Интерфейсы манипуляторов «Мышь»
Самые первые мыши (шарикового типа) не имели внутри себя ничего кроме датчиков и кнопок, и подключались к компьютеру с помощью своего адаптера (шинные мыши англ. bus mouse) с шиной ISA, в котором и обрабатывались сигналы с датчиков.
Позднее, с развитием миниатюризации электронных компонентов, мыши стали подключаться к компьютерам x86 через последовательный коммуникационный интерфейс RS-232 (последовательные мыши) с разъёмом DB25F и, позднее, DB9F. В 1990-х годах большинство выпускавшихся мышей уже имели последовательное подключение.
В компьютере PS/2 фирма IBM предусмотрела для мыши специальный порт с разъемом mini-DIN, точно таким же, как и для клавиатуры. Позднее разъёмы клавиатуры и мыши типа PS/2 были включены в современный стандарт материнских плат x86 —ATX. Такие мыши лидировали в продаже в период 2001—2007 гг. и используются до сих пор, постепенно уступая свои позиции интерфейсу USB. Из-за особенностей аппаратной части IBM-совместимых компьютеров, интерфейс PS/2 мышей деактивировался при загрузке, если мышь не была подключена, и при загруженном компьютере включать ее в разъем было бесполезно, однако такие мыши не нагружали центральный процессор.
Ещё одним интерфейсом, через который можно подключить мышь, является универсальный беспроводной радиоинтерфейс Bluetooth; он поддерживается на многих платформах.
Основная часть современных мышей имеет интерфейс USB, иногда — с адаптером для PS/2. Фирма Apple для своих компьютеров в настоящее время поставляет мыши только с интерфейсом Bluetooth, хотя возможно использование и мышей USB.
Сигнальный провод мыши иногда рассматривается как мешающий и ограничивающий фактор. Этого фактора лишены беспроводные мыши. Однако беспроводные мыши имеют серьёзную проблему — вместе с сигнальным кабелем они теряют стационарное питание и вынуждены иметь автономное, от аккумуляторов или батарей, которые часто далеки от совершенства.
Другими недостатками беспроводных мышей являются:
§ высокие цены, которые, впрочем, имеют тенденцию к снижению
§ увеличенный вес
§ низкая частота опроса, типично 20-50 Гц
§ не всегда устойчивое соединение
§ задержки при передаче-преобразовании сигнала
§ интерференция (взаимовлияние) при использовании рядом нескольких беспроводных устройств, особенно одинаковых
§ нарушение приватности (радиообмен легко перехватить). Недостаток не критичен, поскольку мышь передает только информацию о перемещениях и нажатиях кнопок, не представляющую высокой ценности (в отличие от информации о клавишах, нажимаемых на клавиатуре).
§ зависимость связи от ориентации мыши относительно приёмника (наиболее подвержены 27-МГц устройства).
Аккумуляторы беспроводной мыши могут подзаряжаться как вне мыши, так и внутри неё (точно так же, как аккумуляторы в мобильных телефонах). В последнем случае, мышь должна периодически подсоединяться к стационарному питанию через кабель, док-станцию или площадку для индукционного питания.
Первыми попытками создания беспроводных мышей были решения, предусматривающие внедрение инфракрасной связи между мышью и специальным приёмным устройством, которое, в свою очередь, подключалось к порту компьютера.
Оптическая связь на практике проявила крупный недостаток: любое препятствие между мышью и датчиком мешало работе.
Радиосвязь между мышью и приёмным устройством, подключённым к компьютеру, позволила избавиться от недостатков инфракрасной связи, но породила не менее курьезную проблему: поскольку радиус действия этих мышей составлял несколько метров, а организации, как правило, закупали однотипную технику партиями, бывали случаи, когда курсором на экране компьютера управляла мышь, расположенная даже на соседнем этаже. Такие мыши, как правило, имеют переключатель, позволяющий выбрать один из двух радиочастотных каналов, в большинстве случаев переход на другой канал снимал проблемы.
Изначально для мыши каждый производитель разрабатывал свой собственный метод передачи сигнала. Однако впоследствии для связи стало всё более широко применяться Bluetooth-соединение. Это позволило ввести единый стандарт и решить проблему идентификации мыши, а также позволило избавиться от приёмного устройства, так как Bluetooth испольуется для передачи информации между различными устройствами и некоторые компьютеры (особенно ноутбуки) уже оснащены Bluetooth-адаптером, Кроме того, появились модели беспроводных мышей, использующих протокол Wi-Fi. Wi-Fi обеспечивает значительно меньшее потребление энергии по сравнению Bluetooth, но в то же время обладает меньшей помехозащищённостью.
Индукционные мыши чаще всего имеют индукционное питание от рабочей площадки («коврика») или графического планшета. Но такие мыши являются беспроводными лишь отчасти — планшет или площадка всё равно подключаются кабелем. Таким образом, кабель не мешает двигать мышью, но и не позволяет работать на расстоянии от компьютера, как с обычной беспроводной мышью.
Трекбол
При всех удобствах мышки, у нее есть два общепризнанных недостатка.
1. Для работы мышке нужен отдельный участок горизонтальной поверхности.
2. При длительной работе с мышкой рука сильно устает. Существует даже заболевание многими источниками называемое профессиональным заболеванием операторов ПК – туннельный сидром (более правильно с медицинской точки зрения – синдром запястного канала).
В качестве манипулятора, лишенного указанных недостатков, ряд фирм разработал устройство, получившее название трекбол.
Трекбол (англ. trackball) — указательное устройство ввода информации об относительном перемещении для компьютера. Аналогично мыши по принципу действия и по функциям. Трекбол функционально представляет собой перевернутую механическую (шариковую) мышь. Шар находится сверху или сбоку и пользователь может вращать его ладонью или пальцами, при этом не перемещая корпус устройства. Несмотря на внешние различия, трекбол и мышь конструктивно похожи — при движении шар приводит во вращение пару валиков или, в более современном варианте, его сканируют оптические датчики перемещения (как в оптической мыши). Точность позиционирования курсора трекболом выше, чем с помощью мышки. Трекбол нечувствителен к наклонности клавиатуры и вибрациям. Появились даже экзотические конструкции – что-то типа мышей с трекболом. Чувствительность трекболов обычно выше всяких похвал. Устройство (при определенном привыкании) очень эргономично и удобно в работе.
Рис. 5.21. Клавиатура ПК с трекболом.
Однако у трекбола есть свой недостаток – шарик трекбола, так же как и шарик мышки собирает пыль и грязь, а чистить его не так просто, как мышку.
В настоящее время трекболы достаточно редко применяются в домашних и офисных компьютерах, однако нашли применение в промышленных и военных компьютерах, аппаратах ультразвуковой диагностики, где пользователю приходится работать в условиях недостатка места и возможной вибрации.
Тачпад
Тачпад (англ. Touchpad – сенсорная площадка), сенсорная панель – указательное устройство ввода, чаще всего применяемое в ноутбуках. Фирма Apple традиционно использует в своих разработках термин «трекпад» (trackpad).
В 1988 году Джордж Герфайде изобрел сенсорную панель (тачпад). Фирма Apple лицензировала его проект и начала использовать его в своих ноутбуках PowerBook, начиная с 1994 года.
Тачпад представляет собой панель (см. рис. 5.22), обычно прямоугольной формы, чувствительную к нажатию пальцев или ладони. Нажав пальцем на панель и передвигая его по ее поверхности, пользователь может маневрировать курсором так же, как и при использовании мышки. Для выбора какого-то пункта меню можно нажать на кнопочку, а можно непосредственно на плоскость панели. Т. е. тачпад играет такую же роль, что и мышка, но является более компактным, не требующим пространственного перемещения устройством ввода и идеально подходит для портативных компьютеров. К тому же тачпад обладает расширенными функциональными возможностями.
Рис. 5.22. Тачпад.
Одним из ведущих производителей TouchPadявляется фирма Synaptics, поэтому все дальнейшее описание будем производить, основываясь на изделиях этой фирмы.
Физически TouchPad представляет собой сетку из металлических проводников, разделенных тонкой изолирующей прокладкой из лавсановой пленки (см. рис. 5.23.), т. е. получается набор большого количества маленьких конденсаторов. Так как человеческое тело является хорошим проводником, то при приближении руки к поверхности панели происходит изменение электрического поля, а, следовательно, емкости этих конденсаторов. Измеряя изменение емкости каждого конденсатора в сетке можно точно определить координаты пальца на поверхности панели. Более того, измеряя величину емкости можно также приблизительно определить давление, оказываемое на панель. (Это возможно благодаря тому, что чем большее давление прилагается к поверхности или чем большее количество пальцев находится вблизи поверхности, тем больше полная емкость.)
Рис. 5.23. Принцип работы тачпада
Естественно, что на емкость конденсаторов сетки влияет не только человеческое тело, но и внешние электрические поля, а также другие физические эффекты. Появляется дрожащее изменение измеряемой емкости (jitter). Поэтому для определения координат применяются "фильтрующие" алгоритмы, преобразующие дрожащие изменения емкости в плавное изменение координат. Существует множество различных алгоритмов, но чаще всего используется простой алгоритм, называемый алгоритмом "усредняющего окна". Согласно этому алгоритму значение текущих координат определяется усреднением двух последних не фильтрованных значений:
Xтек.=( Uнов. + Uпредыд. ) / 2,
где
· Xтек. - текущее отфильтрованное значение координаты
· Uнов., Uпредыд. - не фильтрованные координаты
Для увеличения степени сглаживания дрожаний используют усреднение трех или более новых, не фильтрованных, значений координат или используют взвешенные алгоритмы.
Как уже было сказано, измеряя полную емкость, можно определить степень нажатия, т. е. третью координату Z. Когда на поверхности панели нет пальца, тогда Z-координата равна нулю. Для определения перемещения пальца TouchPad контролирует увеличение Z-координаты сверх некоторого порога, затем вычисляет изменение X и Y координат до момента равенства нулю Z-координаты, что соответствует окончанию движения и удалению пальца от поверхности панели. Полученные значения DX и DY используются далее для определения перемещения указателя по поверхности экрана.
Используя все три координаты одновременно можно запрограммировать различные области на поверхности панели, при нажатии на которые, будут выполняться какие-то определенные действия. Эта возможность широко используется в последних драйверах фирмы Synaptics.
Для подключения к ПК TouchPad поддерживает следующие протоколы:
· PS/2
· RS-232
· ADB - протокол, используемый компьютерами семейства Apple Macintosh
В каждом из этих случаев TouchPad поддерживает индустриальный стандарт "mouse" плюс собственные, специфические, расширенные протоколы. Поддержка "mouse" означает, что, подключив к компьютеру TouchPad, вы сразу можете использовать ее как обычную "мышку", без инсталляции ее собственного драйвера. При инсталляции драйвера пользователь получает целый набор дополнительных возможностей.
Тачпады являются устройствами с довольно низким разрешением. Этого достаточно для использования их в повседневной работе за компьютером (офисные приложения, веб-браузеры, логические игры), но затрудняет работу в графических программах и делает практически невозможной игру в 3D-шутерах.
Однако у тачпадов есть и ряд преимуществ, по сравнению с другими манипуляторами:
§ не требуют ровной поверхности (в отличие от мыши);
§ не требуют большого пространства (в отличие от мыши или графического планшета)
§ расположение тачпада фиксировано относительно клавиатуры (в отличие от мыши);
§ для перемещения курсора на весь экран достаточно лишь небольшого перемещения пальца (в отличие от мыши или крупного графического планшета);
§ работа с ними не требует особого привыкания, как например, в случае с трекболом.
§ с помощью одного тачпада (не прикасаясь к кнопкам) можно выполнять часть манипуляций левой кнопки мыши:
§ короткое касание — щелчок
§ двойное короткое касание — двойной щелчок
§ незавершённое двойное касание с последующим перемещением — перемещение объекта или выделение
§ отдельные участки тачпада (полоска справа и сверху/снизу) могут быть использованы для вертикальной и горизонтальной прокрутки.
Тачпады ноутбуков Apple, Asus, а также практически любые от Synaptics (с помощью отдельной программы) могут имитировать нажатие правой кнопки и колесика без использования дополнительных кнопок:
§ прокрутка — нажатие двумя пальцами и перемещение
§ правая кнопка — короткое нажатие двумя пальцами (тремя у Asus)
§ увеличение/уменьшение — стягивание или растягивание двух пальцев на поверхности тачпада друг относительно друга
§ переворот — изменение плоскости положения двух пальцев на тачпаде в требуемом направлении
§ перелистывание — легкое касание в движении слева направо или наоборот тремя пальцами
Также имеются различные жесты, задействующие и четыре пальца.
5.5. Графические планшеты и дигитайзеры.
Дигитайзер (или графический планшет) - это устройство, которое является кодирующим преобразователем, который используется для перевода в цифровой формат технических чертежей и схем, а также всевозможных карт.
В состав дигитайзера входят:
электронный планшет, на котором располагают чертеж или карту, предназначенную для оцифровки
специальный указатель с датчиком, напоминающим увеличительное стекло (лупу) с черным перекрестьем в центре.
Рис. 5.24. Графический планшет фирмы WACOM.
Электронный графический планшет снабжен собственным контроллером. В задачи электронной части дигитайзера входит посылка импульсов по сетке проводников, расположенных под плоскостью планшета.
Когда импульс проходит под перекрестьем указателя, датчик формирует сигнал, посылаемый контроллеру. Контроллер, получив два таких сигнала (от горизонтального и вертикального проводников), преобразует их в координаты и передает эту информацию в компьютер.
Здесь принятая информация переводится в координаты точки на экране монитора, соответствующей положению указателя на планшете.
Принцип действия
Рис. 5.25. Принцип действия графического планшета (дигитайзера).
Принцип действия дигитайзера основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки, состоящей из проволочных или печатных проводников с довольно большим расстоянием между ними (от 3 до 6 мм). Но механизм регистрации положения курсора позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 100 линий на мм). Шаг считывания информации называется разрешением дигитайзера.
По технологии изготовления дигитайзеры делятся на два типа:
- электростатические (ЭС);
- электромагнитные (ЭМ).
В первом случае регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под курсором. Во втором - курсор излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником. Фирма Wacom создала технологию на основе электромагнитного резонанса, когда сетка излучает, а курсор отражает сигнал. Но в обоих случаях приемником является сетка. Следует отметить, что при работе ЭМ-планшетов возможны помехи со стороны излучающих устройств, в частности мониторов.
Независимо от принципа регистрации существует погрешность в определении координат курсора, называемая точностью дигитайзера. Эта величина зависит от типа дигитайзера и от конструкции его компонент. На нее влияет неидеальность регистрирующей сетки планшета, способность воспроизводить координаты неподвижного курсора (повторяемость), устойчивость к разным температурным условиям (стабильность), качество курсора, помехозащищенность и прочие факторы. Точность существующих планшетов колеблется в пределах от 0.005 до 0.03 дюйма. В среднем точность электромагнитных дигитайзеров выше, чем у электростатических.
Шаг считывания регистрирующей сетки является физическим пределом разрешения дигитайзера. Мы говорим о пределе разрешения, потому что следует различать разрешение как характеристику прибора и как программно-задаваемое разрешение, а это переменная величина в настройке дигитайзера. В спецификации на изделие всегда указываются обе характеристики - и предел разрешения, и точность.
На результат работы также влияет точность действий оператора. В среднем хороший оператор вносит погрешность не более 0.004 дюйма. Требования к нему достаточно высокие. Технологии чувствительных к нажиму дигитайзеров В настоящее время есть две технологии, применяемые в чувствительных к нажиму дигитайзерах: первая - это электромагнитный резонанс, на основе которого работают дигитайзеры фирмы Wacom, позволяющий применять пассивное стило, а вторая - метод активного курсора.
При использовании электромагнитного резонанса излучающим (активным) устройством является сам дигитайзер. Перо отражает волны, а дигитайзер анализирует это отражение, для того чтобы установить координаты пера в данный момент. Поэтому перо или курсор не имеют ни батарей, ни шнура, подающего напряжение на микросхемы внутри курсора, их там просто нет. При использовании же активного курсора именно он излучает волны, сообщая таким образом дигитайзеру о своем местоположении. В этом случае либо батареи, либо провод являются его неотъемлемым атрибутом. Но, независимо от системы, в обоих случаях информация о положении курсора относительно сетки, встроенной в поверхность дигитайзера, преобразуется в компьютере так, что мы получаем данные о точном положении курсора.
Для подключения планшета обычно используется последовательный порт. Распространенными параметрами являются разрешение порядка 2400 dpi и высокая чувствительность к уровням нажатия (256 уровней). Эта особенность позволяет моделировать нажатие на кисть или перо при работе с соответствующими графическими программами. Графические планшеты и дигитайзеры производят компании CalComp, Mutoh, Wacom и другие.
Для устройств рукописного ввода информации характерна такая же схема работы, только введенные образы букв дополнительно преобразуются в буквы при помощи специальной программы распознавания, а размер площадки для ввода меньше. Устройства перьевого ввода информации чаще используются в сверхминиатюрных компьютерах PDA (Personal Digital Assistant) или HPC (Handheld PC), в которых нет полноценной клавиатуры.
Сканеры
Сканером называется устройство, которое служит для ввода в ПК цветных или черно-белых изображений (текстов, рисунков, фотографий и другой графической информации). Основным узлом сканера является считывающая (сканирующая) головка, состоящая из фоточувствительных полупроводниковых элементов, называемых приборами с зарядной связью — ПЗС (CСD - Change Couple Device — зарядное парное соединение).В основу последнего положена чувствительность проводимости p-n-перехода полупроводникового диода к степени его освещенности.
В качестве приёмника света раньше использовались фотоматериалы: фотопластинки, фотоплёнка, фотобумага. Позже появились телевизионные камеры и ФЭУ (фото-электрический умножитель). В конце 60-х - начале 70-х годов начали разрабатываться так называемые "Приборы с Зарядовой Связью", что сокращённо пишется как ПЗС. На английском языке это выглядит как "charge-coupled devices" или сокращённо - CCD. В принципе ПЗС-матриц лежал факт, что кремний способен реагировать на видимый свет. И этот факт привёл к мысли что этот принцип может использоваться для получения изображений светящихся объектов.
Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ. semiconductor bubble memory). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.
В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств.
Впоследствии под руководством Кацуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.
Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.
В январе 2006 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ. National Academy of Engineering).
В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.
Астрономы были одними из первых, кто распознал экстраординарные способности ПЗС для регистрации изображений. В 1972 году группа исследователей из JPL (Лаборатория Реактивного Движения, США) основала программу развития ПЗС для астрономии и космических исследований. Три года спустя, совместно с учеными Аризонского университета, эта команда получила первое астрономическое ПЗС изображение. На снимке Урана в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью полутораметрового телескопа были обнаружены темные пятна возле южного полюса планеты, свидетельствующие о наличии там метана ... Применение ПЗС-матриц на сегодняшний день нашло широкое применение: цифровые фотокамеры, видеокамеры; ПЗС-матрица как фотокамеры стало возможным встраивать даже в мобильные телефоны.
Устройство ПЗС Типичное устройство ПЗС (рис.5.26.): на полупроводниковой поверхности находится тонкий (0.1-0.15 мкм) слой диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электродов (из металла или поликристаллического кремния). Эти электроды образуют линейную или матричную регулярную систему, причем расстояния между электродами столь малы, что существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к электродам внешних электрических напряжений.
Рис. 5.26. Принципиальное устройство ПЗС-ячейки.
На рис. 5.26. символами С1, С2 и С3 обозначены МОП-конденсаторы (металл-окисел-полупроводник). Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение U, то в МОП-структуре возникает электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходят от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра. Неосновные носители (электроны), генерированные в обедненном слое под действием каких-либо процессов (например, тепловых) или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием диффузии, будут перемещаться (под действием поля) к границе раздела полупроводник-диэлектрик и локализоваться в узком инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника. В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на "выход" прибора и измеряются.
Размер светочувствительного пикселя матриц составляет от одного-двух до нескольких десятков микрон. Размер же кристаллов галоидного серебра в светочувствительном слое фотопленки колеблется от 0.1 (позитивные эмульсии) до 1 микрона (высокочувствительные негативные). Одним из основных параметров матрицы является, так называемая, квантовая эффективность. Это название отражает эффективность преобразования поглощенных фотонов (квантов) в фотоэлектроны и схоже фотографическому понятию светочувствительности. Поскольку энергия световых квантов зависит от их цвета (длины волны), невозможно однозначно определить сколько электронов родится в пикселе матрицы при поглощении им например потока из ста разнородных фотонов. Поэтому квантовая эффективность обычно дается в паспорте на матрицу как функция от длины волны, и на отдельных участках спектра может достигать 80%. Это гораздо больше, чем у фотоэмульсии или глаза (примерно 1%).
Если пиксели выстроены в один ряд, то приемник называется ПЗС-линейкой, если же участок поверхности заполнен ровными рядами - тогда приемник называется ПЗС-матрицей. ПЗС-линейка имела широкий круг применения в 80-х и 90-х годах для астрономических наблюдений. Достаточно было провести изображение по ПЗС-линейке и оно появлялось на мониторе компьютера. Но это процесс сопровождался многими трудностями и поэтому в настоящее время ПЗС-линейки всё больше вытесняются ПЗС-матрицами.
ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.
До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.
Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.
После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.