Сенсорный экран

Введение

сенсорный экран

Традиционными средствами ввода информации в исполняющее устройство являются клавиатура и мышь (трекбол). Применение этих устройств привычно при работе с офисными приложениями, графикой, изображениями, а также удобно для быстрого ввода текста. Однако в ряде случаев использование такого оборудования затруднено, зачастую нецелесообразно, а иногда и вовсе невозможно.

Например, в полевых условиях приходится защищать клавиатуру и мышь от пыли, брызг и перепадов температуры. В некоторых случаях (скажем, в банкоматах) требуются не 102, а чуть более десятка клавиш. Кроме того, в темное время суток любые клавиши требуют подсветки, а в малогабаритных интеллектуальных устройствах применение каких-либо клавиш вообще нежелательно.

Часто компьютер является вспомогательным инструментом, например, в работе звукорежиссера, врача или оператора электростанции. Их рабочее место, как правило, чем-то занято, и размещение клавиатуры становится проблемой. Применение традиционной клавиатуры порой бывает просто невозможно.

Оператору электростанции, следящему за технологическими процессами зачастую на 5 и более мониторах, крайне неудобно работать с большим числом клавиатур, а использование лишь одной клавиатуры и переключение между экранами значительно замедляет реализацию оперативных действий.

Применение сенсорных экранов позволит решить большую часть перечисленных проблем.

Сенсорный экран (от англ. touch screen) - это координатное устройство, позволяющее путем прикосновения (пальцем, стилусом и т.п.) к области экрана монитора производить выбор необходимого элемента данных, меню или осуществлять ввод данных в какое-либо ЭВМ. Сенсорные экраны наиболее пригодны для организации гибкого интерфейса, интуитивно понятного даже далеким от техники пользователям. Функционально в любом сенсорном экране можно выделить три части. (См. рис. 1)

Рисунок 1

·  Сенсор (специальная панель или датчики);

·        Контроллер, который управляет датчиками и вычисляет или подготавливает данные для вычисления координат точки касания;

·        Драйвер - программа, которая выполняет необходимые преобразования данных, поступающих от контроллера, проводит при необходимости дополнительные вычисления и корректирует работу контроллера.

Для передачи данных от контроллера к компьютеру обычно используется USB или последовательный (COM) интерфейс. Сенсорные экраны различных принципов действия могут работать с плоскопанельными отображающими устройствами (плазменными и ЖК панелями), проекционными экранами (с фронтальной и обратной проекцией) и с экранами на основе электронно-лучевой трубки (плоскими, цилиндрическими и сферическими).

Взаимодействие экрана и оператора ввода

Принцип действия отображающего устройства, снабженного сенсорным экраном, в общем случае можно описать следующим образом:

На экран отображающего устройства выводится некоторая графическая информация (например, это может быть стандартный интерфейс операционной системы или графическая оболочка интеллектуального справочного киоска на вокзале). Пользователь видит изображение через плотно прилегающий прозрачный сенсорный экран и при необходимости касается изображения в определенных точках. Контроллер сенсорного экрана передает информацию c датчиков в компьютер, где окончательно вычисляются координаты точки прикосновения. Далее производится сопоставление координат, поступивших c контроллера, c координатами программных элементов интерфейса и определяется элемент интерфейса, который хотел указать пользователь.

Таким образом, снабженный сенсорным экраном дисплей позволяет без помощи клавиатуры и мыши перемещать курсор, нажимать на кнопки, открывать папки, запускать программы, вводить текст с помощью экранной клавиатуры и рисовать.

Благодаря возможности не только выводить изображение, но и вводить данные такие устройства называют интерактивными или (реже) интеллектуальными (Smart Board).

Стоит отметить, что на поверхности многих интерактивных дисплеев можно даже рисовать. Эта особенность делает такие устройства удобными при проведении презентаций, конференций или лекционных занятий. (См. рис. 2)

Докладчик получает возможность не только демонстрировать рисунки или фотографии, но и делать необходимые пометки и надписи в процессе изложения материала. У него есть возможность сохранить все сделанные изменения и при желании распространить копии среди слушателей.

История создания

История создания сенсорного экрана берет начало в 1970 году. Тогда Сэмуэль Херст (Samuel C. Hurst), преподаватель Университета штата Кентукки, столкнулся с проблемой считывания данных с лент самописцев. Поразмыслив над тем, как автоматизировать обработку огромного количества лент, Сэмуэль Херст с группой единомышленников основал компанию Elotouch,которая и стала пионером в производстве сенсорных экранов. Первое устройство сенсорного ввода, получившее имя Elograph, было скорее, дигитайзером и использовало так называемый резистивный принцип определения координат.

В 1971 году был разработан элограф - графический планшет, действовавший по четырёхпроводному резистивному принципу (U.S. Patent 3662105).

В 1974 году тот же Херст сумел сделать элограф прозрачным, в 1977 - разработал пятипроводной экран. Объединившись с Siemens, в Elographics сумели сделать выпуклую сенсорную панель, подходившую к кинескопам того времени. На всемирной ярмарке 1982 года Elographics представила телевизор с сенсорным экраном.

Первым персональным компьютером, оборудованным сенсорным экраном, стал HP-150 (См. рис. 3),выпущенный Hewlett-Packard в 1983 году. Для отслеживания нажатий применялась сеть инфракрасных лучей, организованная перед обычным ЭЛТ-экраном. Система представляла собой матрицу 21×14, составленную из инфракрасных свето- и фотодиодов

Впрочем, в те времена сенсорные экраны применялись преимущественно в промышленной и медицинской аппаратуре.Рисунок 3

Технологии сенсорных экранов в наши дни

Разные источники выделяют шесть (иногда - семь) технологий, по которым производятся сенсорные экраны. Но при внимательном рассмотрении можно увидеть, что в этих устройствах используются всего четыре базовых принципа - резистивный, емкостный, акустический и инфракрасный.

Резистивные сенсорные экраны

Четырехпроводной экран

Основу конструкции 4-проводного экрана составляют две прозрачные пленки из полиэстера (polyester), майлара (maylar), пластизола (plastisol, PL) или полиэтилентерефталата (polyethylene terephtalate, РЕТ), находящиеся друг против друга и разделенные микроскопическими шариками-изоляторами. Внутренние, обращеннье друг к другу поверхности пленок покрыты прозрачным токопроводящим (резистивным) составом на основе двуокиси индия и олова (indium tin oxide - ITO). Для определенности назовем один из резистивных слоев зaдним, а другой, расположенный ближе к наблюдателю, передним (рис. 3).

Контакт с этими слоями обеспечивается посредством двух пар металлизированных полосок-электродов. Первая пара расположена вертикально по краям заднего слоя, а вторая - горизонтально по краям переднего слоя. Все четыре электрода подключены к микроконтроллеру, который последовательно определяет координаты точки касания по горизонтали и вертикали.

Работа контроллера в первом случае выглядит приблизительно следующим образом. На вертикaльные электроды заднего резистивного слоя подается пoстоянное напряжение (например, 5 В), и от одного электрода к другому протекает некоторый ток I. При этом на каждом гoризонтальном yчастке заднего резистивногo слоя ток создает падение напряжения, пропорциональное длине yчастка.

При касании экрана (рис. 4) передний резистивный слой деформируется и касается заднего слоя. В этом слyчае передний слой выполняет роль щупа, определяющего напряжение на заднем слое в точке касания. Горизонтальные электроды переднего слоя замыкаются микроконтроллером накоротко (для уменьшения влияния сопротивления переднего резистивного слоя), и суммарный сигнал поступает через буферный каскад, имеющий большое входное сопротивление, на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Напряжение на входе АЦП определяет положение точки касания по горизонтали.

Для определения координаты по вертикали передний и задний резистивные слои "меняются местами": на горизонтальные электроды переднего слоя микроконтроллер подает постоянное напряжение, а электроды заднего слоя замыкает (этот слой используетcя как щyп). Определение координат точки касания производится минроконтроллером с высокой скоростью - более ста раз в секунду. Слабым звеном 4-проводного экрана является передняя пленка из полиэстера. Многократные деформации приводят к разрyшению проводящего слоя, в результате чего уменьшается точность определения координат. Производители гарантируют стабильную работy устройства при количестве нажатий в одной точке до миллиона.

Технология AccuTouch разрабатывалась для использования в условиях агрессивной окружающей среды, поэтому сенсорные экраны AccuTouch превосходят другие экраны в надежности и долговечности. Резистивные экраны обладают максимальной стойкостью к загрязнению. Эта особенность позволяет AccuTouch не бояться попадания на рабочую поверхность жидкостей, конденсата, паров - и надежно работать, когда другие типы экранов выходят из строя. Экран выдерживает 35 миллионов прикосновений к одной точке.

Резистивные сенсорные экраны AccuTouch превосходно зарекомендовали себя в сфере обслуживания, в составе POS-терминалов, промышленности, медицине и транспорте. Прикоснитесь к экрану пальцем, рукой в перчатке, ногтем или кредитной картой, и Вы получите точный ответ на прикосновение.

Изготовленные по 4-проводной технологии экраны могут иметь диагональ 12-20 дюймов и разрешение 1024×1024 пикселей. Время реакции не превышает 10 мс, а для срабатывания нужно приложить усилие в 50-120 г/см². Погрешность определения координат может достигать 3 миллиметров. К недостаткам технологии можно отнести снижение на 75-80% мощности светового потока, излучаемого монитором. Но это компенсируется простотой устройства, низкой ценой и малой восприимчивостью к вредным внешним воздействиям.

Принцип действия 4-проводного резистивного сенсорного экрана

Пятипроводной экран

5-проводной вариант резистивного экрана отличается большей надёжностью и повышенным разрешением. Если 4-проводные экраны выдерживают около 3 млн. нажатий в одну и ту же точку, то ресурс 5-проводных устройств - 35 миллионов. Разрешение же может достигать 4096×4096 точек. За это, правда, приходится платить пониженным светопропусканием - из всех разновидностей сенсоров 5-проводная панель заметнее всех «гасит» монитор. Эти панели применяются, в основном, в промышленности, медицине и торговле. В то время, как четырехпроводные резистивные экраны нашли себе место в таких устройствах, как КПК, устройства для чтения электронных книг и планшетные компьютеры: там, где важнее снизить стоимость устройства и обеспечить легкость восприятия информации.

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем. Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.

Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:

На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.

Принцип действия 5-проводного резистивного сенсорного экрана

Преимущество резистивного экрана в его дешевизне и простоте устройства. Они обладают отличной стойкостью к загрязнениям. Основным достоинством резистивной технологии является чувствительность к любым прикосновениям: можно работать рукой (в том числе в перчатках), стилусом (пером) и любым другим твердым тупым предметом (например, верхним концом шариковой ручки или углом пластиковой карты). Однако имеются и достаточно серьезные недостатки: резистивные экраны чувствительны к механическим повреждениям, такой экран легко поцарапать, поэтому зачастую дополнительно приобретается специальная защитная пленка, защищающая экран. Кроме того, резистивные панели не очень хорошо работают при низких температурах, а также обладают невысокой прозрачностью - пропускают не более 85% светового потока дисплея. Подводя итог, еще раз упомянем, где используется резистивный тип СЭ:

·  КПК

·        Коммуникаторы

·        Сотовые телефоны

·        POS-терминалы

·        Tablet PC

·        Промышленность (устройства управления)

·        Медицинское оборудование

Матричный сенсорный экран

Конструкция матричных сенсорных экранов, называемых иногда цифровыми, очень схожа с конструкцией экранов резистивных; только вместо сплошных резистивных слоев используются горизонтальные и вертикальные прозрачные проводящие полосы. При касании экрана передняя пленка деформируется, и вертикальная полоса касается горизонтальной. Наличие замыкания фиксирует микропроцессор. Расположение всех электродов на плоскости известно, а потому пересечение замкнутых электродов однозначно определяет точку касания экрана.

Основной недостаток данного устройства - очень низкое разрешение, порядка 10 линий на дюйм. Поэтому такие устройства совершенно не подходят для рисования и ввода надписей. Главное же их достоинство - самая низкая среди всех сенсорных экранов стоимость. Надежность матричных экранов выше, чем резистивных, так как даже при нарушении проводящего слоя (изменении сопротивления)микроконтроллер определит наличие замыкания между электродами и вычислит координаты точки касания точно. Матричные экраны применяются в тех случаях, когда требуется дешевый экран, а программа-приложение допускает низкую точность указания.

Экран обычно соединяется с микроконтроллером через его параллельный порт. На Рис.4. приведёна схема соединения контактов сенсорного экрана содержащего 5 столбцов и 3 строки.

Рисунок 4

Линии соединения 5 столбцов и 3 строк соединяются с выводами 8- битного порта микроконтроллера. Данная матрица далее сканируется программно.

Выводы входов/выходов порта конфигурируются для 5 столбцов как входы с внутренними подтягивающими к напряжению питания резисторами. Выводы строк конфигурируются как выходы. Принцип сканирования осуществляется следующим образом: сначала на строке R1 устанавливается логический 0, на R2 и R3 - 1, процессор осуществляет считывание уровней на всех линиях столбцов С1, С2 и т. д. Если ни одна из кнопок строки R1 не нажата, то на всех входах будет присутствовать логическая 1. Затем сканируется строка R2, если нажать кнопку в узле R1, C3 то на входе C3 в данном цикле сканирования появится логический 0, что будет свидетельствовать о нажатии данной кнопки. Затем сканируется строка R3 и т. д. многократно циклически повторяясь.

Для примера разместим простое меню из 4 кнопок на LCD дисплее 320x240 с 70 позиционной сенсорной панелью (HDM3224TS-1). Прежде всего необходимо разработать меню с 4 изображениями кнопок. Изображения кнопок необходимо расположить точно под существующими сенсорами. (См. Рис.5)

Рисунок 5

Изображение кнопки может занимать более 1 сенсора. На втором этапе необходимо выбрать адреса сенсоров соответствующие изображениям кнопок. В нашем примере этими адресами являются:

“SLOW” = C2, R7

“MEDIUM” = C2, R5

“FAST” = C2, R3

“STOP” = C9, R2 или C10, R2 или…C9, R7 или C10, R7

В заключение необходимо присвоить программный вектор каждому сенсору, перечисленному выше для динамического изменения цвета или вида кнопки, когда она была действительно нажата оператором, для зрительной обратной связи о выполнении каждого действия.

Такой виртуальный дисплей может быть оперативно изменён по желанию разработчика. Он является наиболее гибким и интуитивным из всех известных интерфейсов человек- машина.

Емкостный (электростатический) сенсорные экран

В работе емкостного экрана человек участвует не только механическим, но и электрическим образом. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом. Прикосновение пальца меняет картину заряженности, «оттягивая» часть заряда к точке нажатия. Датчики экрана, расположенные по всем четырем углам, следят за течением заряда в экране, определяя, таким образом, координаты «утечки» электронов.

Принцип действия ёмкостного сенсорного экрана

Применение ЕСЭ:

·  В охраняемых помещениях

·        Информационные киоски

·        Некоторые банкоматы

Проекционно-емкостный сенсорный экран

Проекционно-ёмкостные экраны основаны на измерении ёмкости конденсатора, образующегося между телом человека и прозрачным электродом на поверхности стекла, которое и является в данном случае диэлектриком. Вследствие того, что электроды нанесены на внутренней поверхности экрана, такой экран крайне устойчив к механическим повреждениям, а с учетом возможности применения толстого стекла, проекционно-ёмкостные экраны можно применять в общественных местах и на улице без особых ограничений. К тому же этот тип экрана распознает нажатие пальцем в перчатке. Ниже описаны особенности данного типа СЭ:

Прозрачность таких экранов составляет до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На П-ЕЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны применяются в автоматах, устанавливаемых на улице. Реагирует на руку в перчатке. Невысокая точность дополняется параллаксом от толстого вандалоустойчивого стекла.

Принцип действия проекционно-ёмкостного сенсорного экрана

Акустические сенсорные экраны

Технология IntelliTouch

В основу сенсорных экранов IntelliTouch положена оригинальная технология, использующая принцип поверхностно-акустических волн. Экран представляет из себя стеклянную панель, что позволяет получить максимально качественное изображение на Вашем сенсорном мониторе. Поверхность экранов IntelliTouch способна противостоять механическим повреждениям. Прикоснитесь к экрану пальцем, рукой в перчатке или стилусом и Вы получите точный ответ на прикосновение. Сенсорные экраны IntelliTouch прекрасно себя зарекомендовали в торговле, сфере обучения, интеллектуальных зданиях.

Такие экраны построены с использованием миниатюрных пьезоэлектрических образом распространяют акустическую волну по всей поверхности экрана. Прикосновение к экрану меняет картину распространения акустических колебаний, что и регистрируется датчиками. По изменению характера колебаний можно вычислить координаты возмущений, внесенных нажатием на экран. Кроме этого, анализируя степень изменения колебаний, можно вычислить силу нажатия на экран. Это полезно при проектировании систем управления промышленным оборудованием, например, для плавного изменения скорости вращения двигателей и других параметров.

Среди плюсов акустических экранов - отсутствие покрытий, что повышает надежность и прозрачность экрана. Прохождение света ухудшается всего на 10%, а ресурс экрана оценивается в фантастические 50 млн. нажатий в одной точке. Разрешение акустических экранов может достигать 4096×4096 точек.

Технология Acoustic Pulse Recognition (APR)

Технология APR работает простым и элегантным способом - путем распознавания звука в момент касания экрана в определенной точке.

Сенсор генерирует уникальный звук в любой точке экрана. Четыре крошечных датчика, закрепленных по краям сенсорных экранов, принимает сигнал сенсора. Звук оцифровывается, затем передается контроллером и сравнивается со списком ранее записанных сигналов для каждой точки экрана. Курсор мгновенно перемещается в точку, соответствующую месту касания. APR игнорирует звуки окружающей среды и любые внешние звуки, если они не входят в ранее сохраненный список. APR отличается от предыдущих разработок методом звукового распознавания позиции касания с использованием микрофонов, потому что этот способ гораздо удобней и проще для настольных аппаратов, чем применение мощного и дорогого способа вычисления сигнала путем программного вычисления точки касания без каких-либо иных возможностей применения ссылок. Поэтому APR технология является более эффективной в соотношении цена-качество, и более экономична для больших экранов.

Теперь APR технология включает комбинацию самых лучших характеристик технологий AccuTouch и IntelliTouch. Ранее такого не достигалось в ни одной сенсорной разработке.

Хотя APR- новая технология - местами она весьма похожа на очень популярную 20 лет назад IntelliTouch. Обе разработки используют поверхность из настоящего стекла с закрепленным датчиком. Однако, если в IntelliTouch применяются датчики, преобразующие и принимающие сигналы, то в APR они лишь "слушающие".

Отличное качество изображения и износостойкость стекла

Сенсорные технологии всегда требуют, чтобы поверхность LCD монитора либо распознала прикосновение или же наоборот - защитила от касания. Изготовители экранов упорно трудятся, чтобы представить яркие и истинные цветные изображения. Таким образом, сенсорные мониторы должны искажать качество отображения картинки как можно меньше. К сожалению, поверхность экрана может потенциально уменьшить качество изображения четырьмя способами: сокращение светопередачи, добавление отражений, сокращение четкости, и изменением цветов. Стекло - основной материал для поверхности экранов по оптическим характеристикам, а так же по его твердости и длительности в использовании. Настоящее стекло имеет приблизительно 92%-ую световую передачу. Сохраняя яркость, это позволяет использовать LCD мониторы меньшей стоимости. Слои и покрытия, используемые в резистивной и емкостной технологиях, не только уменьшают светопередачу, они также изменяют оригинальные цвета экрана. Для многих сенсорных решений, типа медицинских приборов или цифровых фото киосков, приемлемо только стекло. Стекло также минимизирует отражения, поскольку не имеет слоев или металлических покрытий. Отражения могут быть утомляющими для глаз постоянных пользователей, например кассиров или игроков в казино; так же это касается киосков, на экраны которых попадает внешнее освещение. Поскольку отражения минимизированы при использовании стекла - в агрессивных антирефлексивных покрытиях или матовых технологиях рассеивания изображение таким образом сохраняет максимальную четкость. Стекло очень трудно поцарапать, (сопротивление- 7H), по сравнению с экранами, имеющими сопротивление с 3H или 4H. Стекло также является стойким к большинству химикатов и не стирается как пластмасса. Также оно устойчиво к искажениям, искажение в размерах или к сжиманию вследствие температурных изменений. Специальное антивандальное стекло также дает дополнительную возможность для использования в жестких окружающих средах. Более толстое стекло, устойчивое к высокой температуре и химикатам, или даже слоистое, могут использоваться вместо обычного стекла. По этим причинам, технология ПАВ стала основной технологией, которую устанавливают в сенсорных киосках и терминалах самообслуживания, и предпочтена многими другими для применений в игровых автоматах и медицине. Но, технология APR обладает лучшими оптическими качествами, следовательно, имеет преимущество перед технологией ПАВ. И к тому же, APR имеет более длительный срок эксплуатации.

Особенности и выбор указующего предмета

Если бы оптическое качество и прочность были единственными проблемами, то IntelliTouch экраны могли бы использоваться везде. Но иногда выбор предмета для касания перевешивает визуальное качество. Пример, при использовании в ресторане кассиром или официантом, когда абсолютно качественное изображение и чистота цвета не столь необходимы, если на экране всего лишь отображается меню, а действия служащего вряд ли повредят оборудование. То, что более важно - возможность коснуться экрана ручкой, кредитной карточкой, или картой как удостоверения личности; рабочие могут держать блюда в другой руке, а другой коснуться экрана любым указующим предметом. По этим причинам, до настоящего времени, сенсорные мониторы, с технологией AccuTouch, были самой популярной технологией, используемой в розничной продаже, ресторанах и в гостиницах в виде POS терминалов, даже несмотря на наличие внешнего пластмассового покрытия, которое ухудшает оптику и может стереться. Технология следующего поколения APR в самом ближайшем будущем получит свою долю на рынке POS- терминалов, поскольку позволяет работать с любым указующим предметом, износостойкая,и обладает лучшим качеством изображения, чем резистивный экран.

В дополнение к оптическим качествам и прочности стекла, технология APR может быть активизирована пальцем, ногтем, ручкой, стилусом, или кредитной карточкой, как и в резистивных экранах.

Стойкость к загрязнению

Для некоторых решений первичная проблема - не качество изображения, износоустойчивость, или выбор указующего предмета, а стойкость к загрязнению. Экран с технологией APR функционирует при попадании на него жидкости, грязи, кетчупа, жира, геля,а также, продолжает работать при наличии царапин. Т.е, монитор с экраном APR герметизирован в соответствии с промышленными стандартами, и при этом имеет отличное качество изображения.

Отсутствие необходимости в повторной калибровке

Сенсорные экраны обладают системой координат, независимой от основного дисплея. Картография касаний к дисплею требует конверсионного алгоритма от одной системы координат до другой. Точность этого преобразования зависит от устойчивости системы координат точки касания и видеокоординат. LCD-мониторы, в отличие от электронно-лучевых трубок, имеют изначально заложенное неподвижное положение дисплея. Немногие сенсорные технологии, например, ПАВ,также имеют неподвижную систему координат. Другие, как например, емкостные и некоторые дешевые резистивные технологии, требуют калибровки - даже периодической рекалибровки - по необходимости из-за так называемого "дрейфа". В любом случае, предпочтительно иметь сенсорную технологию, которая никогда не нуждается в калибровке. APR обладает неподвижной системой координат, которая никогда не изменяется во времени, положении, или из-за экологических изменений. С APR традиционная калибровка сенсорных экранов может быть устранена как обязательная необходимость, если размер экрана и положение установлены один раз.

Инфракрасные сенсорные экраны

В ряде случаев к качеству изображения, воспроизводимого отображающим устройством, предъявляются строгие требования. Это касается дисплеев, предназначенных главным образом для просмотра телевизионных передач, видеофильмов или для отображения иллюстративного материала (слайдов и фотографий), например, в художественном кружке или фото-студии. При необходимости оснащения такого устройства сенсорным экраном лучшим решением будет применение инфракрасной технологии. Для определения точки касания используются две линейки светодиодов, расположенные по вертикали и горизонтали, и две линейки фотодиодов, расположенные на противоположных сторонах экрана.

Пример устройства инфракрасного сенсорного экрана

Каждому светодиоду соответствует свой фотодиод. Работает такая оптическая пара следующим образом. При подаче напряжения на светодиод он излучает невидимый для человека инфракрасный свет в пределах очень небольшого телесного угла, чтобы попасть на "свой" фотодиод и "не задеть" соседние. Любое препятствие (например, касающийся экрана палец руки), частично или полностью перекрывающее световой луч, приводит к уменьшению или прекращению электрического тока через соответствующий фотодиод. Это изменение фиксируется микроконтроллером, позволяя вычислить координаты касания с высокой точностью. Обычно светодиод (и соответственно фотодиод) в линейке имеет размеры порядка 2,5 мм, то есть на каждый квадратный сантиметр панели приходится четыре горизонтальных и четыре вертикальных сканирующих луча. Однако механизмы интерполяции, используемые микроконтроллером, позволяют вычислять положение препятствия с большей точностью. Инфракрасный сенсорный экран выполнен в виде рамки, которая не имеет никаких стекол или прозрачных пленок. Поэтому изменение яркости, контраста и цветопередачи изображения, а также появление дополнительных бликов исключено, что является несомненным достоинством экрана.

Инфракрасная технология не лишена ряда недостатков. Применение в качестве отображающего устройства жидкокристаллических панелей нежелательно, так как касание их поверхности может привести к повреждению TFT-транзисторов и появлению "мертвых" точек (которые всегда либо включены, либо выключены). Рамка сенсорного экрана зачастую не прилегает к экрану дисплея вплотную, а находится на некотором расстоянии, при этом вследствие параллакса становятся заметными ошибки определения координат по углам. Устройство имеет невысокую надежность, что связано, во-первых, с небольшим сроком службы ИК-свето-диодов, а во-вторых, с особенностями конструкции - оптопары боятся пыли, загрязнений и конденсата. Попадание прямого солнечного света вызывает сбои в работе. Кроме того, такие экраны имеют самую высокую стоимость. Применяются ИК-экраны обычно в образовательных учреждениях (в качестве интерактивных панелей большого размера) и в игровых автоматах.

DViT Технология

Для работы с большими отображающими устройствами также используется технология DViT (Digital Vision Touch) фирмы Smart Technologies. Сенсорный экран представляет собой лист полиэстера, заключенный в прямоугольную рамку. По углам рамки находятся миниатюрные видеокамеры, которые формируют изображение поверхности экрана (См. Рис. 4)

Для вычисления координат точки касания математически достаточно двух камер, расположенных в соседних углах. Однако для повышения точности часто используются четыре камеры. Для защиты экрана отображающего устройства (например, ЖК-панели) служит лист полиэстера. Он не содержит резистивных или проводящих слоев, поэтому не искажает цветопередачу дисплея и имеет высокую прозрачность (до 95%). Точности вычисления координат достаточно для рисования и ввода надписей. Эта технология предназначена для применения в образовательных учреждениях, при проведении конференций и презентаций. Сенсорная насадка может использоваться с матричными дисплеями и проекционными (прямой и обратной проекции) отображающими устройствами, формирующими изображение большого размера.

В комплекте с экраном может поставляться лоток с "цветными" электронными перьями для рисования и ластиком.

Цвет используемого пера или наличие на экране ластика определяется либо с помощью датчиков лотка, фиксирующих отсутствие инструмента, либо с помощью видеокамер. Это весьма удобно, так как выбор цвета надписей и переход в режим стирания осуществляются автоматически.

Рисунок 4

Другие редкие типы сенсорных экранов

Оптические сенсорные экраны

Стеклянная панель снабжена инфракрасной подсветкой. На границе «стекло-воздух» получается полное внутреннее отражение, на границе «стекло - посторонний предмет» свет рассеивается. Остаётся заснять картину рассеяния, для этого существуют две технологии:

В проекционных экранах рядом с проектором ставится камера. Так устроен, например, Microsoft Surface.

Либо светочувствительным делают дополнительный четвёртый субпиксель ЖК-экрана.

Индукционные экраны.

Под жидкокристаллическим экраном размещается панель, содержащая выполненные печатным способом катушки индуктивности. При подаче переменного напряжения катушки формируют на поверхности экрана электромагнитное поле. В качестве указателя используется стилус, в котором находится настроенный в резонанс контур. При поднесении стилуса к экрану этот контур модулирует электромагнитное поле, изменяя индуктивность расположенных под экраном печатных катушек. Причем чем ближе катушка к контуру стилуса, тем значительнее изменение ее индуктивности. Микроконтроллер фиксирует параметры катушек и вычисляет положение стилуса. Для повышения функциональности стилус обычно снабжается встроенной подключает дополнительные витки к контуру, тем самым позволяя микроконтроллеру различать два разных состояния указателя. Индуктивный экран не влияет на качество изображения, не реагирует на касание ладонью при письме или рисовании и широко применяется в мобильных устройствах, например в планшетных компьютерах.

Тензометрические сенсорные экраны

Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм. Применение аналогично проекционно-ёмкостным: банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.

Мультитач (Multi-touch)

Мультитач, о котором все так много говорят и популярность которого только растет, не является типом сенсорного экрана. По своей сути, технология множественного нажатия - что является вольным переводом словосочетания multi-touch - это дополнение к сенсорному экрану (чаще всего построенному по проекционно-ёмкостному принципу), позволяющее экрану распознавать несколько точек прикосновения к нему. В результате мультитач-экран становится способным к распознаванию жестов. Вот лишь некоторые из них:

Сдвинуть два пальца вместе - уменьшение изображения (текста)

Раздвинуть два пальца в стороны - увеличение (Zoom)

Движение несколькими пальцами одновременно - прокрутка текста, страницы в браузере

Вращение двумя пальцами на экране - поворот изображения (экрана)

Самым известным примером использования данной технологии является мобильный телефон, разработанный команией Apple inc. - iPhone. Стоит отметить, что компания Apple получила американский патент на технологию управления портативными устройствами через сенсорный дисплей, воспринимающий прикосновения сразу в нескольких точках. Как сообщается, патент №7,479,949 выдан Управлением США по патентам и торговым маркам (USPTO) 20 января нынешнего года. Авторами изобретения являются глава Apple Стив Джобс и еще более двух десятков специалистов.

Apple inc. iPhone

Преимущества и недостатки сенсорных экранов

Преимущества и недостатки в карманных устройствах

“+”

·  Простота интерфейса.

·        В аппарате могут сочетаться небольшие размеры и крупный экран.

·        Быстрый набор в спокойной обстановке.

·        Серьезно расширяются мультимедийные возможности аппарата.

“-”

·  Нет тактильной отдачи - сложно работать в условиях тряски. К тому же, невозможен слепой набор.

·        Приходится либо занимать две руки (одну устройством, вторую пером), либо делать крупные, пригодные для нажатия пальцем элементы интерфейса, нивелируя преимущества большого экрана.

·        Высокое энергопотребление.

·        Без специальных покрытий отпечатки пальцев могут мешать пользователю.

·        Особо тонкий экран - даже при незначительном повреждении сенсорный экран рискует быть растресканным или вообще разбитым.

Преимущества и недостатки в стационарных устройствах

“+”

·  В информационных и торговых автоматах, операторских панелях и прочих устройствах, в которых нет активного ввода, сенсорные экраны зарекомендовали себя как очень удобный способ взаимодействия человека с машиной.

·        Повышенная надёжность.

·        Устойчивость к жёстким внешним воздействиям (включая вандализм), пыле- и влагозащищённость.

·        Интуитивно понятный интерфейс.

“-”

·  (Для экранов, реагирующих на пальцы.) Нет тактильной отдачи.

·        Работая с вертикальным экраном, пользователь вынужден держать руку на весу. Поэтому вертикальные экраны пригодны только для эпизодического использования наподобие банкоматов.

·        На горизонтальном экране руки загораживают обзор.

·        Даже с острым пером параллакс ограничивает точность позиционирования действий оператора на сенсорных экранах без курсора. В тоже время, использование курсора создаёт оператору дополнительные сложности, уменьшая эргономичность.

·        Без специальных покрытий отпечатки пальцев могут мешать пользователю.

Палец или стилус, касающийся подложки экрана, инициирует объемные изгибные акустические колебания. В углах подложки находятся пьезоэлектрические преобразователи, трансформирующие энергию вибрации в электрические сигналы. По разности фаз, приходящих из углов колебаний, микроконтроллер определяет положение точки касания. Экран имеет высокую прозрачность, долговечен и позволяет игнорировать касание ладони. Активируется любым предметом. Возможно использование с экранами как маленького, так и большого размера.

Другой инновационной технологией является применение LCD-панелей со встроенным оптическим сенсорным экраном. Работает это устройство следующим образом. Для упрощения и удешевления всей конструкции применяется ЖК-экран, каждый пиксель которого состоит из четырех субпикселей (красного, зеленого, синего и белого). Последовательно с TFT-транзистором белого субпикселя включается фототранзистор (См. рис. 5).

Рисунок 5

Белые субпиксели покрываются изнутри светонепроницаемым составом, однако снаружи фототранзисторы подвержены воздействию внешних источников света, например солнца или настольной лампы. Механизм обновления изображения панели в изменениях не нуждается. При поступлении сигнала логической единицы на горизонтальный электрод (Select) открываются TFT-транзиторы субпикселей всей строки. Сразу после этого по вертикальным электродам (Data) на конденсаторы красного, зеленого и синего субпикселей подается напряжение, соответствующее их яркости в данном кадре. А вот электроды белых субпикселей используются для измерения сопротивления цепочек с фототранзисторами. В случае попадания света от внешних источников фототранзисторы открыты и сопротивление низкое. Если же доступ света перекрыт пальцем или стилусом, то фототранзистор закрывается и не пропускает ток - сопротивление высокое. Микропроцессор сравнивает сопротивления в процессе развертки и таким образом вычисляет координаты точки касания. Устройство способно работать в очень широком диапазоне освещенности экрана - от 50 до 50 000 люкс.

Вывод

Применение сенсорных экранов дает ряд преимуществ их обладателям. Например, интерактивные справочные системы (киоски), используемые в аптеках, торговых центрах, банках и на вокзалах, удобны в обращении и позволяют экономить время, чем, несомненно, привлекают клиентов. Использование сенсорных панелей и планшетов вместо меловых досок в сфере образования также сулит определенные выгоды. Обычно значительную часть занятия преподаватель тратит на рисование схем, графиков и таблиц, а иногда даже на переписывание листингов компьютерных программ. В итоге ценное время на объяснение представленного на доске материала сокращается. При таком режиме работы учащемуся трудно сосредоточиться на обдумывании материала, так как он занят копированием записей с доски. Применяя отображающие устройства, можно эффективно использовать заранее подготовленный иллюстративный материал, что экономит массу времени. Наличие у дисплея сенсорных свойств позволяет делать любые пометки, надписи и рисунки в процессе объяснения. Вся изложенная на лекции информация, включая рисунки преподавателя, легко копируется в неизменном виде в любом количестве и может использоваться учащимися. Таким образом, благодаря внедрению интеллектуальных панелей можно повысить качество преподавания и поднять уровень образования.

К сожалению, в нашей стране применение сенсорных экранов пока не так распространено, как хотелось бы и остается надеяться, что со временем этот недостаток удастся победить.

Ниже приведена характеристическая таблица разных виднов сенсорних экранов

1. Поддерживается с ограничениями.

2.      Если нужна только стеклянная панель, без каких-либо прозрачных проводящих плёнок - условно 95 %. Если не нужна даже она (можно применить штатное покрытие экрана) - условно 100 %

.        Высокая - до пикселя (точно отслеживает острое перо). Средняя - до нескольких пикселей (достаточная для нажатий пальцем). Низкая - крупными блоками экрана (невозможно рисование, требуются очень крупные элементы интерфейса).

.        Ограничивается надёжностью электроники

.        Ограничивается загрязнением датчика

.        Огран - аппаратура ограниченного доступа (персональная электроника, промышленная аппаратура). Помещ - общий доступ в охраняемом помещении. Улица - общий доступ на улице.