Файл: Графические планшеты.pdf

Таким образом, подводя итоги данной главы, мы можем говорить о том, что разработка графических планшетов прошла множество стадий. Были опробованы многие технологии создания чувствительных экранов и стилусов, разработчики различных стран мира соревновались в новизне и практичности изобретаемых ими устройств. На данный момент эволюция графических планшетов находится в наивысшей ступени своего развития, но это не значит, что все изобретения уже были созданы. Мы согласны с изречением «Нет предела совершенству», и нам кажется, что в сфере разработки графических планшетов последнее слово еще не было сказано.

Сейчас мы считаем целесообразным перейти к подробному рассмотрению видов уже существующих графических планшетов.

Глава 2. Виды графических планшетов

Итак, для начала необходимо дать определение самому понятию «графических планшет». Графический планшет — это периферийное устройство ввода-вывода, которое позволяет пользователю рисовать в области специальной зоны зондом (визиром, карандашом, пером, стилусом). Рабочая область планшета чувствительна к разным уровням нажатия на экран и углам прикосновения стилуса (в зависимости от модели). Графический планшет позволяет профессиональным художникам и любителям дизайна использовать компьютер в качестве средства рисования и обработки изображений в более удобном и привычном виде. Опционально к планшету может прилагаться специальная мышь. Координаты текущего положения зонда относительно экрана планшета определяется с достаточно высокой частотой: 200-500 раз в секунду, что позволяет обеспечить чёткое и аккуратное воссоздание определённой черты или линии на экране компьютера независимо от скорости движения стилуса по экрану планшета. Ввиду высокой частоты посылаемых запросов генерируется большое количество данных, в следствие чего они в большинстве случаев подвергаются дальнейшей обработке для сокращения объема информации. Стандартно используемый для этого способ - выдача новой координатной пары при достижении заданного отклонения от последней зафиксированной.

В целом графические планшеты осуществляют работу в различных режимах:

• точечном: координаты генерируются при нажатии кнопки пера;
• непрерывном: последовательность координат генерируется непрерывно при нахождении пера в рабочей области планшета (при этом может производиться сокращение объема передаваемых данных так, как это описано выше);
• переключаемом непрерывном: генерируется непрерывная последовательность координат при нажатии кнопки зонда;
• приращений, когда формируются приращения к последней выданной позиции.

Сейчас мы предлагаем перейти к рассмотрению отдельных видов графических планшетов. Некоторые из них уже были упомянуты выше, и мы лишь подробнее остановимся на принципах их работу; другие будут упомянуты нами впервые.

2.1. Акустический планшет

В данном виде графических планшетов разрядник в зонде излучает ультразвуковой сигнал, который затем принимается ленточными микрофонами. Они расположены на двух смежных сторонах планшета (Рисунок 1). Существуют также акустические планшеты с тремя группами микрофонов (Рисунок 2), которые благодаря наличию третьего микрофона могут выдавать трехмерную координатную информацию.

По времени прихода звука от зонда к микрофонам определяется точное его положение. В связи с высокой скоростью распространения звука в воздухе (330 м/с) эти измерения не представляют трудностей. Акустический планшет позволяет определять координаты и при значительном удалении от поверхности планшета, но с ошибкой, как это пояснено на Рисунке 1.

Данное свойство позволяет определять координаты в формате 3D с помощью плоского планшета, который имеет по одному микрофону на каждой стороне. Основным недостатком работы акустического планшета является сильная зависимость от условий окружающей среды, особенно влажности.

2.2. Потенциометрический (градиентный) планшет

В этой разработке поверхность планшета полностью представляет собой резистивное покрытие (Рисунок 3). К этому покрытию по границам подводится ток попеременно по X и Y направлениям. Зонд планшета при этом должен иметь гальванический контакт с резистивным покрытием. Координаты местонахождения зонда определяется по падению напряжения в точке контакта. При работе данного типа планшетов возникает проблема искажений поля, вызываемая взаимным влиянием контактных шин. Эта проблема устраняется подводом питающих напряжения через диоды.

Основные проблемы при разработке таких планшетов могут заключаться в следующем:

• материал покрытия должен обладать достаточным запасом прочности, чтобы выдержать постоянный контакт с наконечником зонда;
• материал покрытия должен обладать однородной проводимостью, чтобы обеспечить линейность ввода координат;
• материал покрытия должен обладать высоким сопротивлением, чтобы обеспечить точность и простоту измерения.

Также существуют и другие конструкции градиентных планшетов, которые не требуют гальванического контакта зонда с поверхностью экрана. Примером может послужить планшет, в котором между двух стеклянных пластин находится резистивный слой из окиси олова. Высокочастотное питание подводится через контактные шины по краям планшета, при этом для X и Y напряжений питания используются различные частоты. Зонд планшета воспринимает фазы сигналов, которые отличаются для различных точек на планшете. Благодаря использованию высокочастотного сигнала возможно значительное удаление зонда от поверхности планшета. Такое расстояние может составлять более 10 мм. О высоте подъема зонда свидетельствует изменение амплитуды сигнала.

2.3 Емкостной планшет

В данном типе планшетов с помощью взаимно перпендикулярных групп проводников под непроводящей рабочей поверхностью генерируется электромагнитное поле (Рисунок 4). При этом проводники каждой группы должны быть равноудалены друг от друга и точно параллельны, так как они выполняют функцию передающих антенн. Как же происходит снятие координат? Для начала высокочастотное напряжение поочередно подается на передающие антенны, после чего сигнал принимается емкостным датчиком зонда. Если датчик находится между двумя проводниками, сигнал будет получен поочередно сначала от одной антенны, затем от другой. В результате по соотношению амплитуд сигналов можно узнать точное расположение между антеннами.

Недостатком этой разработки является то условие, что зонд должен либо непосредственно прилегать к рабочей поверхности, либо находиться на малых расстояниях от нее (не более 1 мм).

Примером такого устройства может служить планшет, который был разработан в Институте ядерной физики СО РАН и ранее выпускался рядом организаций. Рабочее поле планшета представляло собой зону размером 380×380 мм, частота высокочастотного генератора составляла 625 КГц, а время коммутации 200 мкс. Проводники были расположены на двухсторонней печатной плате с достаточно большим шагом - 5мм. Роль датчика выполняла незамкнутая круглая проволочная петля, при этом встроенный в планшет микропроцессор за 7 мс рассчитывал и выдавал координату с довольно высокой точностью, которая составляла 0.1 мм.

2.4. Магнитоэлектрический планшет

В данном типе разработки катушка, находящаяся в зонде и проводники под рабочей поверхностью графического планшета могут рассматриваться в качестве первичной и вторичной обмотки трансформатора. При этом если приемная катушка находится на зонде, то этот планшет подобен емкостному планшету конструктивно. Для достижения существенно большего разрешения в качестве передатчика используется обмотка зонда, но в этом случае катушка зонда должна иметь довольно большое количество витков, что требуется для генерирования достаточно мощного электромагнитного поля. Большинство кодировщиков, упоминаемых далее и используемых для ввода в память компьютера чертежей, работает именно на этом принципе.

2.5 Магнитострикционный планшет

Следует отметить, что магнитострикционные планшеты устроены немного сложнее, нежели предыдущие варианты разработок. В качестве носителей сигнала магнитострикционные планшеты используют специальные магнитострикционные проволоки. Под воздействием внешнего магнитного поля проволоки незначительно изменяют свою форму. Вслед за этим, магнитное поле, которое вызывается передающими катушками на краю планшета и располагается перпендикулярно магнитострикционным проволокам, генерирует изменение их длин, после чего это изменение длины распространяется вдоль всей проволоки в виде волны механического напряжения со скоростью, составляющей около 5000 м/с. Затем волна, попадая в приемную катушку, которая расположена в зонде планшета, из-за изменения потока формирует в катушке импульс напряжения. Время прихода этой волны прямопропорционально расстоянию от передающей катушки на краю планшета до зонда.

Так как расстояние всегда измеряется вдоль проволоки, в этом случае необязательно, чтобы проволоки были строго параллельны, при этом даже не требуется располагать проволоки так часто, как это следовало бы из разрешения прибора. Более того, их достаточно расположить на расстоянии в целых 2-3 мм, и этого будет достаточно, чтобы на планшете гарантировалось достаточное изменение потока. Благодаря тому, что этот принцип имеет относительно высокую точность (0.01 мм), эта технология широко используется в робототехнике и в большинстве планшетов.

Например, графический планшет Bit Pad One, созданный фирмой Summagraphics, работает именно на магнитострикционном принципе. Размер его рабочей области состявляет 300×300 мм, а на подложке под рабочей поверхностью планшета с шагом в 3 мм для каждой из осей расположены по 96 проволок, что обеспечивает разрешение по координате 0.1 мм. Стандартом на рынке для персональных компьютеров является планшет этой же фирмы Bit Pad Two, имеющий разрешение в 0.05 мм и точность в 0.5 мм.

2.6. Современный высокотехнологичный планшет

Основной рабочей частью в современных планшетах также является сеть из проводов (или печатных проводников). Хоть эта сетка и имеет достаточно большой шаг, иногда составляющий вплоть до 6 мм, механизм регистрации положения стилуса в пространстве позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки - около ста линий на миллиметр.

Стандартом является тот факт, что на перо для его непрерывной работы должно быть подано питание. Такой принцип лежит в основе функционирования стилуса в электростатических и электромагнитных планшетах. Но при работе электромагнитных планшетов возможны помехи от излучающих устройств, в частности мониторов. Но прогресс не стоит на месте. Фирма Wacom создала технологию на основе электромагнитного резонанса, когда сетка и излучает, и одновременно принимает сигнал, а перо лишь отражает его, вследствие чего при работе на данной планшете подавать питание на стилус нет необходимости.

Также уже созданы планшеты, в которых сила нажатия стилуса на экран вычисляется за счёт пьезоэлектрического эффекта. При нажатии пера в пределах рабочей зоны устройства, под которой находится сеть из тончайших проводников, на пластине пьезоэлектрика возникает разность потенциалов. Это и позволяет определять координаты нужной точки. Планшеты созданные на основе подобной разработки, вообще не требуют прилагать к ним специальный стилус и при этом позволяют чертить на рабочей поверхности планшета как на обычной чертёжной доске.

Если изначально инженеры упорно работали над совершенствованием распознавания только координат пера, в современных графических планшетах также могут определяться такие данные, как давление пера на рабочую поверхность, угол наклона, направление движения и сила сжатия пера рукой.

Также в комплекте к графическому планшету совместно с пером может поставляться специальная мышь. Она, тем не менее, работает не как привычная нам компьютерная мышь, а как особый вид стилуса. Такая мышь может работать только с определенным графическим планшетом. Так как разрешение планшета гораздо выше, чем разрешение обычной компьютерной мыши, то использование мыши и планшета в комплексе позволяет достичь значительно более высокой точности ввода необходимых данных.