3.2.4.1. Устройства ввода информации в компьютер

Для ввода информации в компьютер используются различные устройства: клавиатура; манипуляторы (мышь, трекбол, джойстик, тачпад, трекпоинт); сканеры; цифровые фотокамеры; графические планшеты.

♦ Клавиатура.

Клавиатура (рис. 14) пока является основным устройством ввода информации в компьютер. Это устройство представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь. Основной тенденцией развития клавиатур домашних ПК является повышение их эргономических качеств. После выявления профессиональных заболеваний кистей рук («туннельный» синдром лучезапястного сустава) у интенсивно работающих на клавиатуре групп пользователей, таких как секретари, наборщики и др., производители компьютеров стали уделять вопросам усовершенствования клавиатуры существенно большее внимание. Современная эргономичная клавиатура, как правило, характеризуется своеобразной изогнутой формой, которая позволяет поддерживать локти в разведенном положении. В некоторых клавиатурах полотно можно разделять на две половинки и разносить их на удобное расстояние. Другой тенденцией является оснащение клавиатуры динамиками, манипуляторами типа трекбол, устройствами для считывания пластиковых карт и т. п. Из всех этих усовершенствований наиболее практичным представляется беспроводная клавиатура, передающая информацию в ПК при помощи ИК-волн или радиоволн.

♦ Манипуляторы.

Мышь. Принцип действия. Подавляющее число компьютерных мышек используют оптико-механический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резиной шарик сравнительно большого диаметра (рис.15).

Рис. 15. Принцип действия оптико-механической мыши: 1 – корпус; 2– схема, которая передает информацию компьютеру о вращении роликов и нажатии переключателей; 3 – кнопки; 4 – переключатели кнопок; 5 – шарик, который вращается при перемещении мыши; 6 – два ролика, вращающиеся при перемещении шарика; 7 – детектор вращения ролика

Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Датчики (детекторы вращения ролика), представляющие собой оптопары (светодиод-фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов – скорость. Хороший механический контакт с поверхностью обеспечивает специальный коврик.

Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая мышь. Расположенные в нижней части мыши две оптопары освещают и сканируют поверхность, при движении определяют величину и скорость перемещения. Оптические мыши не имеют механических частей и лишены такого присущего оптико-механическим мышам недостатка, как перемещение курсора мыши рывками из-за загрязнения шарика.

К основным тенденциям развития современных мышей можно отнести постепенный переход на шину USB, а также поиски в области эргономических усовершенствований. К ним можно отнести беспроводные мыши, работающие в радио- или инфракрасном диапазоне волн, а также мыши с дополнительными кнопками. Удачными решениями являются наличие между двумя стандартными кнопками колесика или качающейся средней кнопки, которые используются для быстрой прокрутки документа под Windows.

К наиболее известным производителям мышей относятся компании Genius, Logitech, Microsoft, Mitsumi и др.

Трекбол (Trackball) представляет собой «перевернутую» мышь, так как у него приводится в движение не корпус устройства, а только его шар увеличенного по сравнению с мышью размера, что позволяет существенно повысить точность управления курсором. Первое устройство подобного типа было разработано компанией Logitech. Миниатюрные трекболы получили сначала широкое распространение в портативных ПК. Встроенные трекболы могут располагаться в самых различных местах корпуса ноутбука. Большого распространения в ноутбуках трекболы не получили из-за своего недостатка – постепенного загрязнения поверхности шара и направляющих роликов, которые бывает трудно очистить и, следовательно, вернуть трекболу былую точность. Впоследствии их заменили тачпады и трекпойнты.

Джойстик (Joystick), или рычажный манипулятор (рис. 16), является аналоговым координатным устройством ввода информации. Рукоятка джойстика связана с двумя переменными резисторами, изменяющими свое сопротивление при ее перемещении. Один резистор определяет перемещение по координате X, а другой – по Y. В задачу адаптера джойстика входит преобразование изменения параметра сопротивления в соответствующий цифровой код. В зависимости от класса игр, на которые они ориентированы, джойстики могут иметь вид ручки управления, штурвала самолета, руля автомобиля (плюс набора педалей к нему), плоской площадки с кнопками и др.

Трекпойнт (TrackPoint) – координатное устройство, впервые появившееся в ноутбуках IBM, представляет собой миниатюрный джойстик с шершавой вершиной диаметром 5-8 мм. Трекпойнт расположен на клавиатуре между клавишами и управляется нажатием пальца.

Тачпад (TouchPad) представляет собой чувствительную контактную площадку, движение пальца по которой вызывает перемещение курсора. В подавляющем большинстве современных ноутбуков применяется именно это указательное устройство, имеющее не самое высокое разрешение, но обладающее самой высокой надежностью из-за отсутствия движущихся частей.

♦ Графический планшет.

Графический планшет (или Digitizer) – это кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное, в том числе и многоцветное, изображение в виде растрового образа. Графические планшеты применяют в основном художники, работающие в области компьютерной графики. Другая область их применения – ввод данных в системах трехмерного моделирования и автоматизированного проектирования (САПР, или CAD/CAM – Computer-Aided Design/Modeling).

В состав графического планшета входит специальный указатель (перо) с датчиком. Собственный контроллер посылает импульсы по расположенной под поверхностью планшета сетке проводников. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. Планшеты, предназначенные для рисования, обладают чувствительностью к силе нажатия пера, преобразуя эти данные в толщину или оттенок линии.

Для устройств рукописного ввода информации характерна такая же схема работы, только введенные образы букв дополнительно преобразуются в буквы при помощи специальной программы распознавания, а размер площадки для ввода меньше. Устройства перьевого ввода информации чаще используются в сверхминиатюрных компьютерах PDA (Personal Digital Assistant), в которых нет полноценной клавиатуры.

♦ Сканер.

Сканером называется устройство для ввода в компьютер изображений, нанесенных на прозрачной или непрозрачной плоской поверхности. Они позволяют вводить в компьютер изображения текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей и другой графической информации.

Можно выделить две задачи, которые решаются с помощью сканера: первая – сканирование текстовых документов с последующим распознаванием, а вторая – сохранение фотографий и другой графики.

Для решения первой задачи недостаточно только сканера: необходима специальная программа распознавания текстов, так называемая OCR-программа (от англ. Optical Character Recognition – оптическое распознавание символов), поскольку сканер «видит» все сканированные документы в виде точек: и тексты, и рисунки. Лучшей программой распознавания считается FineReader компании ABBYY.

Для решения второй задачи нужны качественное техническое оснащение и хорошее программное обеспечение сканера.

Существует несколько способов классификации сканеров по разным признакам. Среди самых распространенных – по способу перемещения считывающей головки и носителя изображения относительно друг друга, по типу сканера, по каче­ству сканирования, по природе сканируемого изображения (прозрачное или непрозрачное) и др.

По способу перемещения считывающей головки и носителя изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на ручные (Handheld), рулонные (Sheet-Feed), планшетные (Flatbed), а также проекционные. Работа рулонных сканеров чем-то напоминает работу факса. Сканирование документов осуществляется при протягивании их через такое устройство. В таком сканере можно сканировать только отдельные листы. В связи с этим, недостатком является невозможность сканирования жестких и многостраничных оригиналов. У проекционных сканеров, которые больше всего напоминают своеобразный проекционный аппарат, перемещается только сканирующее устройство. Разновидностью проекционных сканеров являются слайд-сканеры, предназначенные для сканирования фотопленок. Для сканирования прозрачных изображений, например слайдов, в планшетных сканерах применяются слайд-модули, в которых поверх сканируемого изображения параллельно движению ПЗС-линейки перемещается дополнительная лампа. Ручной сканер необходимо вести оператору по изображению, что влияет на точность результата сканирования: если рука дрогнет, то сканированный документ будет с искажениями. Но с их помощью можно сканировать любую ровную поверхность, даже вертикальную. Это свойство повлияло на широкое использование ручных сканеров для считывания штрих-кодов с товаров. Планшетный сканер – самый распространенный, включает в себя самые разные модели от профессиональных до домашних.

Планшетный сканер. Представляет собой плоский агрегат (рис. 17) со стеклом, на которое кладется вниз изображением объект, подлежащий сканированию.

Основной деталью таких сканеров является считывающая головка, двигающаяся вдоль сканируемого изображения. Оригинал при этом остается неподвижным. Важнейшей ча­стью считывающей головки является фотоприемник. На се­годня существуют два типа фотоприемников: на основе ПЗС (прибор с зарядовой связью) и на основе КДИ (контакт­ный датчик изображения). Наиболее распространены сканеры, использующие ПЗС (CCD – Charge-Coupled Device), чем КДИ (CIS, Contact Image Sensor).

Как у ПЗС, так и у КДИ-сканеров есть свои достоинства и недостатки. В ПЗС-сканерах используется специальная оптическая система, которая проецирует изображение с подсвеченного оригинала на ПЗС-линейку. В КДИ модели такой сложной системы нет, поэтому они намного тоньше и легче. Но ПЗС-элементы более чувствительны к свету, к оттенкам и создают более качественное изображение.

Принцип работы. В планшетном сканере сканирующая каретка с источником света и фотоприемником (фотоэлементами) перемещается вдоль изображения. Свет от лампы, отраженный от поверхности бумаги, при помощи системы призм и зеркал проецируется на светочувствительные элементы линейки ПЗС, которые преобразуют его интенсивность в аналоговый сигнал. Каждой строке сканированного изображения соответствует значение напряжения на фотоэлементах. Затем этот сигнал передается в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и поступает в оцифрованном виде в память компьютера.

При описанном методе сканирования, в силу характеристик фотоэлементов, цветовая палитра отсканированного изображения ограничивалась бы оттенками серого цвета.

Любой цвет, поступающий от оригинала, можно разложить по составляющим, которыми являются красный, зеленый и синий цвета – RGB (Red, Green, Blue). Каждая составляющая будет аналогична града­циям серого цвета, поэтому фотоэлементы в состоянии их воспринимать. В компьютере любой цвет можно представить как наложение в некоторой пропор­ции этих основных цветов.

В настоящее время применяются такие технологии сканирования цветного изображения, которые позволяют за один проход сканирующей каретки получить информацию о трех составляющих цвета. Тогда отраженный от оригинала свет через оптическую систему сканера, состоящую из объектива и зеркал или призмы, попадает на три линейки фоточувствительных полупроводниковых элементов на основе ПЗС, каждая из которых фильтрует и принимает информацию о RGB-компонентах цвета (рис.18).

Рис. 18 . Устройство однопроходного сканера с призмой:

1 – источник света;2 – луч света; 3 – сканируемый оригинал; 4 – призма;

5 – фотопринимающая линейка

Иногда на матрицу фотоэлементов наносят специальное покрытие, фильтрующее цвет по составляющим (рис. 19). В таком случае ПЗС-матрица состоит из нескольких слоев фотоэлементов, каждый из которых воспринимает свою составляющую цвета.

Основными параметрами сканера являются: разрешение и глубина цвета.

Разрешение. Разрешение характеризует величину самых мелких деталей изображения, передаваемых при сканировании без искажений. Измеряется обычно в ppi – числе пикселей на дюйм изображения. Существует несколько видов разрешения, указываемого производителем сканеров.

Оптическое разрешение определяется плотностью элементов в фотоприемнике (ПЗС или КДИ линейке). Оно является самым важным параметром сканера, определяющим детальность получаемых с его помощью изображений. В моделях планшетных сканеров оно бывает 300, 600, 1200, 2400, 3200 точек на дюйм и выше. Фактически, это разрешение характеризует максимально возможное число передаваемых точек на дюйм по горизонтали изображения.

Рис. 19. Устройство однопроходного сканера с покрытием фотоэлементов

Механическое разрешение определяет точность позиционирования каретки с фотоприемником при перемещении вдоль изображения. Механическое разрешение обычно в 2 раза больше оптического. Фактически, это разрешение характеризует число передаваемых точек по вертикали изображения.

Интерполяционным называется разрешение, полученное путем программного увеличения количества точек изображения. Повышенное разрешение достигается посредством расчета дополнительных точек на основе характеристик их реальных соседних точек. Большей детальности таким способом получить нельзя, но размер файла существенно увеличится. Таким образом, оно не несет в себе абсолютно никакой дополнительной информации об изображении по сравнению с реальным разрешением, причем в специализированных пакетах операция масштабирования и интерполяции выполняется зачастую качественнее, чем драйвером сканера. Указанное на коробке планшетного сканера значение интерполяционного разрешения в несколько тысяч точек на дюйм может ввести в заблуждение покупателя, так как реальное оптическое разрешение устройства может быть всего 300 ppi.

Глубина цвета, или разрядность, характеризует количество бит, применяемых для хранения информации о цвете каждой точки изображения.

Бит – минимальная единица памяти компьютера, которая может хранить значение либо 0, либо 1.

Этот параметр характеризует максимальное количество оттенков цветов, которые способен обрабатывать сканер, то есть глубина цвета свидетельствует о качестве цветопередачи устройства.

Черно-белые сканеры имеют один разряд, монохромные, как правило, 8 разрядов, а цветные сканеры, как минимум, 24 разряда (по 8 бит на хранение каждой из RGB-компонент цвета пикселя). Более совершенные сканеры имеют разрядность 48 бит.

Ч

Рис. 20. Сканер Umax AstraSlim. Разрешение 1200 рpi; интерполяция 9600 рpi; область сканирования, 216x297 мм; глубина цвета 48 бит; интерфейс USB

Существуют и другие характеристики сканеров: область сканирования, интерфейс (способ подключения к компьютеру) и другие.

Наиболее широкий выбор сканеров предлагают компании Epson, Hewlett-Packard (HP), Canon, Mustek, Agfa, UMAX ( рис.20 ) .

♦ Цифровые фотокамеры.

Рынок цифровых камер развивается стремительными темпами. Эти устройства (рис. 21, 22) позволяют оперативно и без использования дорогостоящих, длительных и вредных для здоровья химических процессов получать в цифровой форме качественные фотографии.

Классификация. Классифицировать камеры можно по разным признакам. Сначала рассмотрим некоторые общие признаки классификации, одинаковые как для цифровых, так и для пленочных фотокамер.

По «среде обитания» камеры делятся на студийные и полевые.

Относительно оптической системы существуют компактные (незеркальные) и зеркальные камеры. Компактные камеры устроены проще, относятся к любительским фотокамерам. Имеют видоискатель, не совмещенный с объективом. Поэтому границы кадра, которые видны в видоискателе, не совпадают с изображением, которое получается на фотографии (это явление называют параллаксом). По сложности оптической подсистемы их можно разделить на камеры с постоянным и переменным фокусным расстоянием. Камеры с фиксированной фокусировкой имеют объективы с постоянным фокусным расстоянием, в которых отсутствует наводка на резкость. Они используют линзы из оптической пластмассы или из стекла. Следует отметить, что в некоторых цифровых камерах проблема параллакса решается использованием в качестве видоискателя цветного жидкокристаллического (ЖК) дисплея, предназначенного для просмотра отснятых кадров.

Зеркальной называется камера (рис. 22), в которой изображение, попадающее в объектив, с помощью специальной оптической системы отображается в видоискателе. При этом пользователь визуально контролирует кадрирование и точность фокусировки. Для того, чтобы изображение попало на видоискатель, используется либо зеркальце, убирающееся в момент съемки (более сложная и громоздкая конструкция), либо полупрозрачная призма.

Принцип работы. Любой фотоаппарат, в том числе и цифровой, можно ус­ловно разделить на три части. Первая составляющая – опти­ческая система, состоящая из объектива (иногда с насадка­ми) и затвора. Вторая часть – это регистратор изображения, а третья предназначена для хранения отснятых кадров. В обычном фотоаппарате функции второй и третьей состав­ляющих выполняет пленка, а в цифровом для этого используются два разных устройства. Для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь, а для хранения – флеш-память.

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) – прибор, преоб­разующий световой поток в электрический сигнал. Характеризуется разрешением – количеством точек по вертикали и горизонтали.

В качестве ЭОП используются матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы) и КМОП-матрицы (СMOS). В циф­ровых камерах чаще используются ПЗС-матрицы (CCD-matrix).

Рассмотрим некоторые понятия по теме, касающейся работы цифровой фотокамеры.

ПЗС, прибор с зарядовой связью (CCD, couple-chаrged device) – уст­ройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока Уровень заряда зависит от интенсивности и продолжительности освещения.

Флэш-память – энергонезависимая память, сохраняющая инфор­мацию после выключения питания. Характеризуется емкостью (в мегабайтах), скоростью доступа и напряжением питания.

Пиксель – точка изображения, имеющая две характеристики: цвет и яркость.

Мегапиксель -- миллион точек, используется как характеристика раз­решающей способности ЭОП. Образуется перемножением количества точек по вертикали и горизонтали.

Мегапиксельные ПЗС-матрицы с разрешением 1280х960 появились в цифровых фотокамерах в конце 1997 года.

Экспонирование – время освещения ЭОП, необходимое для создания «электронного образа» кадра.

Принцип работы: оптическая система проецирует уменьшенное изображение на ЭОП, в роли которого выступает матрица из светочувствительных элементов ПЗС (CCD) или КМОП (CMOS). Далее оцифрованное изображение сжимается в формат JPEG, FlashPix или аналогичный им и затем записывается в память камеры, емкостью которой и определяется количество снимков. Для передачи в ПК записанного в памяти камеры изображения могут использоваться различные носители и интерфейсы.

Поскольку светочувствительные элементы способны регистрировать яркость, но не цвет, то для получения цветного изображения перед каждым из них устанавливается светофильтр для основных цветов по модели RGB (Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий). Информация о цвете кодируется аналого-цифровым преобразователем с использованием определенного количества разрядов, что является одним из основных параметров цифровой фотокамеры. Он называется глубина цвета или разрядность, измеряется в разрядах.

На рис. 23 показан способ получения изображения на примере зеркальной камеры с убирающимся зеркальцем.

Потребительские качества цифровой камеры определяются ее основными параметрами, такими как разрешение, тип используемого светочувствительного элемента, способ хранения изображения и т. п.

Разрешение определяет величину захватываемого камерой изображения в пикселах. Для камер низкого и среднего разрешения эта характеристика может составлять 320x200, 640x480, 768x576, 800x600 и 1024x768 пикселей. Камеры высокого разрешения (1280x960, 1280x1024, 1600х1200 и больше) называют также мегапиксельными (Mega-pixel), поскольку число точек формируемого ими изображения превышает 1 млн.

Сфера применения камер низкого и среднего разрешения – изготовление любительских фотографий для показа на экране ПК и размещения в Интернете; мегапиксельные камеры позволяют получать изображение, вполне пригодное для распечатки в формате фотографии 10x15 или большем на фотопринтере, а также для публикации в печатных изданиях.

Тип используемого светочувствительного элемента. В настоящее время используются светочувствительные элементы двух типов: матрицы на основе приборов с зарядовой связью – ПЗС (CCD – Charge-Coupled Device) или КМОП-полупроводников (CMOS – Complementary Metal-Oxide Semiconductor). КМОП-матрицы являются более дешевыми в производстве, но пока дают изображение худшего качества.

Способ хранения изображения. Полноцветное изображение с высоким разрешением требует для своего хранения большой объем памяти. Например, для хранения изображения 1280x1024 пикселей в 24-битном цвете требуется свыше 3,9 Мбайт памяти. Для экономии памяти при хранении изображений в камере они сжимаются по алгоритму JPEG, который допускает потерю мелких деталей в изображении. От используемой степени сжатия и качества реализации алгоритма зависит качество получаемого изображения. В некоторых камерах возможно сохранение в формате TIFF. Для хранения видео в цифровых фотокамерах могут использоваться форматы AVI, MPEG.

Емкость и тип используемой для хранения снимков памяти. Несмотря на использование сжатия, изображения все равно занимают очень много места. Так, кадр размером 1280x1024 пикселей даже после сжатия требует свыше 600 Кбайт.

Рис. 23 .Создание изображения на примере зеркальной камеры

с убирающимся зеркальцем

Емкость памяти и тип используемого носителя информации определяет количество кадров, которое способна снять камера без перезарядки носителя информации. Наиболее распространены носители информации на встроенных микросхемах и на базе флеш-памяти различных форматов и производителей: Miniature Card (формат разработан корпорацией Intel), CompactFlash (формат разработан компанией SanDisk), SmartMedia (компания Toshiba) и др. Емкость таких носителей может быть разной: 8 Мбайт, 16 Мбайт, 32 Мбайт, 64 Мбайт, 128 Мбайт, 256 Мбайт.

Кроме того, существуют камеры, которые записывают фотографии на стандартный CD-R/RW.

Большинство производителей сканеров одновременно занялось и производством цифровых камер (AGFA, Epson, Hewlett-Packard, Mustek), к ним же присоединились известные производители фото- и видеокамер (Kodak, Minolta, Olympus, Pentax, Polaroid, Sony, Nikon), а также другие электронные компании (Casio, Samsung, Toshiba).