Файл: Графические планшеты ..pdf

Элограф был изобретен в 1971 году основателем компании Elo Touch SolutionsСэмюэлем Херстом. Элограф представлял собой графический планшет, который был основан на четырехпроводном резистивном принципе. Через 3 года элограф прозрачным, а еще через 3 появился пятипроводной экран. С 1983 года в пользование был выпущен компьютер HP-150, имеющий сенсорный экран на инфракрасной сетке [8, 14].

В потребительских устройствах с приходом больших экранов клавиатура была заменена сенсорными экранами, также сенсорные экраны стали использоваться в информационных киосках, платежных терминалах, карманных компьютерах, оборудовании для автоматизации торговли, игровых консолях, мобильных телефонах, операторских панелях в промышленности.

Основными достоинствами сенсорных экранов считаются сочетание небольших размеров устройства с крупным экраном, простота интерфейса, широта мультимедийных возможностей и быстрый набор. В качестве недостатков можно выделить высокое энергопотребление, отсутствие тактильной отдачи, сложности с гигиеной экрана и легкая повреждаемость устройства [3, 12].

Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах.

Резистивные сенсорные экраны делятся на четырехпроводные и пятипроводные. Резистивные экраны состоят из гибкой пластиковой мембраны и стеклянной панели, на каждое из которых нанесено резистивное покрытие. Между мембраной и пластиной находятся микро-изоляторы, изолирующие проводящие поверхности и равномерно распределенные по активной области. При нажатии на экран мембрана и панель замыкаются, при этом контроллер, используя аналогово-цифровой преобразователь, регистрирует изменения сопротивления и считывает координаты по осям X и Y. На левый электрод подается напряжение +5В, при этом правый заземляется. Верхний и нижний электроды соединяются накоротко, и на них проверяется напряжение, которое соответствует X-координате экрана. Аналогично считывается Y-координата при подаче напряжения на верхний и нижний электроды [13, 15].

Принцип действия четырехпроводного резистивного сенсорного экрана представлен на рисунке 7 [15].

На основе технологии четырехпроводных экранов также делаются восьмипроводные сенсорные экраны, имеющие большую точность отслеживания. Недостатком данных экранов является низкий уровень надежности. По этой причине распространение получили пятипроводные экраны.

Рисунок 7 – Принцип действия четырехпроводного резистивного сенсорного экрана

В пятипроводных экранах надежность выше, чем в четырехпроводных, за счет замены на мембране резистивного покрытия проводящим. Это позволяет экрану осуществлять работу даже при прорезанной мембране. На заднее стекло нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Изначально электроды заземлены, в то время как резистор подтягивает мембрану к напряжению +5В. Аналогово-цифровой преобразователь постоянно отслеживает уровень напряжения на мембране. При отсутствии касаний экрана напряжение равно 5 В, при нажатии процессорное устройство считывает изменения и вычисляет координаты. Напряжение +5В подается на правые электроды, в то время как левые заземляются. Экран выдает напряжение, соответствующее X-координате. Y-координата считывается аналогично по верхним и нижним электродам [7 ,15].

Принцип действия пятипроводного резистивного сенсорного экрана представлен на рисунке 8 [15].

Рисунок 8 – Принцип действия пятипроводного резистивного сенсорного экрана

Основными достоинствами резистивных экранов любого типа является низкая цена и стойкость к загрязнениям. Также экраны данного типа реагируют на касания любым предметом, таким как рука, перо, кредитная карта. В качестве недостатков можно назвать недостаточную вандалоустойчивость, низкую долговечность и низкое светопропускание [13, 15].

Аналогично резистивной, но с некоторыми упрощениями работает конструкция матричных сенсорных экранов. В данном типе экранов на мембрану нанесены вертикальные проводники, а на стекло – вертикальные. Касание экрана приводит к соприкосновению проводников и передает соответствующие координаты процессору. Данный метод имеет очень низкую точность и сложность проектирования элементов интерфейса, так как они должны располагаться с учетом экранных клеток. Достоинствами такого метода являются неприхотливость, дешевизна и простота [4].

Наибольшей популярностью на сегодняшний день пользуются емкостные сенсорные экраны. Тип экранов, которые называется поверхностно емкостными, основан на принципе проводимости переменного топа предметами большой емкости.

Емкостной экран состоит из стеклянной панели, которая покрыта прозрачным резистивным материалом, обычно сплавом оксида олова и оксида индия. По углам экрана расположены электроды, подающие небольшое переменное напряжение на проводящий слой. Касание проводящим предметом экрана провоцирует утечку тока. Расстояние предмета от электрода влияет на сопротивление экрана, за счет чего находятся координаты по четырем точкам. Ранние модели экраном использовали постоянный ток, что упрощало конструкцию, но чаще приводило к сбоям.

На сегодняшний день емкостные экраны показывают высокий уровень надежности, терпят токонепроводящие загрязнения, не пропускают жидкости и обладают прозрачностью на уровне 90%. В качестве недостатков можно назвать уязвимость от непогоды и отсутствие реакции на непроводящие предметы [2, 15].

Принцип действия емкостного сенсорного экрана представлен на рисунке 9 [15].

Не стоит путать поверхностно-емкостные сенсорные экраны и проекционно-емкостные сенсорные экраны. На внутреннюю сторону проекционно-емкостныех наносится сетка электродов. Вместе с телом человека электрод образует конденсатор, и его емкость измеряет электроника. В качестве достоинств экранов такого типа можно назвать долговечность, широкий температурный диапазон, прозрачность до 90 %, вандалоустойчивость за счет толщины стекла до 18 миллиметров, высокая степень защиты от проводящих и непроводящих загрязнений, поддержка мультитача [6, 15].

Принцип действия проекционно-емкостного сенсорного экрана представлен на рисунке 10 [15].

Рисунок 9 – Принцип действия емкостного сенсорного экрана

Рисунок 10 – Принцип действия проекционно-емкостного сенсорного экрана

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах являются собой стеклянной панелью с пьезоэлектрическими преобразователями, которые находятся по углам, а по краям экрана располагаются принимающие и отражающие датчики. В процессе работы экранов данного типа специальный контроллер формирует высокочастотный электрический сигнал, посылая его на пьезоэлектрический преобразователь, который. преобразует этот сигнал в поверхностных акустических волнах, после чего его отражают отражающие датчики. После отражения волны принимаются соответствующими датчиками, а затем посылаются на пьезоэлектрический преобразователь, который принимает отраженные волны, преобразовывая их в анализируемый контроллером электрический сигнал. Часть энергии акустических волн поглощается теряется от касаний экрана, что фиксируется приемником, после чего точка касания вычисляется микроконтроллером. Экран реагирует только на предметы, которые способны поглощать волны.

В качестве достоинств экрана данного типа можно назвать возможность отслеживания силы нажатия, высокую прозрачность и особые методы борьбы с бликами, за счет отсутствия стекла. В качестве недостатков экранов данного типа можно назвать сбои при загрязнении или вибрации, а также необходимость использования в качестве указующего именно предметов, поглощающих акустические волны [13].

Также существуют еще несколько разновидностей сенсорных экранов, такие как инфракрасные сенсорные экраны, оптические сенсорные экраны, тензометрические сенсорные экраны, сенсорные экраны DST и индукционные сенсорные экраны.

Инфракрасные сенсорные панели основаны на сетке, которая сформирована вертикальными и горизонтальными инфракрасными лучами, прерывающимися при касании к экрану любым предметом [7].

Оптические сенсорные экраны основаны на стеклянной панели с инфракрасной подсветкой. На границе стекла и воздуха образуется полное внутреннее отражение, а на границе стекла и указывающего предмета свет рассеивается. Картина рассеивания снимается по двум технологиям: камера рядом с проектором или дополнительный светочувствительный субпиксель. Экраны данного типа отличают нажатия рукой от нажатий другим предметом и поддерживают мультитач [2].

Применение тензометрических сенсорных экранов полностью аналогично применению проекционно-емкостных сенсорных экранов. Экраны данного типа реагируют на деформацию экрана, обладают небольшой точностью, выдерживают большое количество влаги, перепады температуры и вандализм [5].

Сенсорным экраном Dispersive Signal Technology регистрируется пьезоэлектрический эффект в стекле. Возможно нажатие любым предметом на экран, но обязательно именно передвижение предмета. Отличительными особенностями являются возможность работы в условиях сильного загрязнения экрана и высокая скорость реакции [4].

Индукционный сенсорный экран является графическими планшетом со встроенным экраном, реагирующим только на специальное перо [8].

2.2 Световое перо

Световое перо является одним из инструментов ввода графических данных в компьютер, представляет собой разновидность манипулятора.

Внешний вид пера представляет собой шариковую ручку или карандаш, который соединен с видеоадаптером компьютера или одним из портов ввода-вывода. Ввод данных посредством пера заключается в касании поверхности экрана и использовании кнопок, если такие имеются в наличии [13].

Распространение световых перьев началось во время распространения графических карт стандарта EGA, имеющих разъем для подключения пера.

Наконечник пера снабжен фотоэлементом, который замеряет яркость свечения экрана в точке соприкосновения и регистрирует момент наибольшей яркости, который соответствует моменту прохода электронного луча. Координаты считываются с видеоадаптера и передаются в специальный регистр, используемый программным обеспечением.

Помимо специальных сенсорных экранов, световые перья могут работать с экранами на электронно-лучевой трубке или со специальными экранами, в люминофор которых вводят специальные светящиеся в невидимом инфракрасном диапазоне компоненты.

На некоторых моделях перьев имеются несколько кнопок, нажимаемых удерживающей перо рукой, функции которых зависят от программного обеспечения [5].

2.3 Стилус

Стилус является небольшой металлической или пластиковой ручкой, которая снабжена специальным силиконовым наконечником, которым нужно касаться сенсорной поверхности экрана для управления, письма или рисования на графическом планшете или другом устройстве [13].

Для резистивного экрана стилусом может служить любой заостренный предмет за счет того, что экран одинаково реагирует на давление, оказываемое любым предметом.

Для емкостного экрана стилус обязательно должен иметь наконечник, который обладает электрической емкостью. Стилус такого рода имеет наконечник из силикона или мягкой резины, внутри которого содержатся металлические опилки, катушка или магнитопроводящее кольцо [4].

2.4 Цифровая ручка

Цифровая ручка является устройством ввода информации, которое фиксирует рисунки и рукописные символы пользователя, оцифровывая их. После этого данные объекты могут быть загружены в компьютер и отображены на экране. Полученные с помощью устройства данные могут быть распознаны с помощью специализированных программ, после чего использоваться в качестве компьютерной графики или в других приложениях [13].

Цифровые ручки чаще всего обладают большей функциональностью, чем стилусы. В отличие от стилусов, цифровые ручки снабжены внутренней электроникой и обладают функциональными кнопками, Bluetooth, функциями сенсорной чувствительности, электронным ластиком, встроенной памятью, возможностью использования в качестве указки или вместо мыши. Некоторые модели обладают технологией Anoto, с помощью которой можно делать записи на цифровой бумаге или другой поверхности.

Основным преимуществом цифровых ручек перед другими устройствами ввода является возможность ввода текста рукописным образом и сохранение записей во внутренней памяти [12].

Существует две основных разновидности цифровых ручек, которые принципиально отличаются по принципу работы.

Оптические цифровые ручки отличаются наличием видеокамеры, встроенной в тело ручки, которая распознает и запоминает в память проведенные пользователем линии. Обычно для использования оптических цифровых ручек нужна специальная бумага с нанесенными на нее метками или маркерами.