Мануальное воздействие: технологии сенсорных экранов
АрхивВводСознайтесь, устали барабанить по клавишам? Надоело гонять мышь по столу, выбирая нужную точку из массива 1024х768? А ведь иной способ "общения" с ПК был изобретён более тридцати лет назад! Это сенсорный экран, который, к сожалению, многие видели только в кино.
Способов взаимодействия человека и компьютера сегодня существует довольно много. Это клавиатуры, мыши, джойстики, микрофоны, а порой, и веб-камеры. Кто-то вспомнит технологию motion capture и системы CAVE. Но не будем углубляться в узкоспецифические области и описывать традиционные способы ввода информации. Поговорим о сенсорных экранах, тем более что с распространением карманных и планшетных компьютеров эти устройства вскоре станут такими же привычными, как кнопка и колесо.
История создания сенсорного экрана берёт начало в 1970 году. Тогда Джордж "Сэм" Херст, преподаватель Университета штата Кентукки, столкнулся с проблемой считывания данных с лент самописцев. Перед Херстом стояла задача обработать такое огромное количество лент, которых хватило бы двум студентам на пару месяцев. Поразмыслив над тем, как автоматизировать этот процесс, Джордж Херст с группой единомышленников основал компанию Elotouch, которая и стала пионером в производстве сенсорных экранов. Первое устройство сенсорного ввода, получившее имя Elograph, было скорее, дигитайзером и использовало так называемый резистивный принцип определения координат.
Сегодня мониторы и панели, чувствительные к нажатию, выпускают более сотни компаний. Применяются сенсорные экраны не только в ПК – им нашлось место в информационных киосках, машинах для голосования, различных системах сбора данных. Сенсорные экраны наиболее пригодны для организации гибкого интерфейса, интуитивно понятного даже далёким от техники пользователям. Разные источники выделяют шесть (иногда - семь) разновидностей сенсорных экранов. Но при внимательном рассмотрении можно увидеть, что в этих устройствах используются всего четыре базовых принципа – резистивный, ёмкостный, акустический и инфракрасный.
Первенцем среди персоналок, оборудованных сенсорными экранами, стала HP-150, выпущенная Hewlett-Packard в 1983 году. Здесь для отслеживания нажатий применялась сеть инфракрасных лучей, организованная перед обычным ЭЛТ-экраном. Система представляла собой матрицу 21х14, составленную из инфракрасных свето- и фотодиодов. В наши же дни известны и другие принципы функционирования сенсорных экранов, причём "инфракрасный" не считается устаревшим, пусть его область применения и ограничена.
Резистивный сенсор
В этой конструкции экран представляет собой стеклянную либо акриловую пластину, покрытую двумя токопроводящими слоями. Слои разделены незаметными глазу прокладками, которые предохраняют сеть вертикальных и горизонтальных проводников от соприкосновения. В момент нажатия слои контактируют и контроллер регистрирует электрический сигнал. Координаты нажатия определяются, исходя из того, на пересечении каких проводников был зарегистрировано воздействие.
Изготовленные по 4-проводной технологии экраны могут иметь диагональ 12-20 дюймов и разрешение 1024 x 1024 пикселей. Время реакции не превышает 10 мс, а для срабатывания нужно приложить усилие в 50-120 г/см2. Погрешность определения координат может достигать 3 миллиметров. К недостаткам технологии можно отнести снижение на 75-80% мощности светового потока, излучаемого монитором. Но это компенсируется простотой устройства, низкой ценой и малой восприимчивостью к вредным внешним воздействиям.
5-проводной вариант резистивного экрана отличается большей надёжностью и повышенным разрешением. Если 4-проводные экраны выдерживают около 3 млн. нажатий в одну и ту же точку, то ресурс 5-проводных устройств – 35 миллионов. Разрешение же может достигать 4096 х 4096 точек. За это, правда, приходится платить пониженным светопропусканием – из всех разновидностей сенсоров 5-проводная панель заметнее всех "гасит" монитор. Эти панели применяются, в основном, в промышленности, медицине и торговле. А четырехпроводные резистивные экраны нашли себе место в таких устройствах, как КПК и планшетные компьютеры: там, где важнее снизить стоимость устройства и обеспечить лёгкость восприятия информации. Компания Hewlett-Packard в очередной раз пошла дальше всех и оснастила КПК iPaq hx4700 тачпадом, встречавшимся ранее только в ноутбуках. Разумеется, тачпад изготовлен тоже по резистивной технологии.
Ёмкостный сенсор (электростатический)
В работе ёмкостного экрана человек участвует не только механическим, но и электрическим образом. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом. Прикосновение пальца меняет картину заряженности, "оттягивая" часть заряда к точке нажатия. Датчики экрана, расположенные по всем четырём углам, следят за течением заряда в экране, определяя таким образом координаты "утечки" электронов.
Ёмкостные экраны также отличаются высокой надёжностью (в них отсутствуют гибкие мембраны) и высокой степенью прозрачности. Правда они не годятся для работы стилом или перчаткой – нажимать на экран необходимо "голым пальцем". Так что подобие сенсорного дисплея Cintiq от компании Wacom таким образом не сконструировать. Зато впечатляет надёжность ёмкостного экрана – до миллиарда (!) нажатий в одно и то же место. Идеальный вариант для вокзального информатория. Надо оговориться, что существуют и такие ёмкостные экраны, где возможна работа со стилом. Но не спешите подносить к экрану стило, извлечённое из КПК или планшетного компьютера – ёмкостный сенсор отреагирует только на то стило, что было изготовлено специально для него. Ёмкостный принцип иногда используется и в "обычных" клавиатурах, причём эти клавиатуры отличаются от механических и мембранных большей надёжностью и стойкостью к пыли и влаге.
Акустические сенсоры
Такие экраны построены с использованием миниатюрных пьезоэлектрических излучателей звука, не слышимого человеком. Стекло такого экрана постоянно незаметно вибрирует под воздействием излучателей, установленных в трёх углах экрана. Специальные отражатели особым образом распространяют акустическую волну по всей поверхности экрана. Прикосновение к экрану меняет картину распространения акустических колебаний, что и регистрируется датчиками. По изменению характера колебаний можно вычислить координаты "возмущений", внесённых нажатием на экран. Кроме этого, анализируя степень изменения колебаний, можно вычислить силу нажатия на экран. Это полезно при проектировании систем управления промышленным оборудованием, например, для плавного изменения скорости вращения двигателей и других параметров.
Среди плюсов акустических экранов – отсутствие покрытий, что повышает надёжность и прозрачность экрана. Прохождение света ухудшается всего на 10%, а ресурс экрана оценивается в фантастические 50 млн. нажатий в одной точке. Разрешение акустических экранов может достигать 4096 x 4096 точек.
Первопроходец отрасли, компания Elotouch добилась максимальной интеграции акустических экранов и ЭЛТ-мониторов. Технология iTouch предусматривает установку излучателей и датчиков не на отдельном экране, а прямо на стекле кинескопа. Этот вариант выглядит даже предпочтительнее, нежели приобретение отдельного экрана. Как-никак, кинескопы изготавливаются с огромным запасом прочности, ведь им приходится выдерживать большое давление окружающей атмосферы (напомним, внутри кинескопа - вакуум). Так что надёжней приобрести ЭЛТ-монитор, доработанный в Elotouch, нежели вешать перед его экраном хрупкую рамочку акустического сенсора.
Инфракрасные сенсоры
Инфракрасные сенсорные экраны со времён HP-150 практически не изменились. Схема остаётся той же – рамка вокруг монитора, в которой установлены излучатели и приёмники инфракрасного излучения. Минусы этой конструкции – низкое разрешение датчиков и возможность ложного срабатывания в результате посторонней засветки. Зато при больших диагоналях экранов эта технология пока незаменима. К тому же, все вышеперечисленные разновидности сенсорных дисплеев подвержены так называемому "дрейфу активной точки". Владельцы КПК наверняка сталкивались с тем, что им периодически необходимо калибровать экран своего карманного друга. Калибровочная программа предлагает несколько раз ткнуть стилом в маркер, появляющийся в разных местах экрана. Проводится эта процедура не каждый день, но чем старше становится ваш КПК, тем чаще это приходится делать. "Прицел" же инфракрасного сенсора в силу его конструкции не сбивается никогда.
Стоит вспомнить и о том, что физического контакта "пользователь-экран" не происходит, отсутствуют механические детали (как в резистивных сенсорах) – значит, надёжность системы повышается. А если сравнить стоимость контроллера инфракрасного сенсора с "обвязкой" других систем, становится ясно, что и здесь ИК-экраны в плюсе. Ёмкостные и акустические экраны сложны в изготовлении и определяют координаты нажатия с помощью сложных алгоритмов, что требует некоторой вычислительной мощности. А в ИК-экранах линейки фото- и светодиодов жёстко привязаны к декартовым координатам. Тем самым, показания датчиков интерпретируются быстро, однозначно и недорого.
Кстати, продукция компании Wacom имеет мало общего с обычными сенсорными экранами, ведь при работе с графическими планшетами компании физического контакта пальца/стила с экраном не требуется. Правда, стило, называемое в Wacom "пером", будет посложнее, нежели кусочек пластмассы с фторопластовым наконечником.
В устройствах Graphire, Intuos и Cintiq применяется технология электромагнитного резонанса (ЭМР), основное преимущество которой – отсутствие проводов и батарей как у пера, так и у мыши. В простейшем случае перо содержит только колебательный контур из катушки и конденсатора. В планшете же имеется множество катушек, витки которых пересекаются. Под катушками – металлический экран, не выпускающий магнитное поле в неподобающем направлении.
Цикл работы пары "перо-планшет" состоит из нескольких этапов. Вначале на отдельную катушку планшета подаётся напряжение высокой частоты и вокруг неё генерируется магнитное поле (МП). Затем выводы катушки коммутируются на усилитель и планшет переходит в режим приёма сигнала. Тем временем катушка пера (если она находится над тем местом планшета, где возникло МП) генерирует ЭДС и соединённый с ней конденсатор накапливает заряд. Далее конденсатор начинает отдавать энергию обратно в катушку пера, та, в свою очередь, генерирует переменное МП. Параметры колебательного контура пера подобраны таким образом, чтобы создаваемое им МП резонировало с частотой МП катушек планшета. Напряжение, индуцированное в катушке планшета, поступает на АЦП, затем цикл повторяется для каждой катушки планшета. После этого происходит чисто вычислительный процесс, результат которого – координаты пера.
Как уже говорилось, принцип магнитного резонанса не требует физического контакта пера и планшета. Более того, расстояние между ними может достигать 14 мм. Поэтому стало возможным создание профессионального планшета Cintiq, предназначенного для дизайнеров и архитекторов. В этом планшете электромагнитный сенсор находится позади обычной ЖК-панели, которая не мешает перу "общаться с планшетом". Пользователям Cintiq не приходится жаловаться на то, что сенсорная панель ухудшает изображение, а это для графического дизайна вопрос первостепенный.
Кстати, Wacom налаживает контакты с производителями КПК, предлагая им сменить традиционные резистивные сенсорные экраны на свою разработку. Кроме упомянутого плюса (датчик Wacom не влияет на качество изображения) в компании утверждают, что применение их сенсоров позволит уменьшить толщину карманных компьютеров. Да и технология производства у Wacom проще, что благоприятно сказывается на цене продукта.
Сегодня Wacom по праву занимает место лидера среди производителей планшетов. Пользователи выбирают устройства Wacom из-за удобства работы: благодаря уникальной патентованной технологии ЭМР перья и мыши Wacom не привязаны проводами к планшету и не требуют питания. Что же до других производителей планшетов – Aiptek, Genius, Calcomp и прочих, – им приходится использовать резистивные сенсоры и потому плестись в хвосте. Но есть и другие принципы построения дигтайзеров – например, сонарный. Планшет здесь не требуется, а координаты нажатия определяются с помощью системы микрофонов, пеленгующих щелчки, издаваемые стилом. Подобные устройства выпускает компания GTCO, но стоимость в районе 2300-2600 долларов не позволяет говорить об этих дигитайзерах как об аксессуарах домашнего компьютера.
Нет сомнений, что сенсорные экраны ожидает большое будущее. С проникновением высоких технологий в нашу жизнь разработчики всё больше задумываются над тем, как обеспечить эффективное взаимодействие человека и техники. Сенсорные экраны помогут сделать этот процесс легче, а также открыть новые точки зрения на интерфейс "человек-компьютер".
