2.7.3 Технические средства подготовки и ввода данных
Особенностью этой группы ТС в СКП является наличие средств ввода и редактирования не только текстовой, но и графической информации.
Классификация графических устройств осуществляется по различным признакам .
По признаку активности графические устройства делятся на:
1) пассивные, применяемые для вывода информации (телетайпы, символьные и строкопечатающие устройства, графопостроители, дисплеи с запоминанием и регенерацией);
2) активные, применяемые для ввода информации (клавиатура, световое перо, двухкоординатный потенциометр, планшетный координатосъемщик, оптический полуавтомат кодирования ).
В интерактивной графике применяется комбинация пассивных и активных устройств.
По методу регистрации графические устройства делятся на:
точечные, использующие разложение изображения ( дисплеи растровые, графопостроители струйные, устройства символьной и матричной печати, лазерные и электронно-лучевые сканирующие фото- и электронорегистраторы);
векторные ( дисплеи с запоминанием и регенерацией, графопостроители перьевые, электронно-лучевые устройства).
По физическим принципам работы графические устройства делятся на электромеханические, электронные, электрохимические, термоэлектрические и т.п.
Применяемые в СКП устройства ввода делятся на
битовые (в настоящее время не используются). Битовые устройства ввода принимают информацию, подготовленную на перфокартах (ПФК) и перфоленте (ПФЛ);
символьные;
графические.
Графические средства ввода информации могут быть:
полуавтоматическими (считывание информации проводится с участием оператора). Оператор перемещает регистрирующий орган полуавтоматического считывателя, обходя элементы изображения в заранее заданной последовательности.);
автоматическими (читающая головка сканирует изображение и затем синтезируется графический образ).
Полуавтоматические кодировщики ( координатосъемщики) производят генерирование координат непрерывной последовательности точек и имеют в своем составе устройство выбора записываемых в память ЭВМ значений - оптическую считывающую головку или просто кнопку. Подобным же образом осуществляется и чтение с микрофильмов.
Координатосъемщики имеют, как правило, рабочее поле, достаточное для размещения эскизов форматов А0, А1, и снабжены дополнительными устройствами ввода текстовой информации. Они активно используются для кодирования инструкторской документации в СКП РЭА. Комплексные полуавтоматические устройства ввода графической информации могут выполнять контроль ошибок, допущенных оператором при считывании чертежа, позволяют производить выборку фрагментов из библиотеки элементов и ранее введенных участков изображения, оперативно выводить введенную информацию на экран графического дисплея или координатограф.
Символьные и графические устройства ввода-вывода служат для организации диалоговой работы с СКП.
Графические дисплеи применяются для ввода-вывода символов, чертежей, рукописной и эскизной информации, имеют средства анализа и синтеза статической информации и движущихся изображений одно- и многоцветных. Кроме символьной и функциональной клавиатур, графические дисплеи снабжаются, как правило, устройством управления маркером и световым пером (последний в настоящее время не используется).
Дисплеи требуют одновременного использования совокупности программ машинной графики, включая программы графического метода, генерации и преобразования изображений с последующим их выводом.
Дисплеи осуществляют вывод графических изображений с помощью электронно-лучевой трубки или панели точечных индикаторов, а ввод - с помощью кнопочных устройств, светового пера, планшета или шарового устройства (типа “мышь”), управляющих курсором.
Указание световым пером на изображение какого-либо элемента на экране дисплея формирует управляющий сигнал в момент генерации этого элемента. Если нужно указать на произвольную точку вне изображения, то используется генерация растра из точек на весь экран.
Более универсальным способом является генерация специального следящего символа (перекрестья), состоящего из нескольких отрезков. Если световое перо передвинулось на периферийную часть следящего символа, то его центр программно перемещается под перо, благодаря чему следящий символ повторяет движения светового пера.
Устройства управления курсором генерируют непрерывную последовательность координат, в соответствии с которой перемещается маркер на экране дисплея; указание момента отсчета положения осуществляется кнопкой, а определение ближайшего элемента изображения осуществляется программным просмотром дисплейного файла - совокупности одновременного визуализируемых данных.
На электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) реализуются дисплеи трех типов: запоминающие с видимым изображением, с регенерируемым изображением и с растровым сканированием.
В запоминающих дисплеях на ЭЛТ с длительным послесвечиванием изображения отрезков, точек и символов сохраняются десятки минут. Время принудительного стирания с помощью электрического воздействия составляет около 0,5 с. К числу преимуществ дисплеев с запоминанием относятся немерцающее изображение, высокая разрешающая способность (до 0,2 мм), невысокая стоимость, простота эксплуатации в режиме разделения времени. Недостатки дисплеев этого типа - отсутствие возможности избирательно стирать часть изображения, невозможность наблюдения динамической информации в реальном масштабе времени, малая оперативность обмена информацией с оператором, одноцветность, загрязнение изображения следами маркера.
В дисплеях с регенерацией применяются ЭЛТ с малым временем послесвечения - частота смены изображения составляет 30...50 Гц. Как и в дисплеях с запоминанием, при регенерации воспроизводятся на экране векторы, для чего дополнительно требуются устройства управления - графический процессор и буферная память. Недостатки дисплеев с регенерацией изображения - мерцание при большом объеме визуализируемой информации из-за ограничений по быстродействию устройства управления, повышенная стоимость, пониженная разрешающая способность, а преимущества - многоцветность, большой диапазон варьирования яркости, избирательное редактирование информации и оперативность обмена информацией с оператором.
В дисплеях с растровым сканированием используется телевизионный принцип, улучшенный повышенной линейностью изображения и увеличением количества строк для снижения мерцания. Изображение строится из точек и горизонтальных отрезков, в связи с чем предъявляются повышенные требования к ОЗУ по объему и скорости считывания графической информации. Графическая информация для растровых дисплеев нуждается в специальном преобразовании, что затрудняет ее избирательное редактирование. Дисплеи этого типа обладают достоинствами регенеративных дисплеев при отсутствии мерцания при визуализации сложных изображений.
Для ввода текстовой информации используется клавиатура ЭВМ. Клавиатуры разных ЭВМ могут отличаться по количеству клавиш и их расположению. Большинство современных компьютеров используют стандартную клавиатуру IBM PC/AT, напоминающую печатающую машинку. Есть клавиатуры, выполненные для стенографического набора, но наиболее удобными являются стандартные клавиатуры. Они имеют 102 или 104 клавиши, разделенные на 4 блока: алфавитно-цифровой блок - содержит клавиши латинского и национального алфавитов, а также клавиши цифр и специальных символов; блок управляющих клавиш; блок расширенной цифровой клавиатуры; блок навигации.
Для обнаружения нажатия клавиши используется несколько различных способов: механическое замыкание контактов, изменение емкости, изменение магнитного поля, прерывание луча света и т.д.
Программируемые функциональные кнопки обычно служат для задания какого-либо определенного воздействия, связанного с нажатием, отпусканием или удержанием кнопки (ввод команды, выбор параметра). Конструктивно кнопки устроены аналогично кнопкам текстовой клавиатуры. Чаше всего они объединены с текстовой клавиатурой, но иногда выделены в виде отдельного блока. Другой разновидностью функциональной клавиатуры являются кнопки на зондах планшетов или на "мышке". Основное отличие кнопочного устройства от текстового состоит в том, что клавиш на клавиатуре всегда ограниченное количество и с ними жестко связаны определенные метки (коды клавиш). Клавиши же кнопочного устройства не имеют заранее определенного значения и их число может меняться от одной до нескольких десятков. По сути дела текстовая клавиатура просто разновидность кнопочной, но так как она нашла большое распространение, то обычно выделяется в отдельный класс устройств.
К устройствам полуавтоматического ввода относятся так называемые планшеты .Планшеты (дигитайзеры, кодировщики) являются устройствами ввода с непосредственным заданием координат, главное назначение которых – оцифровка изображений. Он состоит из двух частей: основания и курсора, перемещаемого по рабочей поверхности основания. При нажатии на кнопку курсора его положение на поверхности планшета фиксируется и координаты передаются в компьютер. Часто дигитайзер используется для ввода команд при помощи накладных меню. При выборе курсором одной их команд специальный программный драйвер интерпретирует введенные координаты, посылая соответствующую команду на выполнение. Принцип действия дигитайзера основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки. Сетка состоит из проволочных или печатных проводников с довольно большим расстоянием между соседними проводниками (от 3 до 6 мм). Механизм регистрации позволяет получить шаг считывания информации, намного меньший шага сетки (до 100 линий на 1 мм). Шаг считывания информации называется разрешением дигитайзера. По применяемой технологии различают электростатические (ЭС) и электромагнитные (ЭМ) дигитайзеры. В дигитайзерах первого типа регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под курсором, в то время как в устройствах второго типа курсор излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником. Следует отметить, что ЭМ-планшеты чувствительны к помехам, создаваемым излучающими устройствами, например мониторами. Независимо от принципа регистрации существует погрешность определения координат курсора. Эта величина зависит от типа дигитайзера и от конструкции его составляющих. Погрешность существующих планшетов колеблется от ±0,13 мм до ±0,75 мм. Точность электромагнитных дигитайзеров выше точности электростатических. На результат работы также влияет точность действий оператора. В среднем хороший оператор вносит погрешность не более ±0,1 мм.
Позиции задаются перемещением курсора планшета по рабочей поверхности. Координата текущего положения курсора определяется с частотой от 200 до 500 раз в секунду, что даже при быстрых перемещениях зонда вдоль какой-нибудь кривой она будет вводиться достаточно гладко. Из-за большой частоты опроса генерируется много данных, поэтому в большинстве случаев они подвергаются дальнейшей обработке для сокращения объема. Обычно используемый способ - выдача новой координатной пары при достижении заданного отклонения от последней зафиксированной.
Имеется много различных способов определения координат курсора на планшете.
Потенциометрический планшет представляет собой резистивное покрытие . По границам к этому покрытию подводится ток попеременно по X и Y направлениям. Курсор планшета имеет гальванический контакт с резистивным покрытием. Координата определяется по падению напряжения в точке контакта. Для устранения искажений поля, вызываемого взаимным влиянием контактных шин, питающие напряжения подводят через диоды. Предлагаются и иные конструкции планшетов, не требующие гальванического контакта зонда с поверхностью.
В акустическом планшете разрядник в курсоре излучает ультразвуковой сигнал, который принимается ленточными микрофонами, расположенными на двух смежных сторонах планшета. По времени прихода звука к микрофонам определяется точное положение зонда. В связи с достаточно большой скоростью распространения звука в воздухе эти измерения не представляют трудностей. Акустический планшет позволяет определять координаты и при значительном удалении от поверхности планшета, но с ошибкой. Основным недостатком акустического планшета является сильная зависимость от окружающей среды, особенно влажности.
В емкостных планшетах под непроводящей рабочей поверхностью генерируется электромагнитное поле с помощью взаимно перпендикулярных групп проводников . Проводники в каждой группе должны быть точно параллельны и находиться на одинаковых расстояниях друг от друга. Эти проводники служат передающими антеннами. На передающие антенны поочередно подается высокочастотное напряжение. Сигнал принимается емкостным датчиком курсора. По соотношению амплитуд сигналов датчика можно узнать точное расположение между антеннами.
Недостатком этого планшета является то, что зонд должен находиться либо непосредственно на рабочей поверхности, либо на малых расстояниях от нее (на толщину нескольких листов бумаги).
В магнитоэлектрических планшетах катушка в курсоре и проводники под рабочей поверхностью планшета могут рассматриваться как первичная и вторичная обмотки трансформатора. Если приемная катушка находится на курсоре, то конструктивно этот планшет подобен емкостному планшету. Существенно большее разрешение достигается при использовании обмотки курсора как передатчика, но в этом случае катушка должна иметь много витков, чтобы сгенерировать достаточно мощное поле.
Магнитострикционные планшеты используют магнитострикционные проволоки как носители сигнала, которые под воздействием внешнего магнитного поля незначительно изменяют свою форму . Магнитное поле, вызываемое передающими катушками на краю планшета и перпендикулярное магнитострикционным проволокам, генерирует изменение их длин. Это изменение длины распространяется вдоль проволоки как волна механического напряжения со скоростью около 5000 м/с. Волна, попадая в приемную катушку, расположенную в курсоре планшета, из-за изменения потока формирует в катушке импульс напряжения. Время прихода волны пропорционально расстоянию от передающей катушки на краю планшета до зонда. Так как расстояние всегда измеряется вдоль проволоки, то не требуется, чтобы проволоки были абсолютно параллельны. Не требуется располагать проволоки так часто, как это следовало бы из разрешения прибора. Этот принцип имеет относительно высокую точность (0.01 мм), широко используется в робототехнике и в большинстве планшетов.
К устройствам непрямого ввода графической информации относятся манипуляторы типа «мышь», «трекбол» , «джойстик», основанные на перемещении пользователем по экрану графического курсора.
Имеется три основных метода позиционирования курсора: статический абсолютный, статический относительный и динамический. В первом случае устройство ввода выдает координаты точек, которые определяются текущей позицией устройства ввода. Во втором случае используются приращения координат, соответствующие изменению позиции устройства ввода. В третьем случае выдается последовательность координат для перемещения курсора, направление и скорость перемещения которого задаются установкой устройства ввода, например, направление перемещения задается направлением отклонения рычага, а скорость перемещения - величиной угла отклонения.
Манипулятор типа «мышь» представляет небольшое ручное устройство ввода, выдающее приращения координат при перемещении "мыши" по рабочей поверхности (по рабочему столу для механических "мышей" и по специальной пластине для оптических "мышей").
Схема устройства "мыши" представлена на рисунке 2.17.
При перемещении механической "мыши" по столу движение передается одним (двумя) шарами на пару потенциометров или датчиков угла поворота, соответствующих перемещениям по двум взаимно-перпендикулярным направлениям. Обычно в качестве датчика угла используется диск с нанесенными непрозрачными радиальными полосками Комплект из двух пар светодиод-фотодиод позволяет определить направление поворота. Вследствие произвольного и не слишком точного перемещения "мышки" наилучшим методом ее использования является статический относительный.
Трекбол представляет собой перевернутую "мышку" с одним большим шаром, приводимым в действие рукой. Для обеспечения медленных перемещений масса шара должна быть сравнительно большой. Это затрудняет большие и быстрые перемещения. Для облегчения задания больших перемещений используют различные сложные конструкции вплоть до подвески шара на воздушной подушке. Так как имеется хорошая тактильная обратная связь, то для управления курсором может использоваться не только координата, но и угол поворота шара, кроме того, так как шар достаточно тяжелый, то можно использовать и величину начального импульса шара. Трекбол, в отличие от "мышки", применим для всех трех способов позиционирования курсора - статического абсолютного, статического относительного и динамического. Наиболее широкое использование трекбол нашел в переносных ПЭВМ (ноутбуках).
Джойстик содержит вертикально стоящий рычаг, который на нижнем конце установлен в кардане и удерживается пальцами в среднем - начальном состоянии. Джойстик является идеальным "рычагом управления курсором", так как он может отклоняться требуемым образом одновременно по двум осям. Основная область применений - динамический метод позиционирования, однако он применим и для статического абсолютного очень быстрого, но неточного позиционирования. Перемещения джойстика передаются на два потенциометра, соответствующих X и Y направлениям и выдающих напряжения для каждой их координат. Очень простая и дешевая конструкция джойстика использует жестко закрепленный жезл, к которому прикреплены датчики растяжения, например, пьезоэлектрические.
В автоматических кодировщиках (сканерах) выполняется сканирование вводимого документа (чертежа, графика, карты), определение и считывание элементов документа с последующей их обработкой и документированием. В этом случае проблема заключается в том, что данные от сканера представлены в растровой, а не векторной форме и требуется выполнение обратного преобразования растр-вектор. Эта задача сложна и далека от решения (необходимо распознавать различные изображения и тексты в том числе рукописные, учитывать, что изображение представляется поточечно, причем одна и та же линия может получить при сканировании не только различную ширину, но и другие дефекты).
Одна из важных областей применения сканеров - ввод текстов. При этом обработка введенного изображения выполняется с программного обеспечения распознавания текстов (Optical Character Recognition - OCR).
Простейшие сканеры - ручные с шириной сканирования до 127 мм (5 дюймов). Например, сканер швейцарской фирмы Logitech Internatiohal S.A. Ширина сканирования 106 мм, разрешение 100, 200, 300 или 400 точек на дюйм. Встроенный источник подсветки оригинала - красный или желто-зеленый.
Ручной сканер, как правило, чем-то напоминает увеличению в размерах электробритву. Для того чтобы ввести в компьютер какой-либо документ при помощи этого устройства, надо без резких движений провести сканирующей головкой по соответствующему изображению. Таким образом, проблема перемещения считывающей головки относительно бумаги целиком ложится на пользователя.
Равномерность перемещения сканера существенно сказывается на качестве вводимого в компьютер изображения. В ряде моделей для подтверждения нормального ввода имеется специальный индикатор. Ширина вводимого изображения для ручных сканеров не превышает обычно 4 дюймов (10 см). Современные ручные сканеры могут обеспечивать автоматическую "склейку" вводимого изображения, то есть формируют целое изображение из отдельно водимых его частей. Это, в частности, связано с тем, что при помощи ручного сканера невозможно ввести изображения даже формата А4 за один проход.
К основным достоинствам таких сканеров относя небольшие габаритные размеры и сравнительно низкая цена.
Более точные сканеры - стационарные. Имеется три основных варианта стационарных сканеров:
Оригинал перемещается относительно неподвижной линейки фотоприемников (сканеры с полистовой подачей и барабанные сканеры для больших форматов).
Линейка фотоприемников перемещается относительно оригинала (планшетные сканеры).
Проекционные сканеры, в которых изображение неподвижного оригинала проецируется на матрицу фотоприемников, установленных в фокусе объектива. Объектив же перемещается для выбора нужного фрагмента с нужным увеличением.
Цвет подсветки в стационарных сканерах обычно белый. Сканирование цветных изображений обеспечивается сменой светофильтров. В некоторых сканерах смена производится вручную.
По конструктивному признаку сканеры можно подразделить на роликовые, планшетные и барабанные.
В роликовых, или протяжных сканерах имеется неподвижный приемник изображения, «схватывающий» строку за строкой, в то время как сканируемый лист протягивается роликами в направлении, перпендикулярном приемнику. При этом сканирование производится в отраженном свете. Существуют два типа приемников изображения: на базе ПЗС и на базе фоточувствительных линеек. Сканеры на базе ПЗС применяют камеры для фокусировки изображения и стабилизированные лампы дневного света для его освещения. В сканерах на базе фоточувствительных линеек применяются короткофокусные трубчатые линзы и светодиоды зеленого свечения для подсвечивания оригиналов
В барабанных сканерах имеется вращающийся барабан, на котором закреплен оригинал со сканируемым изображением. В картографических сканерах сканирование производится в отраженном свете, в полиграфических - в проходящем (барабан в них прозрачный). Приемник представляет собой либо набор неподвижно установленных камер с ПЗС, охватывающих всю ширину барабана и сканирующих целую строку изображения за один момент времени, либо фотоумножитель (ФУ), который перемещается на прецизионной винтовой паре вдоль барабана и в один момент времени сканирует один пиксель. В сканерах с линейкой камер ПЗС барабан совершает только один оборот за все время сканирования (порядка 30 минут). Это преимущество выгодно отличает их от сканеров, использующих ФУ, в которых барабан вращается со скоростью в несколько десятков оборотов в минуту, что вызывает проблемы в широкоформатных сканерах формата А0 (возникают вибрации, ухудшающие точность сканирования).
Планшетные сканеры в качестве считывающего элемента используют матрицу с полупроводниковыми элементами с зарядной связью, барабанные - фотоумножитель.
Проекционные сканеры, которые больше всего напоминают своеобразный проекционный аппарат (или фотоувеличитель). Вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, блок сканирования находится при этом также сверху. Перемещается только сканирующее устройство. Основной особенностью данных сканеров является возможность сканирования проекций трехмерных проекций.
Глубину точки и максимальную оптическую плотность сканера следует рассматривать в совокупности. Глубина точки показывает физическую возможность сканера воспринимать большой диапазон оптических плотностей, а действительный диапазон зависит от чувствительности считывающего элемента, электроники и механики сканера - он-то и указывается как максимальная оптическая плотность.