5. Манипуляторы и сенсорные экраны

Манипулятор «мышь»

Одним из традиционных компьютерных устройств ввода являет­ся манипулятор «мышь» (mouse), в ранних советских ЭВМ фигури­ровавшая под названием «колобок». Этот манипулятор наилучшим образом подходит для запуска программ в рамках оконных графиче­ских интерфейсов, указания позиции объектов на экране.

Функциональное назначение клавиш (у большинства мышей - две, а в некоторых более трех) различно и зависит от выполняемого приложения. Качество мыши определяется ее разрешением, которое измеряется числом точек на дюйм, которое лежит в диапазоне от 200 до 900 тнд.

Оптико-механическая мышь. Движение шарика отслеживается посредством двух дисков с прорезями (горизонтального и вертикаль­ного) и двух оптических пар светодиод-фотодиод (рис. 4.30, а). В ре­зультате на оптической паре создаются импульсы, которые затем с помощью счетчиков конвертируются в числовые величины, обо­значающие степень относительного перемещения мыши по горизон­тальной и вертикальной осям. Эти величины вместе с состоянием кнопок мыши (нажата/отжата) передаются в ПК. Для защиты мани­пуляторов от проникновения пыли и грязи сквозь окошечко для ша­рика под мышь подкладывают специальные коврики (Mouse Pad).

Обычная оптическая мышь. Первые образцы изделий имели конструкцию, приведенную на рис. 4.30, б - внутри корпуса находятся две пары светодиодов (светодиодных приборов, СДП) и фотоэле­ментов (оптические пары). Обычно один из СДП излучает красный свет, а другой - инфракрасный. Фотоэлементы, смонтированные под определенным углом к СДП, улавливают свет определенной час­тоты. Для работы с этой мышью применяется специальный коврик, который покрыт тонкой сеткой, состоящей из цветных горизонталь­ных (синего цвета) и вертикальных (серого цвета) линий.

При нахождении мыши над синей линией красный свет погло­щается, и чувствительный к нему СДП утрачивает сигнал. Аналогично при перемещении мыши на серую линию поглощается ин­фракрасный свет. При движении мыши по коврику фотоэлементы поочередно обнаруживают соответствующие источники света и их сигналы описывают движение в направлении осей Х или Y. Эти сиг­налы передаются в ПК, где драйвером преобразуются для управле­ния движением курсора на экране.

Оптические мыши, независимые от поверхности. По мере удешевления производства компьютерных чипов стало возможным встраивать в корпус мыши микросхемы, обрабатывающие изобра­жения, что позволяет определять направление движения относи­тельно любой поверхности и делает необязательным наличие специ­ального коврика.

Современные оптические мыши, независимые от поверхности, используют оптоэлектронные сенсоры и СДП-освещение, чтобы получать «снимки» поверхности, по которой осуществляется движе­ние (рис. 4.31, а). Например, датчик оптической мыши Microsoft Wireless IntelliMouse Explorer (рис. 4.31, б) был способен к фикса­ции 1500 изображений в секунду, каждое из которых содержит 18 × 18 пикселей, причем каждый пиксель воспринимает 64 уровня освещения. Выполняя порядка 18 млн. команд в секунду, цифровой обработчик сигналов идентифицирует и сравнивает текстуру или другие особенности в зафиксированных изображениях, чтобы опре­делить движение мыши, и переводит эти данные в координаты кур­сора X и Y.

Вариантом данной технологии является лазерная мышь, ти­повым образцом которой было изделие MX 1000 (Logitech совместно с Agilent Technologies, 2004 г.). Здесь в качестве источника вместо СДП использовался небольшой инфракрасный лазер. Когерентное лазерное освещение обеспечивает высокую контрастность изображе­ния и позволяет выявить подробности структуры, недостижимые при использовании СДП. Оптический датчик осуществляет до 6000 сканирований поверхности в секунду.

Джойстик

В компьютерных играх и тренажерах широко используются уст­ройства ввода джойстики (от англ. joy stick - веселая палочка) как цифровые, так и аналоговые.

Большинство джойстиков - двумерные, имеющие две оси пере­мещения, но есть также и трехмерные. Обычно устройство конфигу­рируется так, что движение стержня-рукоятки влево/вправо соответ­ствует перемещению по оси X, а вперед/назад - по оси Y. В устрой­ствах, сконфигурированных как трехмерные, вращение ручки (по или против часовой стрелки) воспринимается как движение по оси Z.

В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давле­ния - чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея (рис. 4.32, а).

Координатный шар (трекбол)

Трекбол представляет собой небольшую коробку с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и соответственно перемещает курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера и может быть встроен в корпус машины (рис. 4.32, б).

Известно, что подобный манипулятор использовался в совет­ских зенитно-ракетных комплексах «Байкал», правда, диаметр ша­рика этого «трекбола» был около 8 см. На сегодняшний момент та­кие манипуляторы практически не используются и даже из тради­ционных для них портативных компьютеров их практически вытеснили сенсорные панели Touch Pad (в них управление курсо­ром идет перемещением пальца по панели).

В табл. 4.14 приведены характеристики некоторых образцов из­делий «мышь» и «трекбол».

Таблица 4.14. Характеристики некоторых манипуляторов Defender и А4 Tech

марка	Характеристики
Defender M 2400 UP	Беспроводная оптическая мышь. Семь кнопок и одна кнопка-колесо, используемая для вертикальной прокрутки документов. Питание: акку­мулятор Ni-Mn типоразмера АА. Радиус дейст­вия: 1,5 м от приемника. Разрешение: 800 тнд (dpi). Интерфейсы: PS/2, USB. В приемник встроено усовершенствованное устройство для подзарядки, которое обеспечивает стабильный уход за аккумуляторами
Defender M 2340 L Pantera	Эргономичная проводная оптическая мини-мышь со светящимся колесом прокрутки. Мышь имеет две кнопки и одну кнопку-колесо для быстрой прокрутки документов. Разреше­ние: 400 тнд. Разъем: PS/2
A4Tech RP-680 UP, USB+PS/2	Оптическая беспроводная мышь с семью кнопками и одной кнопкой-колесом. Эргономичная форма позволяет работать мышью как левой, так и правой рукой. Рабочая частота: 27 МГц. Питание: два АА аккумулятора, всего в комплекте - четыре. Зарядное устройство встроено в приемник сигнала. Разрешение: 800 тнд. Ради­ус действия: 2 м от приемника. Интерфейсы: PS/2, USB
A4Tech WWT-13	Трекбол с двумя колесиками для прокрутки до­кументов и тремя кнопками, одна из которых (кнопка для большого пальца) может быть запрограммирована для выполнения специальных команд. Скорость прокрутки колеса может быть изменена. Разрешение: 520 тнд. Интерфейсы: PS/2, COM, Combo и USB
A4-Tech SWOP-50Z UP, USB+PS/2	Оптическая мышь. Имеет четыре кнопки, две из которых (Zoom-кнопки) используются для масштабирования документов, и одну кноп­ку-колесо для прокрутки документов. Разреше­ние: 800 тнд. Интерфейсы: PS/2, USB

Другие указывающие устройства

TouchPad - устройство ввода данных, обычно используемое в ноутбуках, в которых управление курсором осуществляется путем слежения за движениями пальца пользователя (рис. 4.33, 1). Панели Touchpad могут иметь различные размеры, редко превышающие 20 см² (приблизительно 3 квадратных дюйма).

TouchPad - относительное устройство, т. е. нет никакого изо­морфизма между точками на экране и на его панели, и относитель­ное перемещение пальцев пользователя вызывает относительное движение курсора. Кнопки, расположенные ниже или выше клавиа­туры, аналогичны стандартным кнопкам мыши.

В зависимости от модели устройства и драйверов нажатие и движение по поверхности панели может интерпретироваться раз­личными способами. Некоторые устройства имеют «горячие точки» или такие области, которые будут особым образом обрабатываться драйверами. Например, перемещение пальца по правому краю па­нели может управлять вертикальной прокруткой активного окна, а по нижнему - горизонтальной.

Нажатие двух пальцев на панель может интерпретироваться как «щелчок» правой кнопкой мыши, а их перемещение по диагонали панели - как одновременные горизонтальная и вертикальная про­крутки (что может использоваться при просмотре больших фотогра­фий, веб-страниц и т. д.).

Pointing Stick - указующее устройство, изобретенное Тедом Селкером (Ted Selker) и используемое под различными торговыми марками (IBM как TrackPoint, Dell Latitudes как Track Stick и пр.). В основном предназначено для ноутбуков, но может размещаться на клавиатуре или корпусе мыши настольных ПК, неформально име­нуется «nipple» («сосок», «соска» и пр.).

Устройство представляет собой сменный резиновый колпачок, обычно красного цвета (на машинах ThinkPad, см. рис. 4.33, 2). На клавиатуре QWERTY традиционно размещается между клавишами <G>, <H> и <В>.

Устройство использует измерение приложенного усилия (типич­но путем изменения электрического сопротивления материала дат­чика). Скорость перемещения курсора определяется значением из­меренного усилия.

Сенсорные экраны (СЭ)

СЭ - устройство ввода, срабатывающее при прикосновении пальца, или ручки, пера, карандаша (в дальнейшем - стило) к оп­ределенному участку экрана монитора (рис. 4.34).

Встроенные СЭ являются неотъемлемой частью монитора, на­ходятся непосредственно в составе катодной трубки. Съемные или дополнительные - представляют собой некоторую конструкцию (обычно рамку), закрепляемую на стекле экрана дисплея.

Любая система СЭ включает следующие три основных компо­нента:

• собственно СЭ или панель датчика, которая находится на дис­плее и которая генерирует соответствующие сигналы, указы­вающие точно, какой участок затронут;

• контроллер СЭ, который обрабатывает сигналы, полученные от датчика, и транслирует их в сенсорные данные, которые передают на процессор ПК, обычно через интерфейс USB или последовательный порт;

• программный драйвер СЭ, который обеспечивает интерфейс с операционной системой ПК и обрабатывает сенсорные дан­ные наподобие события нажатия кнопки мыши, по существу давая возможность панели датчика «подражать» мыши.

Рассмотрим основные принципы реализации СЭ, которые во многом аналогичны рассмотренным ниже графическим план­шетам.

Резистивный. Это наиболее распространенная технология: резистивные СЭ реагируют на давление пальца, ногтя или стило. Они обычно включают стеклянную или акриловую поверхность, которая покрыта слоями с низким (проводящий) и высоким (резистивный, низкопроводящий) удельными сопротивлениями. Слои отделены невидимыми точками разделителя. Хотя прозрачность экрана ниже, чем для других технологий, они долговечнее. В отсутствие касания точки разделителя препятствуют проводящему слою вступать в кон­такт с резистивным слоем, и электрический ток постоянно течет че­рез проводящий слой. При нажатии на экран слои соприкасаются и электрическое поле искажается. Это изменение обнаруживается контроллером СЭ, который интерпретирует его как вертикальную и горизонтальную координаты на экране (X, Y) и регистрирует соот­ветствующее сенсорное воздействие. Некоторые резистивные пане­ли могут оценивать площадь (а значит, и усилие) прикосновения путем вычисления сопротивления.

Резистивные экраны обычно имеют прозрачность около 75% (высококачественные пленки и стекла могут повысить ее до 85%) и могут быть повреждены острыми предметами, однако они вполне устойчивы к воздействию пыли, воды и пр.

Инфракрасный. Известно две технологии инфракрасных СЭ. Первая использует изменения в поверхностном сопротивлении при касании нагретым предметом (относительно медленный метод, тре­бующий наличие «горячей руки»). Вторая - использует прерывание светового луча. Экран окружают рамкой, которая содержит источ­ники освещения (светодиоды) на одной стороне, и фотосенсоры - на противоположной, в результате чего создается сетка лучей у по­верхности экрана. Когда любой объект касается экрана, часть лучей прерывается, вызывая снижение уровня сигналов, получаемых фо­тодатчиками, что позволяет определить координаты точки прикос­новения. Инфракрасные сенсорные системы базируются на технологии твердого тела и не имеют никаких двигающихся механиче­ских частей, не содержат физических датчиков, которые могут повреждаться или изнашиваться со временем. Они также менее уяз­вимы к вандализму и чрезвычайно устойчивы к ударам и вибрации.

Поверхностные звуковые волны. Технология поверхностных акустических волн (Surface Acoustic Wave - SAW) состоит в том, что два фронта ультразвуковых волн, один выходящий от излучателей, расположенных слева от экрана, а другой - сверху, перемещаются вдоль поверхности экрана, непрерывно отражаются от противоле­жащих сторон экрана и воздействуют на датчики.

Когда палец касается экрана, волны поглощаются и их характе­ристики (частота и интенсивность) изменяются. Эти изменения по­зволяют определять координаты (X, Y) точки контакта. Здесь также может быть рассчитана ось Z (глубина или усилие) сенсорного воздействия, поскольку в зависимости от силы нажатия площадь со­прикосновения пальца с поверхностью изменяется.

Емкостные СЭ. Емкостные СЭ состоят из стеклянной панели с «емкостным» материалом (задерживающим поверхностный электри­ческий заряд), покрывающим ее поверхность. В отличие от резистивных СЭ, где инструментом воздействия может быть любой предмет, в данном случае воздействие должно производиться элек­тропроводящим объектом (палец или металлическое стило). Когда экрана касается подобный предмет, возникает поверхностный элек­троток между углами экрана и точкой контакта. Это заставляет схе­мы генератора, расположенные в углах экрана, изменять частоту сигнала в зависимости от того, где находится точка касания. Результирующие изменения частоты измеряются, чтобы определить координаты (X, Y) сенсорного воздействия. Основные характеристики перечисленных технологий СЭ приводятся в табл. 4.15.

Таблица 4.15. Характеристики технологий СЭ

Характеристики	Тип устройства
	Резистивный	Инфракрасный	Поверхностная звуковая волна	Емкостной
Разрешение	Высокое	Высокое	Среднее	Высокое
Прозрачность	Средняя	Высокая	Высокая	Высокая
Воздействие	Палец или стило	Палец или стило	Палец или стило с мяг­ким наконечником	Только палец
Долговечность	Может быть поврежден острым предметом	Высокая	Чувствителен к загрязне­ниям	Высокая

Другие технологии. Кроме перечисленных, известен также ряд других технологий СЭ.

Измерение механических напряжений. В углах экрана смонтированы пружины с датчиками/измерителями механиче­ского напряжения. Эта технология позволяет также измерить силу нажатия (ось Z).

Технология дисперсных сигналов. Здесь измеряется количество механической энергии, которая рассеивается в стекле при прикосновении, затем сложный алгоритм интерпретирует эту информацию и определяет точку прикосновения.

Распознавание акустических импульсов. Используются два или более пьезоэлектрических датчиков, расположенных в определенных позициях на экране, которые превращают механи­ческую энергию (прикосновения) в электрический сигнал. Не требуется каких-либо проводящих сеток и экран состоит из чистого стекла.

Контрольные вопросы

1. Перечислите типы терминалов и клавиатур.

2. Что такое ANSI-терминал?

3. Какие типы клавиатур для КПК вам известны?

4. Что такое теневая маска, апертурная решетка, щелевая маска?

5. Перечислите основные характеристики ЭЛТ-терминалов.

6. Что такое спецификации ТСО-99?

7. Что такое ЖКД?

8. Чем отличается активная матрица от пассивной?

9. Опишите принципы работы плазменных дисплеев.

10. Опишите принципы работы дисплеев электростатической эмиссии.

11. Опишите принципы работы дисплеев на органических светодиодах.

12. Перечислите типы и характеристики видеоадаптеров.

13. Охарактеризуйте компоненты видеоадаптера.

14. Что такое цифровые карты и интерфейс DVI?

15. Охарактеризуйте интерфейсы мониторов.

16. Какие типы сенсорных экранов существуют?

17. Дайте классификацию манипуляторов мышь.

18. Что такое трекбол и джойстик?