Отец всех тачскринов: планшет RAND

АрхивСтатьи

Первые тачскрины изобрели ещё в шестидесятые годы прошлого века. Они смогли заменить неуклюжие световые пистолеты в деле наведения на цель самолётов-перехватчиков.

Современные потребительские гаджеты - это в первую очередь их пользовательский интерфейс. Многомиллионные продажи тачфонов и планшетов говорят сами за себя: пользователи активно голосуют кошельком за удобство управления своими устройствами. Сегодня сложно представить время, когда опыты разработчиков с таким обыденным ныне сенсорным интерфейсом находились на таком же начальном этапе, как сегодня, к примеру, голосовые интерфейсы. Но именно эти разработки и, главное, упорное желание производителей совершенствовать перспективный вид пользовательского интерфейса привели к появлению нынешних чрезвычайно чутких и отзывчивых сенсорных панелей.

Среди множества экспериментальных разработок начала шестидесятых годов прошлого столетия (именно в это время начался бум "тачскринизма") особняком стоит разработка корпорации RAND. Архитектурные особенности планшета этой исследовательской компании фактически легли в основу всех современных технологий ёмкостных сенсорных панелей, от простеньких тачпадов в бюджетных нетбуках до продвинутых планшетных мультитач-решений. Что же революционного было в RAND-планшете тогда, в золотые шестидесятые?

RAND - "корпорация добра" и "фабрика мысли"

Корпорация RAND и политически взрывоопасные шестидесятые неразрывно связаны. Советская пресса, с одной стороны, называла RAND "мозговым центром" и "фабрикой мысли", с другой - упорно связывала её со всеми возможными теориями заговора, именуя при этом "политическим стратегическим и аналитическим центром США".

Правда, как обычно, находится где-то посередине. В свидетельстве о регистрации некоммерческого независимого предприятия RAND (от Research ANd Development), датированном 1948 годом, указывается, что компания создаётся "для того, чтобы содействовать достижению целей в области науки, образования и благотворительности, в интересах общественного благополучия и безопасности Соединённых Штатов Америки".

Как видите, в стратегических целях создаваемого специализированного научно-исследовательского центра RAND изначально были заложены обе "стороны медали". И, наряду с Нью-Йоркским институтом RAND, среди разработок которого - известнейший метод экспертного оценивания Делфи, модели долгосрочного стратегического анализа и разработки в области кабельного телевидения, RAND - это ещё и Калифорнийский центр изучения поведения СССР за рубежом, рассматривающий глобальные вопросы "советского присутствия" и сыгравший не последнюю роль в пресловутом Карибском кризисе. Но что делать? Такое уж было время.

Впрочем, оставим политические страсти прошлого историкам. В большинстве своём исследовательские разработки RAND действительно носили стратегический характер. В том смысле, что, безусловно, определяли стратегию будущего развития множества областей знаний и технологий. Понимая это, руководство корпорации и её попечительский совет не скупились на финансирование перспективных разработок.

И RAND Tablet являлся одной из них. Идея его появления была сугубо милитаристской. Она возникла в ходе практической эксплуатации SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) - системы полуавтоматического наведения на цель самолётов-перехватчиков. Операторы SAGE взаимодействовали с модулем расчёта координат цели с помощью уникального для того времени устройства - светового пистолета (light gun), на смену которому чуть позже пришло световое перо (light pen).

Эти устройства непосредственного позиционирования существенно ускоряли ввод координат в расчётный модуль: операторы просто указывали нужную точку на координатной сетке дисплея, отображающего показания радарных установок. В основе их "световых мечей" лежал оптико-электрический принцип. Пистолет или перо фиксировали светящуюся точку на экране дисплея с электронно-лучевой трубкой, преобразовывали её в электрический сигнал, а затем передавали последний компьютеру для вычисления координат.

Работа оператора SAGE была не из лёгких, и то то, что им приходилось всё дежурство держать руку со световым пистолетом на весу, комфорта не добавляло. Кроме этого эргономического недостатка был ещё один: рука оператора со световым устройством закрывала обзор и без того небольшого экрана контрольного дисплея SAGE. В результате пропустить цель было проще простого.

Что если предложить оператору более естественный способ работы с информацией на экране? Пусть перо как инструмент позиционирования остаётся, вот только работать оно будет не с экраном, а со специальным планшетом, позволяющим перу получить точную координату места, на которое оно указывает. Так рассуждали инженер RAND Малкольм Дэвис (Malcolm Davis) и менеджер отдела стратегических разработок Томас Эллис (Thomas Ellis).

Проведя бесчисленное множество экспериментов с самыми разными технологиями, Дэвис и Элис к 1963 году были готовы перейти от создания концепции к её реализации. Результатом их трудов стала уникальная для того времени конструкция сенсорной панели, разрешающая способность и чувствительность которой до сих пор способны дать фору современным разработкам.

RAND Tablet изнутри

Внешне предложенное Дэвисом и Элисом решение выглядело как... планшет: покрытая эпоксидной смолой рабочая поверхность десять на десять дюймов и блок управления, содержащий электронную начинку разработки, состоящую из более чем четырёхсот транзисторов и двухсот диодов. Запитывалась схема от внушительных размеров блока питания.

Наиболее интересная часть планшета RAND скрывалась под залитой эпоксидной смолой поверхностью. На тончайший слой (0,5 миллиметра) майлара (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B9%D0%BB%D0%B0%D1%80 ) - полиэфирной плёнки, пришедшей на смену целлофану, - с двух сторон был нанесён тонкий (0,6 мм) слой меди, на котором и была вытравлена координатная сетка планшета. Верхняя поверхность содержала 1024 дорожки координат Х, а нижняя - 1024 дорожки координат Y. Таким образом, планшет RAND содержал миллион X-Y координат и обеспечивал беспрецедентное для того времени разрешение - 100 дорожек на дюйм.

Однако более важным элементом, чем филигранная координатная сетка, были шины, к которым крепилась каждая дорожка. Именно они выполняли роль токопроводящих обкладок, которые в совокупности с майларовым диэлектриком создавали массив конденсаторов, располагавшихся по периметру рабочей поверхности планшета. Подавая в строго определённые моменты времени положительные или отрицательные импульсы к строго определённым шинам X и Y дорожек, разработчикам удалось создать координатное поле, каждая дорожка которого в каждый момент времени уникально кодировалась последовательностью, состоящей из троек положительных и отрицательных импульсов. Принимая положительный импульс за бинарную единицу, а отрицательный импульс за ноль, можно было получить закодированные подобным образом X-Y-координаты любой точки на поверхности планшета.

Кодирование X-Y линий тройками двоичных единиц и нулей было выбрано неслучайно. Такой код, называемый троичным кодом Грея, был выбран разработчиками планшета для сведения к минимуму количества ошибок в ходе преобразования аналоговых по своей природе импульсов тактирования каждой дорожки в цифровые данные, передаваемые компьютеру.

Перо планшета RAND, внешне напоминающее обычную ручку, обладало высоким импедансом и было электростатически связано с координатной сеткой планшета. Таким образом, когда перо прикасалось к поверхности планшета, на вход усиливающей схемы поступали последовательности кода Грея тех дорожек X и Y, на пересечении которых перо находилось в данный момент.

Чтобы величина импульсов дорожек Y, располагающихся по отношению к перу под двумя слоями диэлектрика (майлар и эпоксидная смола поверхности), была равной импульсам дорожек X, размер и форма их шин были соответствующим образом рассчитаны и отличались от шин дорожек Х.

Работа планшета начиналась с момента замыкания контакта на кончике его пера. Сила нажатия, требуемая для такого замыкания, соответствовала нажатию кончика шариковой ручки на лист бумаги, что не вызывало у пользователя дискомфорта при работе с устройством.

Замыкание контакта инициировало подачу напряжения на усиливающую схему пера. С этого момента на её вход начинали поступать импульсы кодов Грея дорожек X и Y, над которыми перо находилось в данный момент. Усиленные импульсы стробировались и передавались на вход преобразователя кода Грея в бинарный код. В результате каждая дорожка X и Y кодировалась десятиразрядным бинарным числом, поступавшим в двадцатиразрядный регистр сдвига. Оттуда полученное двадцатиразрядное значение координат X-Y поступало в регистр интерфейса сопряжения с компьютером.

Но перед его использованием схема планшета проверяла наличие возможных ошибок, возникающих в ходе распознавания координат. Для этого двадцатиразрядная бинарная последовательность из регистра сдвига подавалась на вход преобразователя её обратно в код Грея. Полученные с его выхода троичные комбинации сравнивались с поступившими последовательностями импульсов с выхода усилителя пера. В случае полного совпадения схема "давала добро" на передачу координат компьютеру. В противном случае переключатель проверки корректности блокировал поступление ошибочно распознанных координат и компьютер получал предыдущее значение из регистра интерфейса сопряжения.

Цифровые значения координат пера поступали в видеосистему компьютера, которая отображала их на экране дисплея в виде точки. Высокоскоростной мультиплексор позволял подмешивать этот сигнал к видеоинформации, генерируемой программным обеспечением компьютера, размещая, таким образом, рисуемые точки на заданном фоне. Управляя задержкой отрисовки текущих и поступления новых координат, разработчикам удалось реализовать "электронные чернила" - последовательности точек, сливавшихся в одну линию. Благодаря этому решению с помощью планшета можно было работать с растровой графикой.

Планшет RAND широко применялся в разработках корпорации, связанных с непосредственным манипулированием графическими данными на экране дисплея. Опыт его эксплуатации показал, что пользователю требовалось совсем немного времени для того, чтобы сопоставить движение пера планшета и появление изображения отображаемых на экране линий.

Кроме сугубо коммерческого использования, несколько планшетов RAND были переданы в пользование университетам. Именно эти образцы и сподвигли исследователей к дальнейшему совершенствованию тач-технологии.

Нынешние ёмкостные сенсорные панели - архитектурные потомки планшета RAND. За исключением ряда нюансов, связанных с тем, что наш палец, в отличие от пера, не имеет непосредственной связи со схемой сенсорной панели, принципы получения координат поверхности у тачскрина-первопроходца и его далёких потомков являются одинаковыми.

Планшет RAND в прямом и переносном смыслах стал "пробой пера" привычных нам сенсорных технологий, открыв людям ещё один путь взаимодействия с их цифровыми помощниками. Путь, который сегодня превратился в широкую сенсорную магистраль, выложенную тачскринами миллионов наших гаджетов.