Файл: Графические планшеты (1. Общие сведения о графических планшетах).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Современный период развития общества характеризуется сильным влиянием на него компьютерных технологий, которые проникают во все сферы человеческой деятельности, обеспечивают распространение информационных потоков в обществе, образуя глобальное информационное пространство. Компьютерные технологии с каждым днем все больше проникают в различные сферы человеческой деятельности

Современные художники всё больше отдают предпочтение специальным устройствам, которые называются графическими планшетами. При помощи таких устройств можно рисовать и создавать настоящие шедевры графики и цифровой живописи. Графические планшеты сегодня развиваются и становятся всё более совершенными и при этом всё более доступными. На рынке товаров можно найти большой ассортимент планшетов для рисования разных компаний-производителей и с самыми разными характеристиками. 

Задача данной курсовой работы рассмотреть характеристики и структуру графического планшета.

1. Общие сведения о графических планшетах

1.1. История «графического планшета»

Графический планшет (или дигитайзер, диджитайзер) – это устройство для ввода рисунков от руки непосредственно в компьютер. Состоит из пера (стилуса, карандаша) и плоского планшета, чувствительного к нажатию или близости пера. Также может прилагаться специальная мышь. [1]

В наше время графический планшет является инструментом, без которого не может обойтись ни один современный профессиональный художник, дизайнер или фотограф. Современный живописец делает набросок задуманного произведения, переносит его в компьютер, а затем, при помощи специальных программ, может внести изменения в свое творение.

Прообраз современного графического планшета появился задолго до компьютерной эры – его в 1888 году запатентовал знаменитый американский изобретатель и промышленник Элайша Грей. Планшет Грея носил название «телеавтограф» (teleautograph) и предвосхищал целый ряд технологий, в том числе факс и электронную почту. Пользователь в пункте отправления создавал изображение на специальном электростоле; точки соприкосновения пера и стола преобразовывались в электрические импульсы и передавались на станцию приема. Там сервомеханизмы с укрепленным пером воспроизводили рисунок. В первую очередь система предназначалась для подписи важных документов на расстоянии, посредством телеграфа. [2]

Первый графический планшет в современном понимании термина был разработан инженером Томом Даймондом в 1957 году и носил название Stylator (сокращение от stylus translator). В основе его работы лежала обычная прямоугольная система координат; устройство распознавало каждое новое положение стилуса относительно нулевой точки и заносило результаты в память компьютера. Практического применения Slylator не имел. [1]

Самым известным из ранних графических планшетов, положившим начало популярности этих гаджетов, стал RAND Tablet (который также известен как «Графакон»). Устройство было представлено компанией RAND в 1964 году и было достаточно дешевым и удобным для того, чтобы его могли закупать университеты, лаборатории, институты и другие обладатели компьютерной техники. Данное устройство содержало сетку тонких проволок, создающих последовательность слабых магнитных импульсов, которые улавливались пером, что позволяло определять его текущее положение. Полученные сигналы поступали в память компьютера. Это был так называемый электромагнитный планшет. RAND Tablet оказался очень успешной моделью и активно продавался вплоть до конца шестидесятых. [3]

Примерно в тоже время появилась другая технология, позволяющая фиксировать перемещения стилуса, – так называемые акустические, или искровые планшеты. Перо таких планшетов генерировало искры при помощи искрового промежутка. Щелчки триангулировались серией микрофонов для определения местонахождения пера. Система была довольно сложной и дорогой, микрофоны были чувствительны к посторонним шумам. Первый акустический планшет был запатентован в 1971 году инженерами компании Science Accessories Corporation. [3]

В 1970-80-е годы устройства для переноса рисунка непосредственно в память компьютера стали по-настоящему популярны, особенно в комплексе с CAD-программами для архитекторов, инженеров и чертежников. Наиболее известной маркой был BitPad, разработанный компанией Summagraphics в 1975 году. [1]

На рубеже 1970-80-х годов компания Apple выкупила у Summagraphics последнюю версию BitPad, доработала ее и выпустила на рынок под собственной маркой Apple Graphics Tablet. Эти планшеты использовали технологию магнитострикции. Тонкие провода, расположенные под экраном, меняли свои физические параметры под воздействием намагниченного стилуса.

В 1984 году появился первый графический планшет, свободно продававшийся пользователям-любителям и не предназначенный для сугубо рабочих целей. Устройство KoalaPad работало в сцепке с восьмибитными персональными компьютерами. Планшет комплектовался специальной программой Graphics Exhibitor, которая позволяла делать на экране слайд-шоу из сохраненных рисунков. За следующие несколько лет целый ряд компаний выпустили свои версии устройства.

С конца 1980-х годов лидирующие позиции в производстве графических планшетов постепенно заняла японская компания Wacom. Ее первая модель WT-460M была выпущена в 1986 году. Ранее все планшеты – электромагнитные или электростатические (где под действием пера меняется электрический потенциал подэкранной сетки) – обязательно требовали подачи питания как на экран, так и на перо. Технология, введенная Wacom, основана на явлении электромагнитного резонанса – в этом случае сетка способна не только принимать сигнал, переводя изображение на монитор, но и передавать его. Таким образом, инженеры обеспечили питание стилуса непосредственно от экрана – это стало значительным шагом вперед в плане удобства. [2]

Следующей инновацией, введенной инженерами Wacom, стали перья, способные регистрировать силу нажатия. Для этого в стилус встроен элемент с переменными – в зависимости от силы сдавливания – индуктивностью или сопротивлением. Таким образом, по реалистичности работа на подобном планшете приблизилась к обычному рисованию на бумаге практически вплотную. К тому же профессиональные планшеты Wacom распознают наклон пера относительно поверхности.

1.2. Принцип работы графического планшета

Принципы, лежащие в основе работы любого графического планшета однотипны: перо или мышь (указатель) передает сигнал, который принимает плоская антенна, находящаяся под поверхностью планшета. Эта идея реализуется в современных планшетах двумя способами. [4]

В первом случае антенна излучает короткие электромагнитные импульсы пакетами продолжительностью около 20 микросекунд, этот сигнал питает резонансный контур, расположенный в указателе и настроенный на частоту антенны. Контур, в свою очередь, дает энергию для формирования ответного сигнала, содержащего информацию о местоположении и особенностях состояния указателя на данный момент, причем сигнал может быть аналоговым или цифровым (рисунок 1). [5]

Рисунок 1 – Принципиальная схема перьев (безбатарейного аналогового, безбатарейного цифрового, аналогового с собственным источником питания).

Во втором случае перо получает энергию для передачи сигнала от стороннего источника — от батареек, находящихся в самом пере, или по проводу. Антенна здесь выполняет исключительно приемную функцию, и схема электропитания пера проще —такой путь при чуть меньшем удобстве оказывается конструктивно проще и дешевле.

Желтым показаны пути поступления электропитания в различные блоки пера, красным — информация о состоянии компонентов, голубым — выходной сигнал, улавливаемый антенной планшета. В цифровом пере все данные поступают в микрочип, который, взаимодействуя с модулятором, формирует пакет исходящих данных, добавляя в него 64-битный код, содержащий идентификационную информацию о данном конкретном пере. [5]

Приемопередающая (приемная) антенна представляет собой сетку — проволочную или в виде печатной схемы — с шагом от 3 до 6 мм. Приняв сигнал, она вычисляет местоположение указателя и считывает дополнительные данные. Чувствительность к изменениям поля, которые происходят от внесенного в него указателя, и определяет разрешающую способность планшета. Но в любом случае она больше, чем у механических устройств типа обычной мыши, и составляет 1000 dpi и более. Шаг считывания сетки планшета — это физический предел разрешения. В этих границах может осуществляться программное изменение разрешения, причем не обязательно пропорциональное. [5]

У планшетов есть и погрешность определения местоположения указателя, связанная со множеством факторов. Это и отклонения (пусть и микронные) от идеальной формы сетки, и влияние условий среды (например, колебания температуры воздуха могут вызывать неоднородные термические деформации устройства), качество материала указателя, электромагнитная помехозащищенность, степень износа или загрязненности указателя и др. Погрешность существующих планшетов может достигать 0,1 мм, однако, как правило, она меньше. [6]

Из изложенного следует, что, начиная с определенного размера, планшеты дают прирост качества изображения, который может быть востребован только в определенных профессиональных областях. Например, легко подсчитать, что при разрешении 1000 dpi планшет формата А6 имеет рабочее поле 5000х3500 точек, что значительно превышает разрешение любого монитора. Иными словами, если использовать планшет преимущественно для экранного рисования (а не для создания, скажем, крупноформатных полиграфических работ или произведений, в которых должна быть видна фактура длинного и свободного ручного штриха), то такого размера и разрешения более чем достаточно. [6]

Перо взаимодействует с планшетом, когда расположено близко от его поверхности. Резонируя, перо генерирует собственную частоту. Настроенный на нее планшет улавливает сигналы пера и фиксирует его текущие координаты с абсолютной точностью. Далее обработанная информация передается на компьютер, извлекающий данные из сигнала (включая характер — перо или ластик) и формирующий изображение на мониторе. [7]

Во время работы планшет использует принцип электромагнитного резонанса. В корпусе стилуса расположены собственно перо, контактирующее с планшетом, индуктивно-емкостной резонансный контур, модулятор, микрочип и программируемые кнопки-переключатели. В полном согласии с теорией, каждые 20 мкс особая координатная сетка, расположенная под экраном планшета, формирует электромагнитный импульс заданной частоты. [8]

В реализации рукописного распознавания существует два направления.

Аналитическое распознавание (графический или структурно-лингвистический метод). Система пытается распознать вводимые символы, основываясь на тем или иным образом формализованных знаниях о рукописных глифах и их сочетаниях с применением различных форм словарной обработки. [13]

Методы, основанные на нейросетевых технологиях. Используется соответствующим образом обученная нейросеть, как правило со специфическими доработками базовых алгоритмов. Впрочем, если подходить к вопросу строго, большинство доведенных до коммерческого уровня систем довольно сложно однозначно классифицировать, поскольку нейросетевая «распознавалка» вполне может использовать, скажем, словарную информацию для повышения качества распознавания и наоборот. [13]

У аналитических систем есть преимущество — они практически не требуют обучения. Сильная сторона нейросетевых алгоритмов — в общем случае несколько меньшие требования к ресурсам, что позволяет адаптировать их для мобильных устройств. Аналитические системы (по определению) не так сильно зависят от базы росчерков для каждого конкретного языка и, в общем, позволяют корректно распознавать даже «незнакомые» системе языки (при условии сходства в начертании символов, разумеется). [13]

Основной единицей «измерения» в системе распознавания выступает штрих, нарисованный пользователем без отрыва пера. При этом символ, соответствующий одной букве алфавита, может быть написан одним (е, с) или несколькими (х, ж) росчерками. Как известно, с распознаванием разных типов почерка человеческий глаз справляется без ощутимых затруднений, что, в общем, неудивительно, если вспомнить, что за работу одного только фоторецептора сетчатки отвечает около 700 нейронов. В программной системе, связанной естественными ограничениями, которые налагает аппаратная база, этап распознавания упрощена, но тем не менее все равно предполагает большой объем вычислительной работы и анализ огромного количества параметров (до 1000), таких, как количество росчерков, кривизна, направление движения, пересечения и др. В ходе процедуры распознавания анализируется траектория пера, причем в несколько этапов. Первый из них — фильтрация, устранение неровностей (шумов) траектории, появление которых неизбежно при написании символов (дрожание руки и т. д.). По завершении процедуры фильтрации и первоначального анализа символ сопоставляется с эталоном. Эталон — набор устойчивых признаков, характеризующих букву. За каждой буквой закреплено несколько эталонов, соответствующих наиболее распространенным способам ее написания. Сопоставление параметров, полученных в результате анализа траектории введенного символа, выполняется для каждой буквы алфавита, вероятность совпадения выражается в некоторой обобщенной оценке или процентах. Далее вполне закономерной выглядит гипотеза, что совпадение максимального числа параметров символа и эталона означает появление искомого символа. В ряде случае также имеется этап постобучения, когда пользователь из нескольких предлагаемых системой распознавания символов вручную выбирает правильный, таким образом «обучая» ее (впрочем, при достаточно большой БД почерков эта процедура обычно опускается). [11]