Лекція з курсу «Комп’ютерна графіка»

Лекція з курсу «Комп’ютерна графіка»
Автор: доцент кафедри інноваційних та інформаційних технологій в освіті Бойчук В.М.
Лекція: «Пристрої для введення інформації»
Технічне й програмне забезпечення лекції:

• 
  персональний комп’ютер;
  
• 
  операційна система Windows XP;
  
• 
  мультимедійний проектор;
  
• 
  інтерактивна дошка;
  
• 
  плакати із зображенням кольорового круга, діаграми кольоровості та колірних моделей.
  

Література:

1. 
   Артамонов И.Д. Иллюзии зрения. – М., 1964. – 104 с.
   
2. 
   Глушаков С.В., Кнабе Г.А. Компьютерная графика: Учебный курс / Шеф-ред. С. В. Глушаков; Худож.-оформ. А.С. Юхтман. – Харьков: Фолио; М.: ООО «Издательство АСТ», 2001. – 500с.
   
3. 
   Горобець С.М. Основи комп’ютерної графіки: Навч. пос. для студ. вищих навч. закл. / За ред. М.В. Левківського. – К.: Центр навчальної літератури, 2006. – 232 с.
   
4. 
   Інженерна та комп’ютерна графіка: Підручник / В.Є. Михайленко, В.М. Найдиш та ін. За ред. В.Є. Михайленка. – 2 вид., перероб. – К.: Вища школа, 2001. – 350 с.
   
5. 
   Порев В.Н. Компьютерная графика. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 432 с.: ил.
   
6. 
   Комп’ютерний журнал «Компьютеры+программы»
   
7. 
   Комп’ютерний журнал «Мой компьютер»
   

Клавіатури


Природним пристроєм для введення тексту є клавіатура. Існує багато різних модифікацій цього пристрою, серед яких є оригінальні ергономічні моделі (рис. 122).

Для визначення факту натискання клавіші використо­вується кілька різних способів:

• 
  механічне замикання контактів;
  
• 
  зміна ємності;
  
• 
  зміна магнітного поля;
  
• 
  переривання променя світла і т.д.; Істотними властивостями клавіатури є:
  

• 
  кодування, яке використовується для ідентифікації на­тискання клавіші — ASCII (American Standard Code for Information Interchange), KOI-7, KOI-8 (ДСТ), MIC (Болгарія) тощо;
  
• 
  кількість клавіш редагування тексту;
  
• 
  можливості розширення кодування за рахунок натис­кання додаткових клавіш — верхнього і нижнього регістрів (Shift), клавіш для завдання керуючих сим­волів і кодів (Ctrl, Alt). Істотними є і ергономічні влас­тивості — розміри і розташування клавіш, наявність тактильного зворотнього зв'язку при натисканні і відчуття контакту при повністю натиснутій клавіші.
  

Кнопки

Програмовані функціональні кнопки зазвичай служать для подачі якого-небудь визначеного впливу, пов'язаного з на­тисканням чи відпусканням, утриманням кнопки (введення команди, вибір параметра). Конструктивно кнопки влашто­вані аналогічно до кнопок текстової клавіатури. Найчастіше вони об'єднані з текстовою клавіатурою, але іноді виділені у вигляді окремого блоку. Іншим різновидом функціональної клавіатури є кнопки на зондах планшетів чи на "мишці".




Основна відмінність кнопкового пристрою від текстового полягає в тому, що на клавіатурі завжди обмежена кількість клавіш і з ними строго пов'язані визначені мітки (коди клавіш). Клавіші кнопкового пристрою не мають заздалегідь визначеного значення, і їх кількість може змінюватися віл однієї до декількох десятків (рис. 123).
По суті текстова клавіатура є різновидом кнопкової, і че­рез те, що вона знайшла велике поширення, її можна виділити в окремий клас пристроїв.

У багатьох комп'ютерних системах за рахунок написання власного драйвера можна перетворити текстову клавіатуру е програмну функціональну і навпаки.

Планшети


Планшети є пристроями для введення з безпосереднім за­вданням координат (локатори). Цс один з найважливіших пристроїв введення. Користувач може вводити інформацію в комп'ютер звичним способом, як при використанні олівця і паперу (рис. 124).
Позиції задаються переміщенням зонда планшета (візира чи олівця) по робочій поверхні. Координата поточного поло­ження зонда визначається з частотою від 200 до 500 разів у се­кунду. Цим забезпечується те, що навіть при швидких пе­реміщеннях зонда вздовж будь-якої кривої вона буде вводити­ся досить гладко. Через велику частоту опитування гене­рується багато даних, тому в більшості випадків вони підда­ються подальшій обробці для скорочення їх обсягу. Зазвичай використовується спосіб видачі нової координатної пари при досягненні заданого відхилення від останньої зафіксованої.

Планшети працюють у різних режимах:

♦ крапковому, коли генерується координата при натис­канні кнопки зонда;

♦ безперервному, коли послідовність координат гене­рується безупинно при перебуванні зонда в робочій no­lo* 147

верхні планшета (при цьому може проводитися скоро­ченим обсягу переданих даних так, як це описано ви­ще);

• 
  безперервному з переключенням, коли генерується без­упинна послідовність координат при натисканні кноп­ки зонда;
  
• 
  приросту, коли формується додавання (приріст) до ос­танньої виданої позиції.
  

Непряме введення графічної інформації, як правило, за­сновано на переміщенні користувачем по екрану графічного курсора.

Є три основні методи позиціонування курсора: статичний абсолютний, статичний відносний і динамічний. У першому випадку пристрій для введення видає координати точок, що визначаються поточною позицією пристрою для введення. У другому випадку використовується збільшення координат, що відповідають зміні позиції пристрою для введення. У третьому випадку видається послідовність координат для переміщення курсора, напрямок і швидкість переміщення якого задаються настроєнням пристрою для введення, наприклад, напрямок переміщення задається напрямком відхилення важеля, а швидкість переміщення — величиною кута відхилення.
"Миша"

Під "мишею" розуміється невеликий ручний пристрій для введення, що видає збільшення координат при переміщенні "миші" по робочій поверхні (по робочому столі для ме­ханічних "мишок" і по спеціальній пластині для оптичних "ми­шок"). При переміщенні механічної "миші" по столі рух пере­дається однією (двома) кулями на пару потенціометрів чи дат­чиків кута повороту, що відповідають переміщенням по двох взаємоперпендикулярних напрямках. Зазвичай, як датчик ку­та, використовується диск із нанесеними непрозорими




радіальними смужками (рис. 125). Комплект із двох пар світлодіод-фотодіод дозволяє визначити напрямок повороту. Внаслідок довільного і не занадто точного переміщення "миші" найкращим методом її використання є статичний , відносний.

Трекбол




Трекбол являє собою перевернену "мишку" з однією вели­кою кулею, що приводиться в дію рукою (рис. 126).

Для забезпечення повільних переміщень маса кулі має бу­ти порівняно великою. Це ускладнює великі і швидкі пе­реміщення. Для полеї шсіп і я завдання великих переміщень ви­користовують різні складні конструкції (рис. 127), зокрема підвішування кулі на повітряній подушці. У такій системі є гарний тактильний зворотний зв'язок, і для керування курсо­ром може використовуватися не тільки координата, а й кут по­вороту кулі. Крім того, оскільки куля досить важка, то можна використовувати і величину початкового імпульсу кулі. Тобто трекбол, на відміну від "миші", застосовується для всіх трьох способів позиціонування курсора — статичного абсолютного, статичного відносного і динамічного. У практичному викори­станні трекбол замінюється "мишею".

' '1.


Джойстик

Джойстик являє собою вертикально розташований важіль, який на нижньому кінці встановлений у кардані й ут­римується пальцями в середньому (початковому) стані (рис. 128).
150




Основна сфера застосування — динамічний метод по­зиціонування, однак він застосовується і для статичного абсо­лютного дуже швидкого, але неточного позиціонування. Пе­реміщення джойстика передається на два потенціометри, що відповідають X- та Y- напрямкам і генерують напруги для кожної координати. Дуже проста і дешева конструкція джой­стика використовує жорстко закріплений жезл, до якого прикріплені датчики розтягування, наприклад п'єзоелект­ричні.

Растровий сканер

Сканери використовуються для растрового введення зоб­ражень з подальшою їх обробкою і/або документуванням (рис. 129).

Однією з важливих сфер застосування сканерів є введен­ня текстів. При цьому обробка введеного зображення вико­нується за допомогою програмного забезпечення розпізнаван­ня текстів (Optical Character Recognition — OCR).

У системах СА1ІР сканери використовуються для автома­тизації введення раніше підготовленої конструкторської доку­ментації. У цьому випадку складність полягає в тому, що дані

від сканера представлені в растровій, а не у векторній формі і потрібно виконувати зворотне перетворення растр-вектор. Ця проблема складна і поки що далека від вирішення (необхідно розпізнавати різні зображення і тексти, в тому числі руко­писні, враховувати, що зображення представляється поточеч­но, до того ж та сама лінія може отримати при скануванні не тільки різну ширину, а й дірки і т.д.).

Сканери працюють в один чи три проходи, більшість ска­нерів працює в один прохід.

Найпростіші сканери — ручні із шириною сканування до 127 мм (5 дюймів). Наприклад, сканер швейцарської фірми Logitech International: ширина сканування — 106 мм, роздільна здатність — 100, 200, 300 або 400 крапок на дюйм. Вбудоване джерело підсвічування оригіналу має червоне чи жовто-зелене світло.

Більш точні сканери — стаціонарні. Є три основні варіан­ти стаціонарних сканерів:

• 
  оригінал переміщується відносно нерухомої лінійки фотоприймачів (сканери з поаркушевою подачею і ба­рабанні сканери для великих форматів);
  
• 
  лінійка фотоприймачів переміщується відносно оригіналу (планшетні сканери);
  

♦ проекційні сканери, в яких зображення нерухомого оригіналу проектується на матрицю фотоприймачів, встановлених у фокусі об'єктива. Об'єктив же пе­реміщується для вибору потрібного фрагмента з потрібним збільшенням. Колір підсвічування в стаціонарних сканерах зазвичай білий. Скапування кольорових зображень забезпечується зміною світлофільтрів. У деяких сканерах зміна фільтрів про­водиться ручним способом.

Апаратна роздільна здатність стаціонарних сканерів від 300x300 крапок на дюйм (dot per inch — dpi) до 2400x2400 dpi. З використанням інтерполяції роздільна здатність досягає значень від 4800x4800 dpi до 10000x10000 dpi.

Підтримка кольорів у стаціонарних сканерах — або сіра шкала, або 24 біт/піксель (> 16 мільйонів кольорів), або ЗО біт/піксель (> 1 мільярда кольорів) і до 36 біт/піксель (> 68 мільярдів кольорів).

Вихідні формати растрових файлів — TIF, GIF, BMP, PCX і т.д. Інтерфейс для підключення до ПЕОМ — або пара­лельний порт, або SCSI. Звичайні сканери мають вмонтований буфер для збереження зображення об'ємом від 32 Мб до 2 Мб. Сканери з поаркушевою подачею забезпечують введення і ска­нування від 3 до 8 аркушів за хвилину (при одному проході).
Нетрадиційні пристрої вводу

Існує багато різновидів нетрадиційних пристроїв, напри­клад "акордна" клавіатура, яка являє собою комплект програ­мованих кнопок у вигляді тонких рояльних клавіш (рис. 130). Основна властивість такої клавіатури — можливість одночас­ного натискання відразу декількох клавіш. Якщо клавіш п'ять (як і пальців на руці), то молена одержати 32 різні комбінації.


Більш розповсюдженим пристроєм є сенсорна панель, що дозволяє рукою вказувати об'єкти на екрані.

Прогрес у напівпровідниковій індустрії зробив можливим застосування пристроїв мовного діалогу.

З точки зору засобів виведення інформації в системах віртуальної реальності використовуються звичайні растрові дисплеї в сполученні з механізмами відстеження положення голови і напрямку погляду для керування формуванням сце­ни.

Крім уже розглянутих звичайних пристроїв введення інформації в системах віртуальної реальності використову­ються пристрої для введення з трьома і шістьма ступенями свободи (переміщення вздовж трьох осей і обертання навколо них), а також пристрої для забезпечення тактильного і силово­го зворотного зв'язку, що імітують відчуття дотику і "піддат­ливість" у відповідь на вплив.
Сенсорна панель (Touch Screen)

Сенсорна панель — це пристрій для введення інформації невисокої точності, який використовується в основному для ручного (пальцем) вибору об'єктів на екрані дисплея. Най­простіша сенсорна панель являє собою рамку, розташовану

між екраном і користувачем. На екран виводяться об'єкти для вибору. На двох боках рамки розміщується деяка кількість світлодіодів, а на протилежних до них — фотоприймачі. Коор­динати указки (точки дотику пальця) визначаються по пере­криттю променів від світлодіодів.


Більш складні сенсорні панелі використовують прозору (скляну) поверхню, покриту прозорим шаром окису олова, який є провідником струму. Факт присутності указки (паль­ця) визначається по зміні електричного опору (рис. 131).

Відомі сенсорні панелі й з іншими принципами визначен­ня координати дотику пальця, наприклад з використанням по­верхневих акустичних хвиль.
Засоби діалогу для систем віртуальної реальності

У системах віртуальної реальності, на відміну від звичай­них додатків комп'ютерної графіки, як правило, потрібне ви­ведення і введення тривимірної координатної інформації як для керування положеннями синтезованих об'єктів, так і для

визначення координат частин тіла оператора і напрямку його погляду.

Одним з перших з'явився пристрій спейсбол, який є конст­руктивним об'єднанням "мишки" і невеликого трекбола. "Мишка" переміщується оператором по столі і забезпечує вве­дення двох координат. Введення третьої координати забезпе­чується обертанням кульки трекбола великим пальцем руки (рис. 132).



Для маніпулювання об'єктами в тривимірному просторі часто використовується техніка віртуальної сфери. Керований об'єкт оточується уявною сферою. Для переміщення сфери використовується "мишка", а обертання сфери й пов'язаного з нею об'єкта забезпечується обертанням кульки трекбола.

Безпосереднє введення геометричної інформації про по­ложення частин тіла з підтримкою тактильного і навіть сило­вого зворотного зв'язку забезпечується рукавичками і костю­мами даних.

Дешева рукавичка даних Power Glove, яка використо­вується для ігор, забезпечує тільки чотири рівні даних (рис. 133).







У більш складній рукавичці даних Date Glove фірми VPL (рис. 134) для визначення кутів згинання пальців використо­вуються оптичні волокна. Для забезпечення тактильного зво­ротного зв'язку використовуються пневматичні активатори.

Були проведені експерименти по забезпеченню тактиль­ного зворотного зв'язку за допомогою вібрації п'єзокристалів.

Більш точне введення координатної інформації забезпечу­ють системи з використанням механічного підйомного екзос-келету руки (Exos Dexterous Handmaster) і датчиками кутів згинання пальців. Це дозволяє досягти точності ± 0.5°. Систе­ми з екзоскелетом дозволяють забезпечити і силовий зво­ротний зв'язок.

Більш простий прилад, що використовує силовий зво­ротний зв'язок, був розроблений фірмою Digital і являє собою рукоятку, подібну до рукоятки газу в мотоциклі, що може змінювати свій опір скручуванню.

Складність у забезпеченні тактильного і силового зворот­ного зв'язку полягає в тому, що користувач реагує на впливи і вносить зміни швидше, ніж може реагувати система. Для кра­щого відчуття об'єкта система тактильного зворотного зв'язку повинна забезпечувати швидкість близько 100-300 Гц, що майже на порядок вище звичайної швидкості перезапису візу­альної інформації.

Піджак даних (Date Suit) за принципом роботи подібний до рукавички даних і відрізняється тільки кількістю датчиків.
Запитання для самоконтролю

1. 
   Охарактеризувати такі пристрої для введення інформації, як: клавіатура, кнопки, планшети.
   
2. 
   Що таке "мишка", трекбол, джойстик? Описати принцип дії цих пристроїв.
   
3. 
   Назвіть основні сфери застосування сканерів. Які типи ска­нерів Ви знаєте?
   
4. 
   Які нетрадиційні пристрої для введення інформації Ви знаєте? Назвіть їх переваги та недоліки.
   
5. 
   Які існують засоби діалогу для систем віртуальної реальності? Опишіть принципи їх роботи, переваги та недоліки.