Лекция № 3 Устройства ввода Периферийные устройства НАЦИОНАЛЬНЫЙ

Лекция №3 Устройства ввода Периферийные устройства НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ Осокин Александр Николаевич Томск – 2015

Устройства ввода 2 К устройствам ввода данных относятся клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, сканер, дигитайзер, цифровой фотоаппарат, устройства естественного взаимодействия ( к ним относятся устройства ввода, позволяющие человеку осуществлять ввод данных в компьютер естественным способом, используя прикосновения, голос, жесты), устройства нейроввода.

Клавиатура 3 Назначение клавиатуры Любая информация в компьютере кодируется двоичными кодами. Однако человеку сложно работать с информацией, представленной в двоичном коде. Поэтому необходимо специальные устройства ввода для перевода информации с языка компьютера. Клавиатура в настоящее время является основным устройством ввода символьной информации в компьютер и является одним из важнейших устройств, определяющих условия комфортабельности работы на компьютере.

Клавиатура принцип действия Клавиатура – это унифицированное устройство, представляющее совокупность датчиков, воспринимающих давление (прикосновение) на клавиши и замыкающих тем или иным образом определенную электрическую цепь, со стандартным разъемом и последовательным интерфейсом связи с системной платой. Независимо от типов применяемых датчиков нажатия клавиши, все они объединяются в матрицу

Схема клавиатуры

Взаимодействие клавиатуры с системами персонального компьютера

Взаимодействие клавиатуры с с системами персонального компьютера При нажатии клавиши факт нажатия регистрируется микроконтроллером клавиатуры, который формирует идентифицирующий ее скэн-код и передает его на системную плату компьютера по последовательному интерфейсу, по линиям KB-Data и KB-Clock. Каждая клавиша основного поля клавиатуры генерирует два типа скэн-кодов: «код нажатия», когда клавиша нажимается, и «код отпускания (освобождения)», когда клавиша отпускается.

Стандартная раскладка и назначение клавиш Стандартная компьютерная клавиатура, также называемая клавиатурой PC/AT или AT-клавиатурой (поскольку она начала поставляться вместе с компьютерами серии IBM PC/AT), имела 101 или 102 клавиши (в настоящее время клавиш больше). Расположение клавиш на AT-клавиатуре подчиняется единой общепринятой схеме называемой QWERTY, спроектированной в расчёте на английский алфавит и названной так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры. «Быстродействующие» альтернативные раскладки (самая известная DVORAK) не прижились из-за нарушения принципа преемственности и совместимости.

Стандартная раскладка и назначение клавиш По своему назначению клавиши на стандартной полной клавиатуре делятся на следующие группы: функциональные; алфавитно-цифровые; управления курсором; цифровая панель; модификаторы.

Группы клавиш стандартной полной клавиатуры

Манипулятор «мышь» Общие сведения о мыши Компьютерная мышь – механический манипулятор, преобразующий движение в управляющий сигнал. Сигнал может быть использован для позиционирования курсора или прокрутки страниц. Наряду с клавиатурой манипулятор мышь является важнейшим средством ввода. С начала повсеместного использования графических оболочек мышь стала необходимой для эффективной работы на РС с соответствующим программным обеспечением. С помощью мыши нельзя вводить в РС серии команд.

Изобретение мыши приписывают Дугласу Энгельбарту

Первая компьютерная мышь

Виды мышей В процессе развития науки и техники технологии, применяемые в компьютерных мышах, модернизировались и улучшались. В настоящее время известны механические, оптомеханические, оптические и лазерные мыши .

Конструкция оптико-механической мыши движение шарика отслеживаются оптическими датчиками

Конструкция механической мыши

Конструкция оптико-механической мыши

Конструкция оптической мыши

Лазерная мышь

Оптический сенсор Основной составляющей мыши, определяющей её характеристики, является оптический сенсор. Именно он производит всю главную работу. Наиболее популярный в наше время оптический сенсор ADNS-3060, обеспечивает оптическим мышам следующие возможности: допустимая максимальная скорость перемещения манипулятора достигает 1 м/с, допустимое ускорение - 15 g. На разгон мыши с 0 до предельных 1 м/с пользователю отводится 7 сотых секунды «Разрешение» оптического сенсора может составлять 400 или 800 dpi. Внешний вид сенсора приведен на следующем слайде.

Внешний вид оптического сенсора ADNS-3060

Кнопки мыши Кнопки – главные элементы управления мышкой. Именно с их помощью пользователь совершает основные действия на мониторе: выбирает объекты, перемещает их, выделяет и так далее. Для работы с большинством программ достаточно двух кнопок и колеса прокрутки. Кроме того, количество пальцев, свободных для нажимания, именно три: указательный, средний и безымянный. Большой палец и мизинец служат для перемещения самой мышки. Именно такой вариант компьютерной мыши – две кнопки и колесико – сегодня наиболее распространен. Некоторые современные мыши имеют дополнительную кнопку сбоку, под большим пальцем. Ее можно запрограммировать для выполнения каких-либо действий: скажем, на открытие определенной программы.

Интерфейс подключения Другая важная характеристика мыши — способ ее подключения к РС, то есть интерфейс. Раньше в основном использовались проводные интерфейсы: COM-интерфейс, позже стандартным был PS/2, а теперь де-факто стандартом подключения периферийных устройств является USB. USB-мыши лучше других, потому что, во-первых, обеспечивают большее количество отсчетов в единицу времени, а, во-вторых, их можно включать при работающем компьютере, что особенно важно для владельцев портативных PC. Беспроводная компьютерная мышь не имеет кабеля – она передает сигнал на компьютер с помощью радиоволн. Используется WUSB или Bluetooth.

Разъёмы подключения компьютерной мыши

Запястный туннельный синдром

Современные эргономичные мыши. Коврик для мыши с подставкой под кисть

Современные эргономичные мыши. Вертикальная мышь

Графические планшеты (дигитайзеры) Графический планшет – это устройство ввода-вывода, позволяющее пользователю рисовать на специальной области зондом (визиром, карандашом, пером). Рабочая область чувствительна к разным уровням нажатия и углам прикосновения карандаша. Планшет позволяет людям использовать компьютер как средство рисования и обработки изображений в более удобном и привычном виде. Также может прилагаться специальная мышь. Координата текущего положения зонда определяется с частотой от 200 до 500 раз в секунду. Этим обеспечивается, 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.

Планшеты работают в различных режимах: точечном, когда генерируется координата при нажатии кнопки зонда; непрерывном, когда последовательность координат генерируется непрерывно при нахождении зонда в рабочей области планшета (при этом может производиться сокращение объема передаваемых данных так, как это описано выше); переключаемом непрерывном, когда генерируется непрерывная последовательность координат при нажатии кнопки зонда; приращений, когда формируются приращения к последней выданной позиции.

По принципу действия планшеты разделяются на: акустические, потенциометрические (градиентные), емкостные, магнитоэлектрические, магнитострикционные.

Принцип действия акустического планшета

Принцип действия потенциометрического (градиентного) планшета

Принцип действия емкостного планшета

Принцип действия магнитострикционного планшета

Характеристики планшетов Рабочая площадь обычно приравнивается к одному из стандартных бумажных форматов стандарта ISO (А7–А3). А4 – лист размером 210×297 мм. А5 – это половина А4. А3 получится, если соединить два листа А4 длинными сторонами. Разрешением планшета называется шаг считывания информации. Разрешение измеряется числом точек на дюйм (dpi – dots per inch). Типичные значения разрешения для современных планшетов составляет несколько тысяч dpi. Количество степеней свободы описывает число квазинепрерывных характеристик взаимного положения планшета и пера. Минимальное число степеней свободы – 2 (X и Y положения проекции чувствительного центра пера), дополнительные степени свободы могут включать давление, наклон пера относительно плоскости планшета.

Джойстики. Назначение джойстиков Джойстик – устройство для ввода информации, относящееся к классу игровых манипуляторов, с помощью которого предоставляется возможность задавать координаты графического объекта. Разнообразие джойстиков весьма велико и обуславливается видом игр, для которых они предназначаются; зачастую джойстиками называют все виды игровых манипуляторов (например, рули, педали, штурвалы, геймпады и т.д.).

Принцип действия джойстика первого поколения

Принцип действия джойстика первого поколения Первые примитивные цифровые джойстики представляли собой стержень, укрепленный на крестовине, имеющей четыре электрических контакта. Чтобы выбрать одно из четырех направлений, нужно наклонить стержень в соответствующую сторону. При замыкании сразу двух контактов добавляются еще четыре направления. Очевидно, что обеспечить плавное регулирование такой джойстик не мог и поэтому плохо подходил для авиасимуляторов.

Джойстики с плавным регулированием Эти устройства посылают в игровой порт аналоговый сигнал, который обрабатывается контроллером игрового порта и ЦП, а затем в цифровом виде используется программными интерфейсами. Основание стержня проходит через валик и подвеску, подсоединенные к потенциометрам. Каждый потенциометр регистрирует движение в своей плоскости

Сканеры Назначение Основная функция сканеров – получение изображений различных материальных носителей (книг, журналов, фотокарточек, открыток, рисунков, слайдов и т.п.) для последующей обработки, хранения и распространения в цифровом формате. Все многообразие сканируемых оригиналов подразделяется на две категории: прозрачные и непрозрачные. Сканирование непрозрачных оригиналов производится в отраженном свете. В этом случае свет от используемого источника света падает под определенным углом на оригинал и, отразившись от него, воспринимается светочувствительным элементом. Сканирование прозрачных оригиналов осуществляется в проходящем свете. Оригинал в этом случае располагается между источником и светочувствительным элементом. Свет от источника проходит сквозь оригинал и затем воспринимается светочувствительным элементом.

Устройство сканера для сканирования непрозрачных материалов.

Работа сканера для сканирования непрозрачных материалов Свет, идущий от источника освещения, попадает на оригинал в определенной точке. Отразившись от него, свет попадает на оптическую систему сканера. Она состоит из нескольких зеркал и объектива (иногда роль оптической системы может играть просто призма). Оптическая система фокусирует свет на фотопринимающем элементе, роль которого – преобразование интенсивности падающего света в электронный вид. В результате преобразования света получается электрический сигнал, содержащий информацию об активности цвета в исходной точке сканируемого изображения. Этот сигнал не является оцифрованным, поэтому для приведения его в вид, понятный компьютеру, необходима конвертация: преобразование из аналогового в цифровой. Этим занимается АЦП – аналого-цифровой преобразователь, этот цифровой сигнал через аппаратный интерфейс сканера идет на компьютер, где его получает и анализирует программа для работы со сканером.

Источники света в сканерах Ксеноновые газоразрядные лампы. Их отличает чрезвычайно малое время прогрева, высокая стабильность излучения, небольшие размеры и большой срок службы. Но они не очень эффективны с точки зрения соотношения количества потребляемой энергии и интенсивности светового потока, имеют неидеальный спектр (что может вызвать нарушение точности цветопередачи) и требуют высокого напряжения питания (порядка 2 кВ). Люминесцентные лампы с горячим катодом. Эти лампы обладают наибольшей эффективностью, очень ровным спектром (которым к тому же можно управлять в определенных пределах) и малым временем прогрева (порядка 3–5 секунд). К недостаткам можно отнести не очень стабильные характеристики, довольно большие габариты, относительно небольшой срок службы (порядка 1000 часов) и необходимость держать лампу постоянно включенной в процессе работы сканера.

Источники света в сканерах Люминесцентные лампы с холодным катодом. Такие лампы имеют очень большой срок службы (до 10 тыс. часов), низкую рабочую температуру, ровный спектр (следует отметить, что конструкция некоторых моделей ламп оптимизирована для повышения интенсивности светового потока, что негативно сказывается на спектральных характеристиках). За перечисленные достоинства приходится мириться с довольно большим временем прогрева (до нескольких минут) и более высоким, чем у ламп с горячим катодом, энергопотреблением. В настоящее время данные лампы используются в подавляющем большинстве моделей планшетных сканеров и МФУ. Светодиоды (LED). Применяются в ряде моделей протяжных, планшетных и слайд-сканеров. Светодиоды обладают очень малыми размерами, небольшим энергопотреблением и не требуют времени для прогрева. Обычно используются трехцветные светодиоды, с большой частотой меняющие цвет излучаемого света. Однако светодиоды имеют довольно низкую (по сравнению с газоразрядными и люминесцентными лампами) интенсивность светового потока, что приводит к уменьшению скорости сканирования и увеличению уровня цифрового шума в получаемом элетрическом сигнале об изображении. Весьма неравномерный и ограниченный спектр изображениянеизбежно влечет за собой ухудшение качества цветопередачи.

Светочувствительные элементы для сканирующих устройств ПЗС (CCD) или КМОП (CMOS)-матрица; фотоэлектронные умножители – ФЭУ; контактные оптические сенсоры (Contact Image Sensor – CIS).

Классификация сканеров Сканеры делятся на: Ручные; Листопротяжные; Планшетные; Слайд-сканеры; Барабанные; Другие типы сканеров: рулонные, проекционные, пространственные, томографические.

Классификация сканеров Ручной сканер Это первый тип сканеров, получивший широкое распространение среди рядовых пользователей, и самый дешевый (самые примитивные модели могут стоить от 10 долл.). Эти устройства являются самыми простыми. В их конструкции отсутствуют сложные прецизионные механизмы: пользователь сам двигает сканер по поверхности оригинала. Практически все ручные сканеры – небольшого размера, и поэтому позволяют считывать изображения шириной до 10 см. С другой стороны, отсутствуют ограничения на высоту оригинала, а поставляемое вместе с устройством программное обеспечение дает возможность вводить картинки, ширина которых больше, чем область захвата сканирующей головки. Для этого придется сделать несколько проходов, а затем «склеить» полученные таким образом части изображения в одно целое. Недостатком ручного сканера является то, что пользователь не может двигать устройство строго равномерно и прямолинейно, что необходимо для качественного процесса сканирования. Поэтому, чтобы получить приемлемый результат, нужны твердая рука и постоянные тренировки. Но даже в этом случае, при вводе изображений с помощью ручного сканера, неизбежно возникают искажения. Преимущество ручного сканера: они компактны и могут с успехом применяться для ввода информации в портативные компьютеры. С ними можно работать в библиотеке, архиве или в любом другом месте. Разновидностью ручных сканеров являются сканеры штрихкодов. С их помощью можно считывать штрихкоды с различных товаров.

Внешний вид ручного сканера

Классификация сканеров Листопротяжной сканер В листопротяжных сканерах оригинал протягивается с помощью роликов сквозь сканер, где считывается головкой. Область применения этих сканеров довольно широка – его используют при необходимости создавать большие архивы текстовых документов или графической информации, не требующей высокого качества. Одно из главных преимуществ листопротяжных сканеров – большая скорость обработки информации. Главный недостаток этих сканеров тот же – невозможность сканировать негнущиеся и многостраничные оригиналы.

Внешний вид листопротяжного сканера

Классификация сканеров Планшетный сканер В сканерах этого типа считываемый документ располагается на поверхности стеклянной пластины, под которой перемещается сканирующая головка. Такие сканеры являются универсальными, поскольку с их помощью можно вводить как отдельные листы, так и книги, журналы и даже изображения небольших трехмерных объектов. Этот тип сканеров – самый распространенный главным образом благодаря тому, что включает в себя самые разные модели – от профессиональных до домашних. Такой сканер можно встретить как в большом издательстве или сервисном бюро, так и просто рядом с домашним компьютером. Соответственно, и цена на планшетные сканеры колеблется от ста до десятков тысяч долларов.

Внешний вид планшетного сканера

Классификация сканеров Слайд-сканер Сканеры этого вида используются при необходимости отсканировать негативы и фотоплёнки. Они имеют довольно узкую область применения, поэтому самые дешевые стоят около 200 долл., а самые дорогие – до 30 тыс. долл. Принципиально слайд-сканеры почти не отличаются от план­шетных сканеров, разница только в том, что считывающая головка сканера и источник освещения находятся по разные стороны от сканируемого оригинала. Главным их преимуществом по сравнению с барабанными сканерами является то, что при значительно меньшей цене они позволяют получить почти то же качество (естественно, при сканировании слайдов).

Внешний вид слайд-сканера

Классификация сканеров Барабанный сканер В качестве светочувствительного элемента в барабанных сканерах используется фотоэлектронный умножитель. Он располагается внутри полого стеклянного цилиндра, на поверхность которого накладывается оригинал. В ходе процесса сканирования цилиндр вращается вокруг своей оси, что дает возможность вводить изображение точка за точкой. Сегодня барабанные сканеры обеспечивают самое высокое качество процесса сканирования. Преимущество барабанных сканеров заключается в том, что фотоэлектронные умножители очень чувствительны к незначительным изменениям яркости и, следовательно, позволяют различать большее количество оттенков, особенно в области очень темных и, наоборот, очень светлых тонов. Недостаток барабанного сканера: оригинал – гибкий лист с изображением – закреплен на вращающемся с большой скоростью барабане. Эта особенность не позволяет сканировать жесткие предметы и многостраничные оригиналы. Барабанные сканеры и по сегодняшний день дороги и сложны в использовании, но они незаменимы там, где необходимо сканировать графику для высококачественной цветной печати.

Внешний вид барабанного сканера

OCR

Лекция №3 Устройства ввода Периферийные устройства НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ Осокин Александр Николаевич Томск – 2015