Графические планшеты: технология, применение и модели - Студенческий научный форум

XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Графические планшеты: технология, применение и модели

Виноградов А.А. 1
1БИТИ НИЯУ МИФИ
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Графический планшет, также называемый дигитайзером (диджитайзером), является одним из наиболее популярных устройств для ввода графической информации в персональный компьютер. Основной задачей данного устройства является достижение максимального сходства с рисованием вживую.

Дигитайзер пользуется большим спросом у людей, профессия или хобби которых связаны с дизайном, фотографиями, проектированием, архитектурой и так далее. Иногда графический планшет используется обычными пользователями в качестве замены обычной компьютерной мыши.

Графический планшет и производные от этого продукта существуют на рынке компьютерных устройств уже более 30 лет. За это время девайс превратился из специализированного манипулятора в устройство массового использования. Особое влияние на эту тенденцию оказала разработка таких редакторов, как Corel Draw, AutoCAD и Photoshop. Многие пользователи, активно взаимодействующие с подобным программным обеспечением, отдают своё предпочтение в пользу графических планшетов, а не мыши, поскольку при этом обеспечивается более точная передача графической информации.

Целью работы является рассмотрение технологии, применения и моделей графических планшетов.

В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи:

изложить историю развития графических планшетов;

изучить технологию и устройство графических планшетов;

описать основные характеристики дигитайзеров;

рассмотреть некоторые модели дигитайзеров;

обозначить сферу применения графических планшетов.

1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНШЕТОВ

Прототипом нынешнего графического планшета считается «телаутограф», изобретённый Элишем Греем ещё задолго до компьютерной эры – в 1887 году. Первый дигитайзер, подобный современным экземплярам, появился в 1957 году благодаря разработке Тома Даймонда под названием Stylator. Данное устройство конвертировало каждое положение стилуса в декартовы координаты и заносило их в память компьютера. Малая известность планшета не позволила ему выйти на рынок и в общее потребление. Более широкое распространение получил следующий экземпляр дигитайзера: Tablet от компании RAND, произведённый в 1964 году. Соотношение цены и качества товара позволило использовать его в университетах, институтах и лабораториях, а также другим обладателям компьютерной техники.

Гораздо большим спросом графические планшеты стали пользоваться в 1970-х – 1980-х годах. В 1971 году появился на свет акустический планшет, который работал по принципу акустической подачи звука в сеть микрофонов под экраном устройства. В 1975 году завоёвывает популярность BitPad благодаря интеграции с CAD-системами для узких специалистов: чертёжников, инженеров и архитекторов. В 1980-е годы появляется ещё один известный планшет: KoalaPad. Его особенностью была сцепка с восьмибитными персональными компьютерами и отсутствие любых указующих устройств (стилусов). Информация вводилась непосредственно пальцем.

Позже появляется технология, основанная на явлении электромагнитного резонанса, требующая подачи электроэнергии как на экран, так и на перо ввода. В 2000-е годы перья модернизируются и становятся способными понимать и регистрировать силу нажатия посредством элементов, измеряющих индуктивность и сопротивление. Также становится возможной фиксация наклона пера относительно поверхности дигитайзера. Эти достижения значительно устремляют прогресс развития по приближению к максимальному сходству с бумажным рисованием.

В 2005 году появляется графический планшет от производителя XPPEN Technology CO с новой ручкой. Её отличительно чертой является отсутствие внутренней батарейки. Это значительно облегчает саму ручку и освобождает от нужны менять батарейки. Ручка становится более органичной и одинаково удобной при работе как правой, так и левой рукой.

2012 год является переходной точкой от рядовых графических планшетов к планшетам, предназначенным для профессионалов. Эти дигитайзеры оснащены технологией multi-touch и возможностью понимать пользовательские жесты и сочетания, а также особым режимом для вывода настроек на экран.

В 2016 году тенденция меняется и ориентация происходит на планшеты для любителей, но с сохранением профессиональных характеристик. Перо и ластик по-прежнему чувствительны к нажатию и углу. Эргономичность планшета достигается благодаря ультратонкому дизайну, беспроводной работе и возможности подключения ко многим популярным устройствам.

Одной из последних модернизированных наборов считается линейка планшетов Wacom Cintiq, которая обусловила переход от настольного планшета к «электронному мольберту». Последние модели обладают широкоформатным дисплеем с высоким разрешением и огромным количеством настроек под самые различные нужды. Подобные планшеты активно используются голливудскими художниками и мультипликаторами. В России такие планшеты завоевали популярность у анимационных студий и кинокомпаний.

На современном рынке представлены самые разнообразные дигитайзеры от разных компаний: ViewSonic, Genius, XP-PEN, UGEE, Xiaomi, Gaomon и других. Однако наибольшей популярностью всё же пользуются планшеты фирмы Wacom как наиболее интерактивные и качественные. Данная фирма является лидером по количеству и значимости инновационных идей в области разработки графических устройств.

Таким образом, была рассмотрена хронология развития графического планшета от самых ранних экземпляров до моделей настоящих дней. Отмечены особенности устройств на каждом из этапов модернизации.

2 ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЗАЦИИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНШЕТОВ

Любой графический планшет имеет в своём составе два основных элемента: основание (рабочая поверхность) и перо, которое может перемещаться по нему. Существуют такие модели, в комплекте к которым поставляется планшетная мышь, работающая по принципу пера. Она действует исключительно на поверхности дигитайзера и имеет гораздо большую точность в отличие от обычной компьютерной мыши.

Сегодня планшет является полуавтоматическим устройством ввода графической информации посредством курсора (указателя координат), свободно перемещаемого по рабочей поверхности аппарата. Планшет чаще всего изготавливается из пластмассы и походит на толстый коврик для компьютерной мыши. Перо максимально приближено по дизайну к обычной авторучке, однако вместо чернильного стрежня с металлическим наконечником на конце у стилуса используется один из следующих видов наконечника (в составе пера):

стандартный из серого пластика, который при нажатии напоминает твёрдый карандаш или ручку;

гибкий из прорезиненного материала с повышенным трением, при работе создаётся имитация пастельного инструмента;

войлочный, максимально похожий на фломастер или мягкий карандаш;

«stroke», выполненный из белого пластика и подпружиненный, благодаря чему создаётся ощущение работы с кистью.

При передвижении стилуса по рабочей поверхности устройства положение курсора регистрируется в каждый момент времени, конвертируется в абсолютное значение координат целевого экрана и затем передаётся на сам экран. Весь этот процесс происходит почти мгновенно, благодаря чему и достигается схожесть с «бумажным» рисованием. Профессиональный планшеты позволяют конвертировать координаты с точностью 99,9%, но и ценовой диапазон таких аппаратов значительно выше среднерыночной цены обычных дигитайзеров.

Регистрация положения курсора производится посредством встроенной сетки из печатных проводников с большим шагом (порядка 3-6 миллиметров), однако техника регистрации пера значительно точнее и составляет 200 линий на каждый миллиметр.

На рисунке 1 представлены основные виды графических планшетов по типу устройства.

Рисунок 1 – Основные виды графических планшетов

В основе пьезоэлектрических дигитайзеров лежит «тактильная чувствительность», или пьезоэлектрический эффект. Сетка проводников, которая расположена под рабочей поверхностью планшета, позволяет пластине пьезоэлектрика определять координаты точки через возникающую разность потенциалов. Такая конструкция не требует специального пера и даёт возможность использовать рабочую поверхность планшета как обычную чертёжную доску. Обычно в комплекте к планшету поставляется специальный зажим для бумаги, на которой можно рисовать обычным карандашом или ручкой. Нарисованное изображение моментально преобразуется в цифровой формат. Пьезоэлектрические планшеты являются отличным аналогом дорогих устройств, у которых электронная рабочая поверхность сразу отображает результаты работы.

В электростатических планшетах также используется измерение электрического потенциала в каждый промежуток времени на сетке непосредственно под пером, но в этом случае не перо должно быть подано питание.

Электромагнитные дигитайзеры обладают специфической сеткой, которая принимает электромагнитные волны, поданные каким-либо источником этих волн. Обычно источником волн выступает само перо, однако любые другие источники также могут оказывать воздействие на сетку дигитайзера. Такие устройства достаточно чувствительны к помехам, например, к излучениям мониторов.

Работа оптических планшетов похожа на работу обычного сканера в реальном времени. В стилус встроена цифровая микрокамера, посредством которой происходит сопоставление изображения на бумаге и на экране. Наиболее известной технологией, работающей на основе этого способа является разработка Anoto.

Лазерный дигитайзер считаются одним из самых дорогостоящих видов графических планшетов, но в то же время наиболее точным. Эти устройства используются преимущественно для автоматического считывания 3D-объектов без участия человека. Трудности возникают при попытке сканировать объекты с зеркальными и прозрачными поверхностями. Главным преимуществом подобного рода устройств является быстрая оцифровка 3D-модели, однако последующая её конвертация в конечное изображение занимает продолжительное время.

Пример подготовки к оцифровыванию 3D-объекта приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Подготовка объекта к оцифровыванию

Итак, были рассмотрены основные виды графических планшетов, принципы устройства и особенности каждого из них.

3 ОБЩАЯ СВОДКА ХАРАКТЕРИСТИК ДИГИТАЙЗЕРОВ

Одним из параметров дигитайзеров являются его линейные размеры, которые сегодня составляют от нескольких сантиметров до размеров листа А2. В основном большие графические планшеты необходимы специалистам для профессиональных работ. При выборе планшета ориентируются в основном на размеры рабочей области, а не на размеры самого устройства.

Основной характеристикой любого планшета является чувствительность к нажиму, которая преимущественно определяет различную толщину линий при рисовании. Дешевые модели планшетов не обладают такой возможностью и все линии будут рисоваться одинаковой толщины в зависимости от предустановленных настроек и независимо от угла или нажима пера.

Чувствительность планшета может регулироваться в панели инструментов. Для повседневных задач вполне хватает 2048 уровней давления пера, однако для большего контроля при рисовании могут использоваться планшеты с большей чувствительностью (вплоть до 8192 уровней давлений пера).

Другой немаловажной характеристикой планшетов является разрешение. В отличие от привычного разрешения дисплея (измеряется в DPI – dots per inch – количество точек (пикселей) на дюйм), разрешение дигитайзера измеряется в LPI – lines per inch – количество линий на дюйм. Фактически можно считать, что этот показатель определяет плотность датчиков под рабочей областью и чем выше это число, тем точнее планшет отражает передвижения пера. Передача характеристик линии, штриховки и любых других редактирований напрямую зависит от разрешения дигитайзера.

Практически значимой характеристикой дигитайзера является высота считывания пера. Она определяет, на каком расстоянии от рабочей области планшет способен распознать жесты пера и отреагировать на них соответствующим образом. Для комфортной работы считается приемлемой высота не менее 6-7 миллиметров.

Скорость отслеживания пера, или время отклика влияет на то, как быстро появится рисуемая линия на экране. Измеряется в точках за секунду.

При выборе графического планшета необходимо обращать внимание на поддерживаемые устройством операционные системы (ОС). Будет неприятно, если найденный дигитайзер обладает подходящими характеристикам, но несовместим с установленной операционной системой. Конечно, ничто не мешает написать собственный драйвер для взаимодействия внешнего подключаемого устройства и операционной системы, однако в разы экономичнее и выгоднее приобретать сразу готовый для работы продукт.

Стоит также учитывать тип подключения к персональному компьютеру (ПК). Большинство современных графических планшетов подключаются посредством интерфейса USB. В ряде случаях планшет может быть подключен даже к мобильному устройству через технологию OTG. Планшеты, подключаемые исключительно по USB, обычно не имеют внутреннего источника питания и, соответственно, не нуждаются в зарядке.

Существуют планшеты с беспроводным подключением к компьютеру через Bluetooth или Wi-Fi, которые требуют в силу этого естественной подзарядки. Чаще всего беспроводной модуль встроен в конструкцию графического планшета, однако может и поставляться отдельно.

Особо следует отметить планшеты со смешанным типом подключения, которые могут взаимодействовать с ПК как посредством кабеля, так и в беспроводном режиме. У такого устройства имеется встроенная батарея, которая требует поддержания заряда при беспроводной работе.

На комфорте работы также сказывается тип пера (с батарейками, проводное, беспроводное магнитное, или пассивное и другие), наличие дополнительных настроек и возможностей, вызываемых программным или аппаратным образом.

В главе были рассмотрены основные характеристики и параметры графических планшетов. Каждому параметру дано развёрнутое пояснение.

4 МОДЕЛИ ГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНШЕТОВ

Для всеобъемлющего рассмотрения графических планшетов приведём некоторые модели графических планшетов (относительно низких, средних и высоких цен) и их характеристики. Все данные взяты с сайта DNS.

На рисунке 3 представлен графический планшет XP-PEN Deco Fun S (цена 3999 рублей). В таблице 1 представлены его характеристики.

Рисунок 3 – Графический планшет XP-PEN Deco Fun S

Таблица 1 – Характеристики XP-PEN Deco Fun S

Характеристика

Значение

Рабочая область

160 мм / 102 мм

Чувствительность

8192 уровня

Разрешение

5080 lpi

Высота считывания пера

10 мм

Время отклика

220 т/с

Поддерживаемые ОС

Windows 7, 8, 10; Mac OS X; Linux; Chrome OS; Android 6.0 или выше

Тип подключения

USB Type-C

Тип пера

Пассивное

Дополнительные возможности

Наличие специального ПО

Поддержка многих операционных систем делает планшет универсальным средством для рисования. Он обладает высокими разрешением и чувствительностью. Подобное устройство подойдёт пользователям любого уровня квалификации и пригодно при решении некоторых видов задач профессионального уровня.

На рисунке 4 представлен графический монитор HUION KAMVAS 13 Green (цена 26999 рублей) – разновидность графического планшета, который отображает изображение сразу на дисплее во время рисования. В таблице 2 представлены его характеристики.

Рисунок 4 – Графический монитор HUION KAMVAS 13 Green

Таблица 2 – Характеристики HUION KAMVAS 13 Green

Характеристика

Значение

Рабочая область

293.8мм / 165.2 мм

Чувствительность

8192 уровня

Разрешение

5080 lpi

Высота считывания пера

10 мм

Время отклика

266 т/с

Поддерживаемые ОС

Windows 7, 8, 10; Mac OS X

Тип подключения

USB Type-C

Тип пера

Пассивное

Дополнительные возможности

Фирменное ПО

Экран устройства основан на матрице IPS стандарта FullHD, что придаёт высокое качество детализации изображения. Как и многие другие планшеты этой ценовой категории обладает высокой чувствительностью. Совместим с популярными ОС и имеет пассивное перо в комплекте. Подойдет людям, занимающимся рисованием и моделированием на любительском и полупрофессиональном уровне.

На рисунке 5 представлен графический монитор Wacom Cintiq 16 (цена 55999 рублей). В таблице 3 представлены его характеристики.

Рисунок 5 – Графический монитор Wacom Cintiq 16

Таблица 3 – Характеристики Wacom Cintiq 16

Характеристика

Значение

Рабочая область

344 мм / 194 мм

Чувствительность

8192 уровня

Разрешение

5080 lpi

Высота считывания пера

16 мм

Время отклика

25 мс

Поддерживаемые ОС

Windows 7, 8, 10; Mac OS X

Тип подключения

USB

Тип пера

Пассивное

Дополнительные возможности

Планшет обладает высоким разрешением и большой чувствительностью, что обеспечивает естественное рисование высококачественных изображений. Поддержка популярных ОС, пассивное перо и знак качества Wacom делают его лидером среди конкурентов в своей ценовой категории. Продукция Wacom является выбором профессионалов.

Таким образом, рассмотрены три модели дигитайзеров различных ценовых категорий и приведены их основные характеристики, выделенные в предыдущей главе. Даны комментарии к применимости каждой модели.

5 СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ ДИГИТАЙЗЕРОВ

Первоначально дигитайзер использовался исключительно в системах автоматизированного проектирования (САПР), поскольку задумывался именно для этого. Позднее область применения графических планшетов начала стремительно расширяться, и устройства начали активно применяться не только инженерами, но и дизайнерами, художниками, аниматорами, а также разработчиками игровых приложений.

Основными областями применения графических планшетов сегодня считаются:

мультипликация;

оцифровывание географических карт для работы с географическими информационными системами;

инженерное проектирование, создание прототипов и обратный инжиниринг;

научная визуализация.

Некоторые программы-мессенджеры позволяют обладателю графического планшета передавать и демонстрировать своему собеседнику интерактивные изображения. Кроме того, разработаны и уже существуют определённые протоколы (например, Jabber, ныне известный как XMPPExtensible Messaging and Presence Protocol), которые предоставляют возможность двум людям на расстоянии производить совместное рисование и редактирование даже при использовании разных целевых устройств.

Есть видеоигры, позволяющие использовать графический планшет в качестве игрового контроллера. Дигитайзер может применяться вместе с клавиатурой вместо привычной мыши (пример – музыкальная игра «osu!»).

Несомненно, область применения такого интерактивного устройства будет расширяться с годами, и дигитайзеры будут использоваться в самых необычных видах человеческой деятельности. Возможно, будет проведена прямая интеграция дигитайзера с голографическими устройствами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы была изложена история развития графических планшетов, в частности, течение модернизации дигитайзеров от первого прототипа до современных моделей, а также особенности каждого экземпляра.

Описана технология и принципы работы графических планшетов и перьевых устройств. Рассмотрены основные виды дигитайзеров и их специфика.

Выделены основные характеристики графических планшетов: размеры рабочей области, чувствительность, разрешение, высота считывания пера, время отклика, поддерживаемые ОС, тип подключения и тип пера. Даны пояснения каждому параметру.

Рассмотрены модели графических планшетов в различных ценовых категориях и от разных компаний-производителей. Приведены их основные характеристики и краткое описание с учетом применимости каждой модели.

Обозначена сфера применения дигитайзеров, в частности: мультипликация, оцифровка физических объектов, инженерной проектирование и научная визуализация. Отмечены нетривиальные способы применения графических планшетов и перспектива развития дигитайзеров.

Таким образом, все поставленные задачи выполнены, цель работы достигнута.

Просмотров работы: 1610