Файл: Графические планшеты (Принцип действия графического планшета).pdf

Помимо координат пера в современных графических планшетах определяются такие данные, как наклон, давление пера на рабочую поверхность, сила сжатия пера рукой и направление поворота в плоскости планшета.

Еще графические планшеты помимо пера могут комплектоваться специальной мышью, которая не работает как компьютерная, а основывается на принципе пера. Данный вид мыши может работать только на планшете^[27] [6, 7, 13, 14].

2.1. Сенсорный экран

Сенсорный экран является устройством ввода информации, которое представляет собой реагирующий на прикосновения экран. Сенсорный экран был изобретен в Америке в рамках исследований по программированному обучению. В 1972 году появилась компьютерная система, называемая PLATO IV, которая имела состоявший из 16×16 блоков сенсорный экран на сетке ИК-лучей. Несмотря на низкую точность, экран позволял пользователю выбрать ответ нажатием в определенное место экрана^[28].

В 1971 году Сэмюэль Херст разработал элограф, являющийся графическим планшетом, который действовал по четырехпроводному резистивному принципу. Через 3 года им же элограф был сделан прозрачным, а еще через 3был разработан пятипроводной экран. В компании Elographics при объединении с Siemens, сделали выпуклую сенсорную панель, которая подходила к кинескопам. Телевизор с сенсорным экраном был представлен на всемирной ярмарке в 1982 году компанией Elographics. Через год появился компьютер с сенсорным экраном на ИК-сетке HP-150^[29].

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^[30].

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^[31].

Существует множество разных типов сенсорных экранов, работающих на различных физических принципах^[32].

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^[33].

Принцип действия четырехпроводного резистивного сенсорного экрана представлен на рисунке 7^[34].

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^[35].

Пятипроводной экран являеется более надежным за счет замены на мембране резистивного покрытия проводящим. Это позволяет добиться работы 5-проводного экрана даже при прорезанной мембране. Резистивное покрытие нанесено на заднем стекле с четырьмя электродами по углам^[36].

Рисунок 7 – Принцип действия четырехпроводного резистивного сенсорного экрана

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^[37].

Принцип действия пятипроводного резистивного сенсорного экрана представлен на рисунке 8^[38].

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^[39].

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^[40].

Наибольшей популярностью на сегодняшний день пользуются емкостные сенсорные экраны. Тип экранов, которые называется поверхностно емкостными, основан на принципе проводимости переменного топа предметами большой емкости^[41].

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^[42].

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^[43].

Принцип действия емкостного сенсорного экрана представлен на рисунке 9^[44].

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^[45].

Принцип действия проекционно-емкостного сенсорного экрана представлен на рисунке 10^[46].

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 специальным контроллером формируется высокочастотный электрический сигнал и посылается 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^[47].

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^[48].

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^[49].

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^[50].

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^[51].

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^[52].

Индукционный сенсорный экран является графическими планшетом со встроенным экраном, реагирующим только на специальное перо^[53] [2, 7, 8, 12-15].

2.2. Световое перо

Световое перо является одним из инструментов ввода в компьютер графических данных и разновидностью манипуляторов.

Внешне световое перо имеет вид карандаша или шариковой ручки, которая соединена проводом с одним из портов ввода-вывода или видеоадаптером компьютера. Ввод данных с помощью данного контроллера заключается в проведении линий или прикосновениях пером поверхности экрана монитора, с использованием кнопок, имеющихся на пере, или без таковых^[54].

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

В наконечнике пера установлен фотоэлемент, замеряющий яркость свечения экрана в точке соприкосновения и регистрирующий момент наибольшей яркости, соответствующий моменту прохода электронного луча. Координаты экрана, куда в этот момент направлен луч, снимаются с видеоадаптера. В идеальном случае перо является частью видеоадаптера, и в нужный момент координаты записываются в специальный регистр, доступный программному обеспечению^[55].

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^[56] [5, 13].