Пристрої введення графічної інформації

Пристроями введення є ті пристрої, за допомогою яких можна ввести інформацію в комп'ютер. Головне їхнє призначення - реалізовувати вплив на машину. Різноманітність випускаються пристроїв вводу породили цілі технології від видимих до голосових. Хоча вони працюють по різним принципам, але призначаються для реалізації однієї задачі - дозволити людині зв'язатися з комп'ютером.

 Пристрої введення графічної інформації знаходять широке поширення завдяки компактності і наочності способу подання інформації для людини.

 За ступенем автоматизації пошуку і виділення елементів зображення пристрою введення графічної інформації діляться на два великі класи: автоматичних і напівавтоматичні. У напівавтоматичних пристроях введення графічної інформації функції пошуку і виділення елементів зображення покладаються на людину, а перетворення координат зчитувальних точок виконується автоматично. У автоматичних пристроях процес пошуку і виділення елементів зображення здійснюється без участі людини. Ці пристрої будуються або за принципом сканування всього зображення з подальшою його обробкою і перекладом з растрової форми подання у векторну, або за принципом стеження за лінією, що забезпечує введенням графічної інформації, представленої у вигляді графіків, діаграм, контурних зображень.

 Основними областями застосування пристроїв введення графічної інформації є системи автоматизованого проектування, обробки зображень, навчання, управління процесами, мультиплікації та багато інших. До цих пристроїв відносяться сканери, що кодують, планшети (Диджитайзер), світлове перо, цифрові фотокамери, маніпулятор "миша" та інші.

 

Мишка

Пристрій ручного введення інформації - мишка - стає все більш вагомою і важливою. Управляти курсором або маркером на екрані за допомогою однієї клавіатури буває жахливо безглуздо, коли для цього є спеціальні пристрої-покажчики: «мишка» або трекбол, які прийнято називати координатними маніпуляторами, - це найпоширеніші сьогодні пристрою для дистанційного керування графічними зображеннями на екрані. Набирати які-небудь команди не потрібно, досить при роботі в програмі вказати мишкою потрібну операцію меню або іконку у вікні на екрані, а потім клацнути кнопкою. От і все, що потрібно, а інше зробить програма.

Мишки бувають з двома і трьома кнопками. Взагалі-то практично для всіх випадків життя на мишці достатньо двох кнопок.

Трекбол мало чим відрізняється від мишки. По суті - це та ж сама мишка, але перевернута догори кулею. Якщо мишку треба возити по столу щоб керувати переміщенням маркера на екрані, то в трекболі треба просто крутити пальцями або долонею саму кульку в різні боки.

У портативних комп'ютерах трекбол нерідко вбудовується прямо поруч із клавіатурою або пристібається з боку або спереду клавіатури комп'ютера. Втім, і для настільних комп'ютерів випускаються клавіатури з «вбудованим трекболом». А в самих портативних комп'ютерах замість мишки і трекбола тепер використовують крихітний пойнтер - невеликий кольоровий ричажок, що стирчить серед клавіш на клавіатурі, який, немов джойстик, можна натискати в різні боки.

Крім традиційних мишок, підключених до комп'ютера тоненьким кабелем, випускаються бездротові мишки, що передають інформацію з допомогою інфрачервоних або радiохвиль.

Пристрій і принцип роботи.

Механічні «миші». У них використовується маленький куля, яка виступає через нижню поверхню пристрою й обертається у міру її переміщення по поверхні. Перемикачі усередині миші визначають переміщення і напрямок руху кулі. Хоча куля може рухатися в будь-якому направленні, визначаються тільки чотири напрямки. Переміщення в кожному з них вимірюється в сотих частках дюйма. Після проходження цього дискретного відстані формується спеціальний сигнал для центрального блоку. Механічна миша практично може працювати на будь-якій поверхні. Можна обертати кульку навіть пальцем, але в цьому випадку виникнуть проблеми з натисканням кнопок. З іншого боку механічній миші потрібно якийсь простір. Механічним частинам властиві поломки.

Оптична миша. Тут замість крутящої кульки використовується промінь світла, скануючий координатну сітку, нанесену на спеціальну під-ложку. За допомогою такого механізму і визначається рух. Відсутність рухомих частин у такому пристрої підвищує його надійність. У цих приладах використовуються дві пари LED і фотодетекторів, що встановлюються на задній стінці. Одна пара орієнтована під прямим кутом по відношенню до іншої. Підкладка вкрита я безліччю жовтої і блакитної координатних сіток. Кожна пара LED і фотодетекторів визначають рух в обох напрямках при проходженні через відповідні сітки. Спеціальне покриття нижньої стінки миші полегшує ковзання по покритій пластиком підкладці. Великим недоліком оптичної миші є необхідність використовувати спеціальну підкладку. З одного боку, ви можете покласти її в будь-яке місце, і пристрій буде працювати. Але, з іншої сторони, така підкладка легко забруднюється, і пристрій перестає працювати. Та й саме пластикове покриття легко ушкоджується.

Сканери

Сканер відноситься до автоматичних пристроїв введення графічної інформації. Існують декілька типів сканерів, що розрізняються за способом переміщення зчитувального механізму (його головки) та оригіналу щодо один одного: ручний, рулонний, планшетний, проекційний і барабанний.

Сканер дозволяє оптичним шляхом вводити чорно-білу або кольорову друковану графічну інформацію з аркуша паперу. Відсканувавши малюнок і зберігши його у вигляді файлу на диску, можна потім вставити його зображення в будь-яке місце в документі за допомогою програми текстового процесора або спеціальної видавничої програми електронної верстки, можна обробити це зображення в програмі графічного редактора або відіслати зображення через факс-модем на телефакс, що знаходиться на іншому кінці світу.

Сканер - це очі комп'ютера. Спочатку вони створювалися саме для введення графічних образів, малюнків, фотографій, креслень, схем, графіків, діаграм. Однак, крім введення графіки, в даний час вони все ширше використовуються в досить складних інтелектуальних системах OCD (Optical Character Recognition), тобто оптичного розпізнання символів. Ці «розумні» системи дозволяють вводити в комп'ютер і читати текст.

Спершу текст вводиться в комп'ютер з паперу як графічне зображення, а потім комп'ютерна програма обробляє це зображення по складним алгоритмам і перетворює в звичайний текстовий файл, що складається з символів ASCII. А це означає, що текст книги або газетної статті можна швидко вводити в комп'ютер, зовсім не користуючись клавіатурою.

Сканери бувають різних конструкцій.

Ручний сканер. Це найпростіший і дешевий сканер. Ручний сканер, немов мишка, з'єднується кабелем з комп'ютером. При прокатуванні сканера по сторінці книги чи журналу, необхідне зображення зчитується і в цифровому коді вводитися в пам'ять комп'ютера. У ручному сканері роль привода зчитувального механізму виконує рука. Зрозуміло, що рівномірність переміщення сканера істотно позначається на якості вводиться в комп'ютер зображення. Ширина зображення, що вводиться для ручних сканерів звичайно не перевищує 4 дюймів (10 см). Сучасні ручні сканери можуть забезпечувати автоматичну «склеювання» зображення, тобто формують ціле зображення з окремо введених його частин. До основних переваг цих сканерів відносяться невеликі габаритні розміри і порівняно низьку ціну, однак домогтися високої якості зображення з їх допомогою дуже важко, тому ручні сканери можна використовувати для обмеженого кола завдань. Крім того вони абсолютно позбавлені «інтелектуальності», властивої іншим типам сканерів.

Планшетний сканер. Це найбільш поширений тип сканерів. Спочатку він використовувався для сканування непрозорих оригіналів. Майже всі модулі мають знімну кришку, що дозволяє сканувати "товсті" оригінали (журнали, книги). Додатково деякі моделі можуть оснащуватися механізмом подачі окремих листів, що зручно при роботі з програмами розпізнавання текстів - OCR. В останні час багато фірм лідерів у виробництві площинних сканерів стали додатково пропонувати слайд-модуль (для сканування прозорих оригіналів). Слайд-модуль має своє, розташоване зверху, джерело світла. Такий слайд-модуль встановлюється на площинний сканер замість простої кришки і перетворює сканер в універсальний.

Барабанний сканер. Основна його відмінність полягає в тому, що оригінал закріплюється на прозорому барабані, що обертається з великою швидкістю. Зчитує елемент розташовується максимально близько від оригіналу. Дана конструкція забезпечує найбільшу якість сканування. Звичайно в барабанні сканери встановлюють три фото помножувача, і сканування здійснюється за один прохід. «Молодші» моделі у деяких фірм з метою здешевлення використовують замість фото помножувача фотодіод в якості елемента, що зчитує. Барабанні сканери здатні сканувати будь-які типи оригіналів.

На відміну від площинних сканерів зі слайд-модулем, барабанні можуть сканувати непрозорі і прозорі оригінали одночасно.

Принцип роботи

Механізми зчитування зображення базуються або на фото помножувачах або на ПЗЗ (прилад із зарядовим зв'язком). Фото помножувач найпростіше порівняти з радіолампним-фотосенсором, у якої є пластини катода й анода і яка конвертує світло в електричний сигнал. Зчитувальна інформація подається на фото помножувач крапка за крапкою з допомогою світлового променя. ПЗЗ - відносно дешевий напівпровідниковий елемент досить малого розміру. ПЗЗ так само як і помножувач конвертує світлову енергію в електричний сигнал. Набір елементарних ПЗЗ-елементів розташовують послідовно в лінію, отримуючи лінійку для зчитування відразу цілого рядка, природно і висвітлюється відразу цілий рядок оригіналу. Кольорове зображення такими сканерами зчитується за три проходи (за допомогою RGB-світлофільтра). Багато сканерів мають три паралельні лінійки ПЗЗ, тоді сканування кольорових оригіналів здійснюється за один прохід, тому що кожна лінійка зчитує один з трьох базових кольорів. Потенційно ПЗЗ-сканери мають більшу ніж барабанні сканери на фотопомножувача швидкодію.

Диджитайзер

Диджитайзер - пристрій введення графічної інформації, що має поки порівняно вузьке застосування для деяких спеціальних цілей. Свою назву диджитайзери отримали від англійського digit - цифра. Тобто по-українськи їх можна назвати просто «оцифровувачі». Втім, є й більш милозвучна назва - цифрові перетворювачі.

Зазвичай диджитайзери виконуються у вигляді планшета. Тому такі пристрої часто називають графічними планшетами. Застосовується такий диджитайзер для координатного введення графічних зображень в системах автоматичного проектування, в комп'ютерній графіці та анімації. Треба відзначити, що це далеко не найшвидший і зручний спосіб побудови малюнків і креслень, особливо у випадку складної геометрії. Але зате графічний планшет забезпечує найбільш точне введення графічної інформації в комп'ютер.

Графічний планшет звичайно містить робочу площину, поруч з якою знаходяться кнопки управління. На робочу площину може бути нанесена допоміжна координатна сітка, що полегшує введення складних зображень в комп'ютер. Для введення інформації служить спеціальне перо або координатний пристрій з «прицілом», підключений кабелем до планшета. Сам диджитайзер також підключається до комп'ютера кабелем через порт зв'язку. Роздільна здатність таких графічних планшетів не менше 100 dpi (точок на дюйм).

У найдосконаліших і дорогих диджитайзерах введення інформації відбувається без спеціальних пер або прицілів, так як робоча поверхня планшета володіє «тактильною чутливістю», заснованої на використанні п'єзоелектричного ефекту. При натисканні на точку, розташовану в межах робочої поверхні планшета, під якою прокладено сітка з тонких провідників, на пластині п'єзоелектрики виникає різниця потенціалів. Координати цієї точки виявляються програмою драйвером, якасканує сітку провідників. Ця програма виконає відображення точки на екран монітора. П'єзоелектричні диджитайзери дозволяють креслити на робочій поверхні планшета, немов на звичайній креслярської дошці, і таким шляхом вводити навіть неіснуючі зображення. При цьому графічна інформація вводиться з роздільною здатністю 400 dpi.

                                               3.4. Світлове перо

Світлове перо відноситься до напівавтоматичних пристроїв, що здійснюють безпосередній контакт з екраном, і працює за принципом тимчасового збігу. Пером цей пристрій названо умовно, тому що ніякого впливу на екран воно не робить, а саме сприймає його світлове випромінювання.

Конструктивно світлове перо складається з циліндричного корпусу, всередині якого розміщено світлочутливий елемент. На загостреному кінці пера є отвір, в якому закріплена лінза, фокусуюча попадаюче на неї світло і направляюча його на світлочутливий елемент. Останній зв’язаний з підсилювачами, які впливають на порогову схему. Всі ці елементи звичайно зібрані в одному корпусі. Для виключення впливу навколишнього світла перо включається лише після притиснення його кінця до поверхні екрану. У деяких конструкціях пера зв'язок з екраном здійснюється за допомогою пучків оптичних волокон, а світлочутливий елемент та підсилювачі розташовуються в окремій збірці. При такій конструкції розміри і маса пера зменшуються.

Конструкція (а) і електрична схема (б) світлового пера: 1 - з'єднувальний кабель, 2 - транзистор, 3 - корпус, 4 - наконечник, 5 - фотодіод, 6 - пружинний контакт, 7 - провідники.

При поєднанні кінчика пера з з’являючимся на екрані графічним елементом або знаком у його схемі виникає імпульс у момент генерування блоком управління дисплея саме цього елемента. Якщо регенерація зображення здійснюється шляхом циклічного зчитування кодів з пам'яті і їх перетворення, то в момент виникнення імпульсу від світлового пера може бути прочитаний адресу осередку автономної пам'яті, де записано код зазначеного пером елемента.

При використанні для регенерації зображення окремої пам'яті, як у дисплеях з повнографічними можливостями, з моменту виникнення імпульсу визначається координата точки екрана, тому що їй відповідає поточне значення адреси пам'яті регенерації. За цією адресою програмно можуть бути визначені коди зазначеного елемента у вихідному файлі. Вказавши пером на який-небудь елемент і визначивши таким чином для схеми управління його розташування в пам'яті, оператор натисканням функціональної клавіші видає команду на відповідну зміну цього елемента: стирання, зсув, вимірювання конфігурації, заміну і так далі. Очевидно, що сигнал від світлового пера може бути отриманий тільки при торканні його точки екрана, де є світяще зображення, так що визначити яку-небудь крапку в темному місці екрана за допомогою пера неможливо. Для усунення цього недоліку в дисплеях растрового типу з пам'яттю регенерації передбачається режим так званий "негативного зображення", коли висвічуються всі крапки формату кадру, крім тих, через які проведено графічні образи. Здійснюється цей режим простим інвертуванням імпульсів модуляції, потрапляючих на трубку.

Зауважимо також, що використання світлового пера в принципі неможливо для графічних дисплеїв, побудованих на базі запам'ятовуючих трубок, де світіння екрана постійно у часі. Світлове поле, що діє на перо, звичайно значно більше розміру однієї точки формату екрану ЕПТ, що ускладнює точне визначення координат, особливо при складних насичених зображеннях. Тому процес ідентифікації графічного елементу зазвичай підтверджується якою-небудь ознакою. Якщо в процесі торкання екрана перо зафіксувало точку, що відноситься до певного графічного елемента, то блок управління дисплея повинен забезпечити, наприклад, мерехтіння цього елемента або зміну його яскравості, що дозволяє оператору судити про успішність його дії.

Принцип роботи світлового пера в режимі позиціонування нових графічних елементів. При цьому режимі схема управління дисплеєм виводить на екран в деякій точці зображення "курсору" або перехрестя. Воно використовується як візуальна опорна точка на екрані. "Захопивши" зображення курсору світловим пером, оператор переміщає його по екрану в потрібному напрямку. Блок управління курсором забезпечує його рух слідом за пером. Так як поточні координати центру курсору завжди відомі, то в пам'яті залишається безліч координат точок, через які він проходить. Існують різні способи реалізації такого стеження.

Зазвичай курсор являє собою набір точок, що утворюють вертикальні і горизонтальні відрізки, іноді це може бути невелике  коло або квадрат. Площа курсору приблизно відповідає розмірам отвору на кінці світлового пера. Коли цей отвір частково зміщується щодо центру курсору, то лише певні точки перехрестя в процесі їх регенерації на екрані утворюють через світлове перо імпульси. Використовуючи цю інформацію, схема управління або програма ЕОМ переміщує курсор так, щоб його центр співпадав із центром отвору пера. Процес визначення розміщення та пересування курсору здійснюється безперервно. При визначенні певних умов можливий "відрив" світлового пера від курсору. Тоді останій залишається нерухомим і повинен бути знову "захоплений" оператором. У процесі руху курсору можуть бути реалізовані різні режими, які задаються через функціональну клавіатуру: висвічування точок в окремих фіксованих курсором позиціях, проведення векторів або дуг через задані точки, безперервне "малювання" і т.д.

При розробці світлового пера його оптичні та електричні властивості - чутливість і швидкодія - повинні бути узгоджені з параметрами випромінювання люмінофора і тривалістю імпульсів модуляції.

 Кращі сучасні зразки пер забезпечують чутливість до випромінювання потужністю в кілька мікроват на квадратний сантиметр при тривалості імпульсів модуляції близько 200 нс. На чутливість пера впливає і спектр випромінювання, визначається використовуваним в ЕЛТ люмінофором. Незважаючи на значні досягнення в галузі розробки світлочутливих елементів, проблема використання світлового пера при кольоровому зображенні і високій роздільній здатності екрану залишається до кінця не вирішеною.