Аппаратное обеспечение интерактивной связи человека с машиной

Устройства ввода

Устройства ввода — периферийное оборудование для занесения (ввода) данных или сигналов в компьютер либо другое электронное устройство во время его работы. Устройства ввода и вывода составляют аппаратный интерфейс между компьютером и человеком [7].

К основным устройствам ввода относятся:

• · Клавиатура;
• · Манипулятор типа «мышь»;
• · звуковая карта с подключенным микрофоном;
• · цифровые камеры, сенсоры захвата движений;
• · графический планшет.

Клавиатура является основным устройством ввода символьной информации в компьютер и является одним из важнейших устройств, определяющих условия комфортабельности работы на компьютере. 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. В качестве датчиков нажатия клавиш применяются кнопки на основе токопроводящей резины, механические контакты (открытые и герконовые), емкостные датчики и датчики на эффект Холла. Используемые клавишные датчики влияют на надежность, долговечность и, конечно же, цену клавиатуры. Клавиатура содержит набор клавиш, генератор тактовых сигналов G, счетчик CT, дешифратор с выходами с открытым коллектором DC, шифратор CD, регистр кода нажатой клавиши RG, постоянное запоминающее устройство ROM, схема фиксации нажатия клавиши (схема ИЛИ и И) В современных клавиатурах для управления работой клавиатуры используют контроллеры. Это позволяет упростить аппаратуру, увеличить ее возможности, повысить надежность. Вертикальные и горизонтальные шины матрицы контактов подключаются, соответственно к портам вывода и ввода контроллера; для передачи в системный блок сформированного кода нажатой клавиши используется порт ввода-вывода контроллера. Контроллер работает под управлением программы, хранимой в ПЗУ. Программа выполняет следующие функции: формирует последовательность кодовых комбинаций для опроса X (столбцов); анализирует входные комбинации сигналов Y (строк) клавиатуры; формирует код нажатой клавиши в соответствии с кодовыми таблицами; передает сформированный код нажатой клавиши в системный блок [3].

Манипулятор «мышь» является не менее важным инструментом управления компьютером и ввода информации. Мышь — это устройство, предназначенное для обеспечения удобства работы с современным программным обеспечением. Суть управления программами зачастую сводится на совмещении курсора «мыши» на экране с соответствующими командными кнопками на экране и нажатию одной из двух кнопок (чаще достаточно даже одной) «мыши». В настоящее время большое распространение получили оптические мыши, принцип работы которых заключается в следующем. С помощью светодиода, и системы фокусирующих его свет линз, под мышью подсвечивается участок поверхности. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой и попадает на приемный сенсор микросхемы — процессора обработки изображений. Этот чип, в свою очередь, делает снимки поверхности под мышью с высокой частотой (кГц). Причем микросхема (назовем ее оптический сенсор) не только делает снимки, но сама же их и обрабатывает, так как содержит две ключевых части: систему получения изображения Image Acquisition System (IAS) и интегрированный DSP процессор обработки снимков. На основании анализа череды последовательных снимков (представляющих собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости), интегрированный DSP процессор высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о направлении перемещения мыши вдоль осей X и Y, и передает результаты своей работы вовне по последовательному порту [2].

Графические планшеты, совмещенные с жидкокристаллическими экранами используют активно-матричный плоский дисплей на пленочных транзисторах и технологию электромагнитной передачи и приема сигнала.

В целом данное устройство может работать параллельно с «мышью», хотя это не всегда бывает обязательно. Основное его назначение заключается в выделении, раскрашивании, черчении и рисовании от руки. Представляет из себя плоский планшет с чувствительной площадкой и не менее чувствительное перо, у которого работают оба наконечника, и кроме того имеются несколько кнопок на боковой поверхности. В настоящее время устройства данного типа наиболее популярны в архитектуре и различных сферах дизайна [8].

Цифровые камеры могут быть подключены к компьютеру, что позволяет производить «захват» движений оператора. С помощью специального программного обеспечения, «захваченное» видео, обрабатывается и происходит интерпретация движений в команды управления компьютером. В настоящее время большое распространение получают устройства с датчиками движений, на основе цифровых камер, благодаря которым становится возможным быстрое управление компьютером с помощью жестов рук или ног. Например, сенсор Kinect для игровой приставки Xbox 360, который позволяет управлять персонажами в компьютерных играх, используя движения рук и ног. Датчик глубины сенсора Kinect состоит из инфракрасного проектора, объединенного с монохромной КМОП-матрицей, что позволяет сенсору Kinect получать трёхмерное изображение при любом естественном освещении. Диапазон глубины и программа проекта позволяет автоматически калибровать датчик с учётом условий игры и окружающих условий, например мебели, находящейся в комнате [4].

Звуковая карта производит преобразование звука из аналоговой формы в цифровую. Для ввода звуковой информации используется микрофон, который подключается к входу звуковой карты. Благодаря этому в настоящее время широкое распространение получили системы голосового управления, например Apple Siri и Google Now в мобильных смартфонах и планшетных ПК.