III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

В последние годы быстрыми темпами развиваются технологии сенсорного управления объектами на экранах компьютеров. Суть их заключается в определении тем или иным способом координат различных объектов на экране (точек касания, ярких объектов) с последующей интерпретацией этих координат в перемещения объектов, изменения их размеров, выполнения команд и пр.

Использование технологии началось с сенсорных экранов (touch-screen) для управления электронными устройствами предшественника технологии «мультитач» и персонального компьютера. Создатели первых синтезаторов и электронных инструментов, Hugh Le Caine и Bob Moog экспериментировали с использованием тач-сенсоров емкостных датчиков для контролирования звуков, издаваемые их инструментами [1].

IBM начали строить первые сенсорные экраны в конце 1960-х, а в 1972 году Control Data выпустили компьютер - терминал PLATO-IV для образовательных целей, который на экране 16x16 касание (single-touch) использовал в качестве пользовательского интерфейса [2].

Первая реализация мультитача (англ. Multi-touch) на базе сенсорно-емкостного способа была разработана в ЦЕРН в 1977 на базе их емкостно-сенсорных экранов для управления синхрофазатроном. В записке датированной 11 марта 1972 года, датский инженер Stumpe представил своё решение - емкостной сенсорный экран с фиксированным числом программируемых кнопок находящихся на дисплее. Экран должен был состоять из множества конденсаторов вплавленных в плёнку или в стекло медных проволочек, каждый конденсатор должен быть построен так, чтобы поблизости находящийся проводник, такой как палец, приведет к увеличению емкости на значительную величину. Конденсаторы должны были быть проволочками меди на стекле - тонкими (80 μm) и достаточно далеко друг от друга (80 μm), чтобы быть невидимым. В конечном устройстве, экран был просто покрыт лаком, который предотвращал касание пальцами конденсаторов.

В начале 1980-х годов разработка технологии Multi-touch началась по всему миру практически одновременно.

Мультитач- технология, которая способна одновременно обнаруживать и определять координаты минимум 3 точек касания. Например, сближая пальцы рук, можно уменьшить картинку на дисплее, а раздвигая - увеличить. Кроме того, мультитач-экраны позволяют работать с устройством одновременно нескольким пользователям. Он часто используется для описания других, более ограниченных реализации, таких как одиночный (англ. Single), двойной (англ. Dual) или квази-мультитач..

С физической точки зрения существуют следующие технологии реализации мультитач [3]:

резистивные (Resistive);

поверхностно емкостные, (Surface Capacitive);

емкостные (Projected Capacitive - PST);

изгиб волны (Bending Wave - BW);

поверхностные акустические волны (Surface Acoustic Wave - SAW );

инфракрасный (Infrared - IR);

оптические технологии.

Если говорить о программное обеспечение компьютеров, то операционные системы Windows 7, Mac OS X, Linux (с установленным компонентом X Input 2, входящим в состав X Server 1.8) поддерживают мультитач.

Сейчас наиболее популярны три технологии: PST, IR и SAW

Наиболее популярной формой мультитач устройств являются мобильные устройства (iPhone, Ipod Touch), мультитач столы (например: Microsoft Surface) и мультитач стены. Сейчас различные технические воплощения технологии используются, и активно продвигаются в продуктах компаний Apple, Nokia, Hewlett-Packard, HTC, Dell, Microsoft, ASUS, LG и некоторых других.

В попытке сделать дорогие технологии более доступными, любители также опубликовали способы построения DIY(сделай сам) мултитач экранов.

Например, в [4] описан способ сделать мультитач панель используя пульт wiimote. Способ придуман исследователем из университета Карнеги Меллон Джонни Чанг Ли (Johnny Chung Lee). Используя возможность Wiimote отслеживать лучи инфракрасного света, можно отследить движение ручки с инфракрасным диодом. Направляя Wiimote на проекционный экран либо на ЖК-монитор, вы сможете создать дешёвый сенсорный экран либо планшет. Wiimote может отслеживать 4 инфракрасных точки, а это значит, что одновременно, можно использовать до 4 лучей. Также, система отлично работает с экранами обратной проекции.

Используя инфракрасную камеру в датчике положения головы Wii Remote (два инфракрасных светодиода), можно точно проследить движения своей головы и получить соответствующее изображение на экране. Эта дает возможность превращает дисплей в портал виртуальной среды [5].

Хотя слово «мультитач» обычно относится к сенсорным экранам, тачпады Apple, начиная с PowerBook, также распознают жесты несколькими пальцами [10]. В PowerBook параллельное движение двух пальцев соответствует прокрутке, а в MacBook, MacBook Pro и MacBook Air уже распознаются двупальцевые повороты и разведения-сведения, а также разнонаправленные штрихи тремя и четырьмя пальцами. Также эту технологию поддерживает новая мышь компании Apple - Magic Mouse. [6]

Мультитач устройства с маленьким размером экрана быстро становятся обычным явлением, так например количество телефонов с мультитач экраном увеличится с 200.000 проданных в 2006 году до 21 млн. в 2010 году [7]. Более надежные и настраиваемые мультитач решения, а также увеличение количества и качества понимаемых жестов делают популярным и удобным этот вид пользовательского интерфейса.

Не обошла эта технология и большие экраны. Большинство современных больших мультитач экранов основаны на проекции. Проектор проецирует изображение на прозрачный экран, касаясь которого пользователь управляет объектами на нем. Большой популярностью в последнее время стали пользоваться сенсорные плёнки и стекло, производители которых покрывают все возможные размеры экранов от 17" до 50" и более. Есть также ИК-рамки (IR), которые отслеживают несколько точек касания одновременно и могут использоваться с любыми типами дисплеев. В мире существует множество производителей, запустивший в серийное производство мультитач IR-экранов различных размеров: 32", 40", 42", 46", 50" , при этом используются ИК-камеры и инфракрасная подсветка. Есть рамки, работающие в диапазоне сверхвысоких частот по BW-технологии.

Не смотря на популярность, используемые сейчас технологии имеют свои и недостатки.

Срок службы сенсорных экранов использующих емкостную технологию не очень велик (загрязнения, царапины, сколы, хрупкость), экраны имеют относительно небольшие размеры из-за помех, низкая ремонтопригодность, они боятся ударов, резких изменений температуры, громоздки, поэтому мало транспортабельны Управлять таким экраном на расстоянии невозможно, нужен непосредственный контакт с пользователем, что тоже ограничивает размеры экрана. PST экономически выгодна только при крупносерийном и массовом производстве,

ПАВ-технология (SAW) обладает теми же недостатками, что и PST.

У экранов использующих инфракрасную технологию, срок выше PST, они ремонтопригодны, экраны долговечны и транспортабельны. Управлять таким экраном на расстоянии трудно и сложно, для этого нужен непосредственный контакт поверхности экрана с пользователем или специальной указкой или иметь специальное инфракрасное освещение и ИК-отражатели. Поэтому и размеры экранов ограничены. IR допускает серийное производство.

Экраны, использующую BW технологию, например, радиоволны, ремонтопригодны, экраны долговечны и транспортабельны. Управлять таким экраном на расстоянии невозможно, нужен непосредственный контакт с рукой пользователя, но размеры экрана вряд ли могут быть более 1,5х2,5 м из-за антропоморфных ограничений. BW технология допускают мелкое и массовое серийное производство.

Оптические технологии (ОТ) не нашли широкого распространения из-за влияния источников света на экран. Но в этом направлении идут интенсивные разработки.

Интерактивная видеодисплейная система (рис.1) может использовать движение и положение человека (или другого объекта) в качестве входного сигнала компьютера [8]. Созданные компьютером знаки и виртуальные объекты могут реагировать на движения прохожих, генерировать интерактивное окружающее освещение для помещений общего пользования, таких как рестораны, фойе и парки, системы видеоигр и создавать интерактивные информационные системы и художественные инсталляции. Можно использовать узорчатое освещение и яркость и градиент для улучшения способности обнаруживать объект на фоне видеоизображений. Видеокамера и проектор работают на разных длинах волн, так что они не создают помех друг другу. 

Предложены устройства трехмерной манипуляции для ввода информации в компьютеры, справочные системы в местах общего пользования, в системах управления домашней техникой и в прочих пассивных и интерактивных системах [9]. Они содержит 2 источника света и видеокамеру. Источники поочередно освещают палец оператора, видеокамера считывает положение двух теней на поверхности, компьютер определяет по ним пространственные координаты пальца и угла наклона, которым соответствует та или иная команда.

Оптические технологии, из-за доступности и дешевизне аппаратных средств очень понравились любителям. Оптический сенсорный экран удалось сделать в домашних условиях из видеокамеры.[10]. Для этого использовалась световая (лазерная) указка и web-камера. Была написана программа на языке СИ#, которая распознавала световое пятно на экране и управляла работой файлов.

Достоинство оптических технологий (ОТ), работающих в видимом диапазоне волн, заключается в возможности дистанционного управления объектами и файлами на экране монитора или проектора. Настройка и регулировка осуществляется по изображению, переданному web-камерой на экран. Используются стандартные программные продукты. Срок службы сенсорных экранов на ОТ определяется надежностью видеокамеры, размеры экраны определяются мощностью проектора. Они обладает высокой ремонтопригодностью, не боятся ударов, резких изменений температуры, компактны, транспортабельны. Для управления не нужен непосредственный контакт между пользователем и экраном. ОТ экономически выгодна и при мелкосерийном производстве, из-за низкой стоимости комплектующих, программных продуктов, простоты сборки и наладки.

Список литературы

1. Buxton, Bill. "Multitouch Overview"/ http://www.billbuxton.com/multitouchOverview.html

2. Bent STUMPE (16 March 1977), новый принцип для X-Y Touch системы/http://cdsweb.cern.ch/record/1266588/files/stumpeMar77.pdf

3. Мультитач/http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%87

4. Дешевая интерактивная мультитач панель с помощью Wiimote/ http://www.cs.cmu.edu/~johnny/projects/wii/

5. Мультитач и Wii/ http://www.multimediapresentation.ru/2008-02-18/multitouch and wii/

6. http://www.billbuxton.com/multitouchOverview.html

7. Статья на сайте Cnews.ru: «Новый „рабочий стол" Microsoft подешевел на треть»/ http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2011/01/07/422594

8. Пат. РФ № 2298294 от 04.06.2002 г.

9. Пат. РФ № 2362216 от 12.05.2008 г.

10. «MTmini: Как собрать собственный мультитач из картонной коробки и веб-камеры?»/ http://blog.cgold.ru/archives/2155#more-2155 http://blog.cgold.ru/archives/2155#more-2155

Код для цитирования: Скопировать