В одно касание

АрхивВвод

Хотя способов взаимодействия человека и компьютера придумано множество, в абсолютных фаворитах ходят мышки, клавиатуры и, пожалуй, джойстики - даже несмотря на то, что для новичка они не являются интуитивно понятными.

Хотя способов взаимодействия человека и компьютера придумано множество, в абсолютных фаворитах ходят мышки, клавиатуры и, пожалуй, джойстики - даже несмотря на то, что для новичка они не являются интуитивно понятными (правда, дело тут скорее в интерфейсе операционной системы, нежели в самих устройствах). Впрочем, их массовость обусловлена одним немаловажным фактором - универсальностью

Но кроме упомянутой троицы есть целый ряд устройств ввода, вроде сенсорных экранов, планшетов и электронных перьев, обеспечивающих взаимодействие более естественным способом - например, нажатием "непосредственно" на виртуальную кнопку или рисованием на экране линий, как на бумаге.

Первыми приходят на ум экраны терминалов по оплате телефона, затем - КПК, ноутбучные тачпады и даже планшеты известной фирмы Wacom. Правда, все эти (и другие, подобные им) устройства либо сугубо утилитарные, либо занимают одну-две узкие ниши, оставаясь востребованными профи или "продвинутыми любителями".

Разумеется, можно сказать, что появились-де они недавно (а значит, люди их просто-напросто не "распробовали"), однако история вычислительной техники показывает, что способы общения, основанные на принципах естественного (прямого) взаимодействия человека с машиной, имеют примерно тот же возраст, что и мышь, - то есть почти полвека!

История появления

Появление этих систем неразрывно связано с появлением монитора (ЭЛТ) в качестве средства вывода изображения (вместо лампочек и перфолент). Это радостное событие произошло 20 апреля 1951 года, когда в строй вступил военный компьютер Whirlwind ("Вихрь").

Он был первым по многим параметрам - первый компьютер с графическим дисплеем, первый компьютер реального времени, первый компьютер, который не был построен в качестве замены механических систем, первый компьютер с использованием основной памяти… Как и полагалось компьютерам "каменного века", Whirlwind был огромным - он занимал площадь 306,6 м2, требовал команды из 175 человек, включая 70 человек технического персонала, и использовался ВМС США в качестве авиасимулятора (sic!) для наземной тренировки пилотов. А вообще этот компьютер был частью большого и амбициозного проекта по созданию системы раннего предупреждения о воздушном нападении, SAGE (Semi-Automatic Ground Environment). Что же касается графического дисплея, то в данной системе он был монохромным и имел разрешение 256х256 точек.

Такие возможности не остались незамеченными - первая графическая система, созданная совместными усилиями General Motors и IBM, увидела свет в 1959 году и называлась DAC-1 (Design Augmented by Computers, "дизайн, дополненный компьютером"). Она позволяла задавать описания трехмерных модели кузова автомобиля (рис. 1) и вращать получившуюся модель, рассматривая результат со всех сторон. Фактически она заложила основы современных САПР.

Далее мы просто обязаны вспомнить Айвена Сазерленда (Ivan Sutherland), студента Массачусетского технологического института (MIT), который считается "дедушкой" интерактивной компьютерной графики и графического пользовательского интерфейса (GUI). Именно он в 1961 году написал первую интерактивную программу для рисования - Sketchpad [Sutherland, Ivan E. Sketchpad: A Man-Machine Graphical Communication System. Proceedings of the AFIPS Spring Joint Computer Conference Washington, D.C.: 1963, p. 329-346.]. В качестве инструмента она использовала световое перо. Само перо, кстати, было придумано семью годами раньше.

Программа Sketchpad была пионером во всем, что касалось концепции графической обработки данных: в рисовании прямых линий, окружностей, многоугольников, а также хранении нарисованных объектов как отдельных графических примитивов (вот оно, начало векторной графики). Фактически это был первый GUI, появившийся задолго до того, как был придуман сам термин.

Как это работает

Базовый принцип работы светового пера на удивление прост и заключается в определении областей экрана с повышенной яркостью (для чего в наконечнике пера установлен фотоэлемент, который и реагирует на свет). Задача по определению места расположения пера на экране решается по тому же принципу, что и поиск льва в пустыне - то есть, сначала экран делится пополам, одна половина засвечиватеся, потом определяется, в котрой из половинок был сигнал, потом эта половина снова делится пополам, ну и так далее, пока не находится перо. Разумеется, это всё происходит очень быстро и для глаз незаметно. Благодаря такой схеме работы перу не требуется ни специального экрана, ни особого покрытия.

Световое перо было таким удобным инструментом для ввода графической информации, что в течение некоторого времени компьютеры от IBM снабжались им в обязательном порядке.

А его интерфейс LPEN был интегрирован во все видеоадаптеры семейств Hercules, MDA (MGA), CGA и EGA. Однако с повышением разрешения и частоты развертки графических мониторов поддержка LPEN стала чересчур сложной и дорогой, и от светового пера в конце концов отказались.
Благо к тому времени появились и другие системы интерактивного ввода - например, сенсорные дисплеи.

Технология прикосновения

Суть сенсорного экрана сводится к фиксации перемещений указательного устройства, которое находится в руках пользователя, и фиксации касаний (нажатий) экрана этим устройством. Существует пять наиболее распространенных технологий распознавания: инфракрасная, акустическая, резистивная, емкостная и индукционная. Резистивный метод, как наименее зависящий от внешних факторов, получил наибольшее распространение.

Об устройстве каждой из этих разновидностей сенсоров относительно недавно рассказывал Сергей Леонов ["КТ" #25-26 от 12 июля 2006 года], поэтому вдаваться в подробности я не буду, а лишь вкратце напомню схему работы.

Сенсорная панель, выполненная по резистивной технологии, представляет собой две пластины (обычно одна стеклянная, вторая - пленочная), покрытые тончайшим слоем токопроводящего материала. Слои разделены крошечными изоляторами (их можно увидеть как маленькие полупрозрачные точки), предохраняющими поверхности от соприкосновения. В момент нажатия слои контактируют, и происходит замыкание цепи. Вычисление же координат касания становится возможным благодаря тому, что при замыкании образуется эквивалент резистивного делителя (как следствие ненулевых сопротивлений проводящих слоев), с которого снимается аналоговый сигнал, пропорциональный координате точки контакта.

Такие панели применяются практически во всех терминалах, фотокиосках, КПК, а также в некоторых ноутбуках. Из недостатков можно отметить недолговечность и необходимость регулярных калибровок.

Панель, выполненная по емкостной технологии, тоже состоит из двух пластин, однако они неподвижны, а замыкание происходит благодаря физическому касанию поверхности пальцем (или специальным стилом). При этом напряженность поля меняется (заряд частично притягивается к пальцу), что и фиксируют расположенные по углам датчики. Мы привыкли видеть подобные панели в основном в виде ноутбучных тачпадов, однако они могут быть и прозрачными.

Акустические панели построены с использованием миниатюрных пьезоэлектрических ультразвуковых излучателей, формирующих на поверхности экрана звуковую волну определенной конфигурации (SAW - Surface Accoustic Waves, поверхностные акустические волны). Прикосновение же к экрану меняет эту картину, что и регистрируется датчиками. Координаты касания вычисляются по изменению характера колебаний. Кроме того, анализируя изменение колебаний во времени, можно вычислить даже силу нажатия на экран. Акустические панели тоже не имеют движущихся частей, благодаря чему они очень надежны.

Инфракрасные панели устроены совсем просто - вокруг монитора, в рамке, установлены ИК-излучатели и приемники (друг напротив друга), образуя своего рода сетку. Вычисление координат "прикосновения" происходит путем выяснения, между какой парой приемника и передатчика произошло перекрытие света. Эта технология впервые была применена на персональном компьютере Hewlett-Packard HP-150, выпущенном в 1983 году.

Несмотря на солидный возраст и отсутствие изменений в схеме работы, технологию не назовешь устаревшей, а ее главное достоинство в том, что она позволяет делать сенсорные поверхности практически неограниченного размера.

Ну и наконец, индуктивные панели. Здесь касания как такового не происходит вообще, так как применяется технология электромагнитного резонанса (ЭМР). Это, правда, требует уже гораздо более сложного стила, в простейшем случае содержащего колебательный контур из катушки и конденсатора. В панели же имеется множество катушек, на которые подается напряжение высокой частоты, генерирующее магнитное поле. При поднесении стила к панели в его катушке возникает ЭДС, заряжающая конденсатор. При удалении же стила все происходит в обратном порядке - конденсатор разряжается, катушка генерирует магнитное поле, и в одной из ближайших к стилу катушек панели возникает ЭДС. Напряжение с этой катушки поступает в АЦП планшета, где и вычисляется место контакта. По силе ЭДС можно судить о силе нажатия, а по количеству захваченных катушек - об угле наклона стила.

Принцип ЭМР не требует физического контакта стила и планшета, а расстояние между ними может достигать 14 мм, что позволило компании Wacom сконструировать специальные планшеты Cintiq (21UX, 12WX) и PL-720, предназначенные для дизайнеров и архитекторов.

Достоинство этих моделей в том, что электромагнитная поверхность в них находится за ЖК-экраном, не создавая дополнительных светопоглощающих поверхностей между глазами и экраном.

 

Какие бывают планшеты

В силу технологических особенностей именно индуктивные панели позволили создать специфические средства ввода - графические планшеты. На нашем рынке фактически представлено только два игрока - Wacom и Genius (подороже и "попроще" соответственно ).

Wacom выпускает несколько типов графических планшетов, которые отличаются не столько размерами (хотя их диапазон простирается от A6 до A3), сколько функциональным наполнением. Самые простые (PenPartner 2, Bamboo, Volito 2) фактически пытаются заменить мышку, более сложные (Graphire и Intuos)- уже служат профессиональными инструментами для фотографов, дизайнеров и CAD-проектировщиков. Кроме традиционного пера, Graphire и Intuos поддерживают и массу дополнительных устройств - мышек (да-да, обычных таких, с кнопочками и колесиком), аэрографов, маркеров и так называемых дигитайзеров (Lens Cursor, по версии Wacom). Последние внешне похожи на мышку с лупой и предназначены, в том числе, для точной оцифровки чертежей. Все модели не требуют дополнительного питания.

Планшеты от Genius мало отличаются от вакомовских функционально, однако уступают в размерах и возможностях (например, стило требует батареечного питания). Так, если среди продуктов Wacom есть модели формата больше чем А3 (Intuos [Видео, наглядно демонстрирующее данную технологию, можно посмотреть тут] A3 Wide, рабочая область - 623x429 мм), то у Genius максимальный размер рабочей поверхности чуть больше А4 (220х300 мм). Но зато он и стоит не $500 (за аналогичную модель Wacom формата А4), а всего 250.

Рассказывая о планшетах, нельзя не упомянуть Navisis NAVInote (рис. 2). Шутка ли - "три-в-одном" при цене меньше $200! Этот гаджет может выполнять функции обычной компьютерной ручки, мышки и планшета формата А3.

Альтернатива или перспектива?

Разумеется, вышеперечисленными вариантами технологии человеко-машинного взаимодействия не исчерпываются. Кроме того, эти технологии обладают одним крупным недостатком - они воспринимают только одно касание единовременно! А это, между прочим, для человека не естественно, все же мы имеем две руки и десять пальцев. Отсюда вывод - дальнейшее развитие сенсорных поверхностей неизбежно. Впрочем, с предсказаниями я опоздал - минувший год был на редкость богат всевозможными multitouch-устройствами (то бишь воспринимающими множество прикосновений). Небезызвестные iPhone, кстати, тоже к ним относятся.

Однако сама технология требует серьезной переделки не только интерфейса, но и логики работы с компьютером, ибо традиционный GUI в массе своей предназначен с одиноким (но гордым) курсором.

Один из вариантов такого взаимодействия предлагает нам Microsoft в своем столе Surface3 (рис. 3), который может не только распознавать множество прикосновений, но и определять, чем к нему прикоснулись (то есть взаимодействовать с предметами: положил на него камеру, он снимки скачал; положил неосторожно кредитку - деньги…).

Да, так что там с альтернативами? В качестве альтернативы выступает… видеокамера! Благодаря росту вычислительной мощности компьютеров стало вполне реальным использовать распознавание образов, дабы определить, "кто стучится в дверь ко мне".

И самое главное, не нужно выдумывать новые устройства, поскольку и камеры, и компьютеры, и даже технологии уже есть!

Это наглядно продемонстрировал всему миру китаец Джонни Чун Ли (Johnny Chung Lee) из колледжа информатики Университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University School of Computer Science), собрав multitouch-систему буквально на коленке и за сущие гроши - ему всего-то потребовался пульт от Wii, содержащей камеру с разрешением 1024х768 точек и аппаратным отслеживанием положения четырех объектов одновременно, несколько диодов да собственноручно написанный софт [Сайт с видеороликами, софтом и описанием того, как это сделать самому. Сайт, где идет активное обсуждение проекта] (рис. 4). И это притом, что аналогичные решения, имеющиеся на рынке, стоят тысячи долларов! Кстати, кроме распознавания прикосновений к экрану, "система Джонни" может создавать иллюзию трехмерности, используя нашу с вами психофизиологию восприятия - пересчитывая изображение при каждом движении нашей головы.

Таким образом, можно предположить, что способы взаимодействия человека с компьютером вскоре сильно преобразятся, чему помогут постепенно накапливающиеся изменения. Так сказать, количество перейдет в качество, на что я очень надеюсь.

---

По материалам "Компьютерры"