвещаемые лазером участки барабана имеют разный заряд. К заряженным участкам прилипают частицы порошкообразного тонера. При соприкосновении бумаги с барабаном на ней остается отпечаток, который фиксируется за счет нагрева частиц тонера до температуры плавления. Лазерные принтеры имеют высокую скорость печати и высокую разрешающую способность. Недостатком является высокая цена принтеров и необходимость использования качественной бумаги.

Для управления принтером используются специальные языки. Для матричных и струйных принтеров наибольшее распространение получил язык ESC/P⁵⁾. Для лазерных и некоторых струйных принтеров основными языками управления являются PCL⁶⁾ фирмы Hewlett Packard и PostScript фирмы Adobe.

Для подключения принтеров используют RS-232C, IEEE 1284 или USB.