La stragrande maggioranza dei manipolatori di tipo mouse attualmente prodotti utilizza sensori ottici per registrare i movimenti. Non tutte però sono progettate allo stesso modo: attualmente sono diffuse diverse tecnologie, ognuna delle quali ha le proprie caratteristiche. Li prenderemo in considerazione in questa recensione.
L'introduzione in massa dei sensori ottici nei modelli prodotti in serie è iniziata alla fine degli anni '90 e ha prodotto cambiamenti davvero rivoluzionari nel campo dei manipolatori informatici. All'inizio, i mouse ottici erano notevolmente più costosi dei modelli con sfera rotolante e sensori optomeccanici, ma nonostante ciò, il nuovo design ha rapidamente conquistato la simpatia degli utenti grazie a una serie di importanti vantaggi. Innanzitutto, a causa dell'assenza di parti in movimento, il sensore ottico è molto più affidabile di quello optomeccanico e inoltre non necessita di una pulizia regolare. In secondo luogo, i sensori ottici garantiscono una maggiore precisione: anche nei primi modelli il valore di questo indicatore era di almeno 400 cpi (conteggi per pollice). Se operiamo in unità di misura più convenzionali, ciò significa che il manipolatore è in grado di registrare uno spostamento di soli 0,06 mm. In terzo luogo, i sensori ottici funzionano in modo affidabile su un'ampia varietà di superfici. In molti casi, ciò ha permesso di eliminare i tappetini speciali che erano una caratteristica costante del posto di lavoro dell'utente del PC nell'era dei mouse con sensori optomeccanici.
Ricordiamo il principio di funzionamento di un sensore ottico di registrazione del movimento. Indipendentemente dall'implementazione, comprende tre componenti principali: una sorgente luminosa, una videocamera in miniatura e un microprocessore dedicato (DSP). Una videocamera in miniatura è in grado di catturare fino a diverse migliaia di immagini della superficie su cui si muove il manipolatore in un solo secondo. Per ottenere immagini sufficientemente contrastate a questa frequenza, è necessaria un'illuminazione intensa. Tipicamente, la sorgente luminosa è un LED con lente di focalizzazione o un laser a semiconduttore a bassa potenza. Le immagini catturate dalla telecamera vengono convertite in forma digitale e trasmesse in flusso continuo al DSP, che elabora questi dati in tempo reale, calcolando la direzione e la velocità di movimento del manipolatore.
Una videocamera in miniatura, un ADC e un processore specializzato sono combinati in un unico chip (Fig. 1), grazie al quale i mouse con sensori ottici hanno un design semplice e possono essere realizzati in un case molto compatto e leggero (e non sempre ricorda un mouse convenzionale (prendiamo ad esempio un mouse indossabile) sul modello Genius Ring Mouse mostrato in Fig. 2).
Riso. 1. Il principale “organo sensoriale” di un mouse ottico è
chip a microprocessore con videocamera incorporata.
A destra ci sono un LED e una lente di messa a fuoco.
Riso. 2. Mouse originale
Genius Ring Mouse è così piccolo
che può essere messo al dito come un anello
A proposito, il “sottopeso” dà origine a un problema specifico: un manipolatore troppo leggero può muoversi spontaneamente sul tavolo, trasportato dal peso del cavo utilizzato per collegarsi al PC. Ecco perché molti modelli con connessione cablata hanno piastre di ponderazione in metallo installate all'interno del case e il design di alcuni mouse da gioco consente di regolare il peso del case installando cassette rimovibili con un set di pesi calibrati. Nei modelli con connessione senza fili Tali trucchi di solito non sono necessari: il ruolo di zavorra è svolto dalle batterie o dagli accumulatori da cui viene alimentato il mouse.
Le tecnologie utilizzate nei sensori ottici di movimento sono in continua evoluzione. Gli sviluppatori di molte aziende stanno migliorando i progetti esistenti, oltre a creare e implementare soluzioni fondamentalmente nuove. Naturalmente, nell'ambito di questa revisione non prenderemo in considerazione tutte le sfumature tecniche, anche perché molte di esse rappresentano il know-how dei produttori e le informazioni su di essi sono mantenute con la massima riservatezza. Tuttavia per i nostri scopi ciò non è necessario. Per comprendere le differenze fondamentali tra i sensori ottici di rilevamento del movimento di diversi modelli, è sufficiente prestare attenzione alle seguenti caratteristiche:
- il tipo e la lunghezza d'onda della sorgente luminosa utilizzata;
- l'angolo di inclinazione del fascio (fascio luminoso) emesso dalla sorgente luminosa rispetto al piano della superficie di lavoro;
- l'angolo di inclinazione dell'asse ottico dell'obiettivo della videocamera del sensore rispetto al piano della superficie di lavoro;
- e infine, che tipo di luce entra nell'obiettivo della fotocamera, diffusa o riflessa dalla superficie di lavoro.
Con questo si conclude la parte introduttiva e si passa a considerare le varie tipologie di sensori ottici utilizzati nei mouse moderni.
Ottica "classica".
Il design del sensore ottico di registrazione del movimento, che tra la fine degli anni '90 e l'inizio degli anni 2000 ha sostituito il sistema optomeccanico con una sfera rotolante (e, tra l'altro, è ancora ampiamente utilizzato), è stato sviluppato dagli ingegneri di Agilent Technologies. Lo schema del suo dispositivo è mostrato in Fig. 3, e l'aspetto è in Fig. 4.
Riso. 3. Schema del dispositivo sensore ottico
disegno tradizionale
Riso. 4. Aspetto del sensore ottico con un LED rosso.
L'obiettivo della fotocamera è visibile sul lato sinistro
Consideriamo le caratteristiche distintive della versione descritta del sensore ottico, che per chiarezza chiameremo ulteriormente sensore ottico (o sensore) di design tradizionale.
Come si può vedere nello schema sopra, la sorgente luminosa è un LED rosso. Poiché questo dispositivo a semiconduttore produce un raggio di luce abbastanza ampio e deve essere illuminata una piccola area (meno di 100 mm2), viene utilizzata una lente di focalizzazione per aumentare l'efficienza dell'uso dell'energia luminosa. Un fascio di luce focalizzato da questa lente illumina il piano di lavoro con un angolo abbastanza acuto - circa 25°. Ciò è stato fatto appositamente per ottenere un disegno di taglio netto anche su superfici con leggero microrilievo. L'asse ottico dell'obiettivo della fotocamera di tale sensore è perpendicolare al piano della superficie di lavoro e, quindi, legge la luce diffusa.
Oggi, i mouse con sensori ottici dal design tradizionale costituiscono la base di una flotta di manipolatori di computer, che vengono utilizzati sia con computer desktop che desktop. sistemi portatili. Esiste un'ampia gamma di modelli di questo tipo in vendita con connessioni sia cablate che wireless, il che rende facile scegliere l'opzione giusta per ogni gusto e budget. Grazie ai grandi volumi di produzione, il prezzo di questi dispositivi è diminuito in modo significativo: i modelli junior di manipolatori con connessione cablata ora possono essere acquistati per soli 100 rubli. E anche un mouse del genere è in grado di servire il suo proprietario per diversi anni, senza richiedere praticamente alcuna manutenzione.
Naturalmente, oltre ai vantaggi sopra menzionati, i mouse dotati di sensori ottici progettati in modo tradizionale presentano alcuni svantaggi. Si tratta innanzitutto di qualità “tuttoterreno”: ci sono molte superfici su cui funzionano in modo instabile (quando il mouse si muove in modo uniforme, il cursore si muove a scatti e quando è fermo inizia a “danzare”), e su alcune (come come vetro trasparente, specchio, legno lucidato, ecc.) il sensore ottico si rifiuta completamente di funzionare.
Laser al posto del LED
Una tappa importante nell'evoluzione mouse otticiè stata la creazione dei cosiddetti sensori laser. Il primo sensore laser progettato per l'uso in un mouse è stato creato da Agilent Technologies. Se guardi lo schema del suo dispositivo mostrato in Fig. 5, è facile notare alcune differenze fondamentali tra esso e le ottiche tradizionali.
Riso. 5. Disposizione del sensore laser
Innanzitutto, come suggerisce il nome, la sorgente luminosa non è un LED, ma un laser a semiconduttore. Funziona nella gamma degli infrarossi, invisibile ai nostri occhi (lunghezza d'onda - 832-852 nm), quindi in questo caso non c'è il solito bagliore sotto il corpo di un manipolatore funzionante. Perché un laser è migliore di un LED? Il vantaggio principale del laser è che la luce emessa è di natura coerente: ciò consente di ottenere un'immagine della superficie molto più contrastata e dettagliata (Fig. 6). In secondo luogo, l'angolo di incidenza del fascio è stato notevolmente aumentato (fino a circa 45°). E in terzo luogo, l'asse ottico dell'obiettivo della videocamera si trova nello stesso angolo con cui la luce della sorgente cade sulla superficie di lavoro. Pertanto, la videocamera del sensore laser legge la luce riflessa dalla superficie anziché quella diffusa.
Riso. 6. Su una superficie liscia, un sensore ottico convenzionale
legge un'immagine troppo sfocata (a sinistra). Il sensore laser lo consente
ottenere un'immagine più contrastata e dettagliata
Cosa è stato ottenuto grazie ai cambiamenti descritti? In primo luogo, per garantire un funzionamento stabile del sensore su superfici lisce che presentano un microrilievo molto debolmente definito, ovvero dove i sensori ottici di progettazione tradizionale si comportano in modo instabile o smettono del tutto di funzionare. In secondo luogo, è stato possibile aumentare significativamente la risoluzione del sensore (e, di conseguenza, la precisione della registrazione dei movimenti).
Sfortunatamente, si sono verificati alcuni effetti collaterali causati da una delle caratteristiche di progettazione del sensore laser, vale a dire la lettura del raggio riflesso dalla superficie di lavoro. Una superficie di materiale trasparente (vetro, plastica, ecc.) riflette una piccolissima quantità di luce che la colpisce, ed in questo caso l'intensità del flusso luminoso semplicemente non è sufficiente affinché il sensore possa leggere un'immagine sufficientemente immagine contrastante. Un problema simile si verifica su superfici irregolari, in particolare su tessuti con trama pronunciata. Quando colpisce una sporgenza o una depressione, il raggio viene disperso o riflesso con un'angolazione diversa: in entrambi i casi, nell'obiettivo della fotocamera entra troppo poca luce.
Quando si lavora su materiali opachi con superficie lucida e lucida, si verifica la situazione opposta: c'è troppa luce riflessa e riflessi luminosi “accecano” il sensore fotosensibile. Naturalmente, in entrambe le situazioni, il funzionamento stabile del sensore diventa impossibile.
I primi prototipi di manipolatori con sensore laser progettati da Agilent Technologies sono stati presentati al pubblico all'inizio del 2004. Nel settembre dello stesso anno, Logitech ha lanciato il mouse MX-1000, il primo dispositivo di puntamento prodotto in serie al mondo dotato di sensore laser.
A metà del 2005, Agilent Technologies ha iniziato a fornire a tutti i produttori interessati moduli sensori di movimento già pronti basati su sensori LaserStream e presto i mouse laser sono apparsi nell'assortimento di molte aziende. Alcuni produttori (in particolare Microsoft) hanno preso la propria strada, sviluppando autonomamente sensori laser per i loro manipolatori. Attualmente, i mouse con sensori laser sono presentati nelle linee di molte aziende.
Contrariamente alle aspettative dei produttori, la comparsa dei topi con sensori laser non ha suscitato molta eccitazione. Ciò è in parte dovuto al fatto che i mouse con sensori ottici tradizionali soddisfano le esigenze della maggior parte degli utenti. Inoltre, i modelli con sensori laser erano inizialmente molto più costosi, il che non ha contribuito alla crescita della loro popolarità. Di conseguenza, i modelli laser hanno attirato l'attenzione principalmente degli intenditori innovazioni tecniche e gli appassionati di giochi per computer dinamici.
Meglio del laser
Nel 2006, A4Tech ha introdotto una versione migliorata del sensore ottico, chiamata G-laser (abbreviato da Greater than laser - meglio del laser). Prestiamo attenzione a due caratteristiche distintive di un tale sensore. Innanzitutto si tratta di un sistema di doppia focalizzazione del raggio riflesso, che garantisce un funzionamento stabile del sensore su superfici lucide e variegate (know-how A4Tech). In secondo luogo, per illuminare la superficie di lavoro vengono utilizzate non una, ma due sorgenti luminose. Simile a un sensore laser, il sensore G-laser legge la luce riflessa da una superficie.
Nei manipolatori prodotti in commercio si sono diffuse due versioni del sensore G-laser, che differiscono per il tipo di sorgente luminosa. In un caso si tratta di due LED e nell'altro di un LED e di un laser a semiconduttore che funziona nella gamma degli infrarossi. La prima versione del sensore G-laser è stata installata nei manipolatori della serie A4Tech X5 (ora fuori produzione), la seconda è utilizzata ancora oggi nei modelli della serie A4Tech X6 (uno di questi è mostrato in Fig. 7), nonché come nei dispositivi di numerosi altri produttori (in particolare Canyon).
Su molti tipi di superfici, i manipolatori con sensore G-laser funzionano in realtà in modo molto più stabile rispetto alle loro controparti laser, giustificando pienamente lo slogan Greater than laser. Ciò vale in particolare per la plastica trasparente e lucida, nonché per alcuni tipi di tessuti. Tuttavia, i mouse con sensore G-laser non possono gestire tutte le superfici: non funzionano su specchi o vetri trasparenti puliti.
Riso. 7. A4Tech Glaser Mouse X6-90D - uno dei mouse attualmente prodotti,
dotato di sensore G-laser X6
Un importante vantaggio competitivo dei modelli con sensore G-laser è il loro prezzo accessibile: il costo dei modelli più giovani è inferiore rispetto agli analoghi dotati di sensori laser.
Topi dagli occhi azzurri, versione Microsoft
Nel settembre 2008, Microsoft ha introdotto il primo modelli di produzione topi dotati di sensore ottico BlueTrack (uno di questi è mostrato in Fig. 8). Come nel design tradizionale del sensore ottico, la sorgente luminosa è un LED. È vero, non il solito rosso, ma un blu alla moda (da qui, infatti, il nome BlueTrack). In teoria, ciò offre un certo vantaggio, poiché la lunghezza d'onda della luce blu è circa una volta e mezza più corta della luce rossa (e quasi la metà di quella delle sorgenti infrarosse). Pertanto, l'illuminazione blu consente alla fotocamera di catturare i dettagli più fini del microrilievo della superficie di lavoro. Vale però la pena considerare che in questo caso si tratta di pezzi che misurano decimi di micron, ed è difficile dire con certezza se i parametri del percorso ottico e del sensore fotosensibile consentano di realizzare nella pratica questo vantaggio.
Riso. 8. Esplora risorse Il mouse è uno dei primi manipolatori
dotato di sensore BlueTrack
Molti scettici credono che non siano stati gli ingegneri a insistere per l'uso del LED blu, ma gli esperti di marketing. Dopotutto, anche un utente tecnicamente analfabeta può distinguere il colore del bagliore sotto la “pancia” del mouse (ovviamente, se non è daltonico). Non resta che inventare e lanciare alle masse un bellissimo mito sui vantaggi dell'illuminazione blu rispetto a quella rossa: fortunatamente, gli esperti di marketing possono far fronte alla risoluzione di tali problemi senza difficoltà.
Ma torniamo alla tecnologia. L'area dello spot, la cui immagine viene letta dalla telecamera con sensore BlueTrack, è 4 volte più grande rispetto a un sensore ottico tradizionale. Grazie a ciò, nel “campo visivo” della fotocamera rientrano molti più dettagli, il che, a sua volta, garantisce un funzionamento più stabile del sensore su superfici lisce. BlueTrack ha qualcosa in comune anche con un sensore laser: un raggio riflesso dalla superficie di lavoro entra nell'obiettivo della fotocamera.
In un modo o nell'altro, il risultato desiderato è stato raggiunto: i mouse dotati di sensore BlueTrack funzionano infatti su molte superfici che sfuggono al controllo dei manipolatori con sensori ottici e laser tradizionali, in particolare su materiali con finiture lisce e lucide, sulla maggior parte dei tessuti, ecc. .
Attualmente i sensori BlueTrack vengono utilizzati in numerosi mouse cablati e wireless prodotti da Microsoft, ad esempio nel Comfort Mouse 3000/4500/6000, Wireless Mouse 2000/5000, Wireless Mobile Mouse 3500/4000/6000, ecc. Nonostante la relativamente ampia gamma di prodotti presentati modelli, tali manipolatori non si sono ancora diffusi. Ciò è in parte dovuto al prezzo piuttosto elevato: un modello con sensore BlueTrack costerà di più rispetto ai suoi omologhi dotati di sensore ottico o laser.
In un campo oscuro
Nell'agosto 2009, l'azienda svizzera Logitech ha annunciato i mouse wireless Performance Mouse MX e Anywhere Mouse MX. La principale innovazione introdotta in questi modelli è stata un sensore basato sulla tecnologia Darkfield Laser Tracking.
A differenza dei colleghi di Microsoft, gli sviluppatori Logitech hanno preferito prendere come base il design del sensore laser. Un'innovazione fondamentale è stata l'uso della microscopia a campo scuro (da cui il nome della tecnologia - Darkfield) invece della lettura di un'immagine riflessa dalla superficie di lavoro.
Come si può vedere nella Fig. 9, l'asse ottico dell'obiettivo della videocamera di questo sensore è perpendicolare al piano della superficie di lavoro. Poiché la sorgente luminosa è installata obliquamente rispetto alla superficie, i raggi provenienti dalle sue aree piatte vengono riflessi con la stessa angolazione e non entrano nell'obiettivo della fotocamera. Pertanto, la fotocamera registra solo quegli oggetti che diffondono la luce che cade su di essi: graffi microscopici, irregolarità, particelle di polvere, ecc. Di conseguenza, il sensore legge l'immagine di una sorta di "mappa dei difetti" della superficie, che ricorda l'aspetto del cielo stellato (Fig. 10).
Riso. 9. Grazie all'utilizzo del metodo microscopico
il sensore laser Darkfield è in grado di funzionare in un campo oscuro
su superfici lisce e trasparenti
Riso. 10. Ecco come appare l'immagine,
letto da un sensore di luce
Sensore per campo scuro su superficie liscia,
realizzato in materiale trasparente
In condizioni operative reali, anche su una superficie pulita e perfettamente liscia (come ci sembra), ci saranno molti oggetti che il sensore della fotocamera sarà in grado di "vedere". Si tratta di crepe e graffi microscopici invisibili a occhio nudo, particelle di polvere, lanugine, impronte digitali, residui di detersivi, ecc. Grazie a ciò, un sensore basato sulla tecnologia Darkfield Laser Tracking è in grado di lavorare anche su superfici trasparenti e lisce che non presentano un microrilievo pronunciato. Questa decisione garantisce un funzionamento stabile del manipolatore su un'ampia varietà di superfici, compreso il vetro trasparente con uno spessore di 4 mm o più.
Nonostante siano passati più di due anni dal debutto del Darkfield Laser Tracking, questa tecnologiaè ancora la più efficace tra le soluzioni utilizzate nei manipolatori prodotti in commercio. Tuttavia presenta anche uno svantaggio significativo: il prezzo elevato dei dispositivi. Entrambi i modelli dotati di tali sensori sono presentati nella posizione più alta categoria di prezzo- quindi sarebbe troppo ottimistico aspettarsi una domanda urgente per questi dispositivi. Soprattutto se si considera che l’annuncio di questi prodotti è avvenuto nel bel mezzo di una crisi economica.
Attualmente sono in vendita solo due manipolatori dotati di sensori di tracciamento laser in campo oscuro: Logitech Performance Mouse MX (Fig. 11) e Anywhere Mouse MX.
Riso. 11. Senza fili Mouse Logitech Mouse MX ad alte prestazioni,
dotato di un sensore basato sulla tecnologia Darkfield Laser Tracking
Rigorosamente verticale
All'inizio di quest'anno A4Tech ha introdotto i primi modelli di produzione di manipolatori dotati di sensori ottici V-Track Optic 2.0 (di seguito li chiameremo semplicemente V-Track per ragioni di leggibilità). Come in un sensore ottico convenzionale, la sorgente luminosa al loro interno è un LED rosso. Tuttavia, sotto altri aspetti, il design di questo sensore presenta una serie di differenze fondamentali.
Il raggio è focalizzato in un raggio stretto (l'area del foro nel pannello inferiore del corpo del mouse è di soli 5 mm2) ed è diretto rigorosamente perpendicolare al piano della superficie di lavoro. La telecamera con sensore V-Track legge il raggio riflesso; l'asse ottico della sua lente è perpendicolare al piano della superficie di lavoro (Fig. 12).
Riso. 12. Schema di funzionamento del sensore V-Track Optic 2.0
Focalizzando il raggio su una piccola area, si ottiene un'elevata intensità del flusso luminoso, un ordine di grandezza superiore rispetto ai sensori ottici di concezione tradizionale. Ciò consente di ottenere l'immagine più nitida possibile e di catturare anche i più piccoli dettagli del microrilievo superficiale. Grazie a questa caratteristica, il sensore V-Track funziona in modo affidabile su superfici lucide e levigate, dove i tradizionali sensori laser e ottici falliscono. Inoltre, il sensore V-Track funziona bene su superfici irregolari come pelliccia, pelo lungo, tessuti ruvidi, ecc., dove i topi con sensori laser di solito lavorano in modo estremamente instabile.
Un ulteriore vantaggio del sensore V-Track è il basso consumo energetico (20-30% inferiore rispetto al design di un sensore ottico tradizionale), che consente una durata più lunga durata della batteria manipolatori senza fili.
Attualmente, i sensori V-Track sono utilizzati in una gamma di mouse A4Tech, inclusi sia cablati (N-770FX, N-551FX, OP-530NU, OP-560NU, ecc.) che modelli senza fili(G9-500F, G10-770F, G10-810F, ecc.). Questi manipolatori sono presentati in basso e medio segmenti di prezzo. I prezzi per i modelli junior con sensori V-Track sono abbastanza paragonabili al costo dei mouse di una classe simile dotati di sensori ottici dal design tradizionale.
Topi "dagli occhi azzurri", versione Genius
Un'altra novità di quest'anno è il sensore ottico BlueEye Tracking. È stato sviluppato dagli ingegneri di Kye Systems, ben nota agli utenti russi per la sua vasta gamma di prodotti fabbricati con il marchio Genius.
Il design del sensore BlueEye Tracking è essenzialmente una versione avanzata di un sensore ottico tradizionale, ma presenta un paio di differenze fondamentali. Il primo è che viene utilizzato un LED blu anziché rosso. Il secondo riguarda il disegno del percorso ottico modificato (Fig. 13). Una lente aggiuntiva garantisce la focalizzazione del fascio luminoso, grazie alla quale l'area del punto luminoso formato dal sensore BlueEye Tracking è più piccola di quella di un sensore ottico tradizionale.
Riso. 13. Diagramma di progettazione del sensore di tracciamento BlueEye
Il sensore BlueEye Tracking fornisce una maggiore precisione (rispetto a un sensore ottico tradizionale) nella registrazione dei movimenti del manipolatore e funziona in modo affidabile sulla maggior parte delle superfici, consumando meno energia.
Attualmente, i sensori di tracciamento BlueEye vengono utilizzati nei mouse wireless Genius Navigator 905, Mini Navigator 900, Traveller 8000/9000, Ergo 9000, ecc. Inoltre, l'azienda ha recentemente rilasciato un dispositivo di puntamento cablato DX-220, anch'esso dotato di un sensore di tracciamento BlueEye . Tutti i modelli elencati appartengono alla categoria di prezzo medio. Considerando i prezzi al dettaglio, i loro diretti concorrenti sono i mouse dotati di sensori laser.
Conclusione
Quindi, abbiamo esaminato le caratteristiche di progettazione di vari tipi di sensori ottici di registrazione del movimento utilizzati nei moderni manipolatori. In tre l'anno scorso I produttori di questi dispositivi hanno introdotto diverse nuove soluzioni che presentano notevoli vantaggi rispetto alle tradizionali tecnologie ottiche e laser. Tuttavia, come mostrano le statistiche sulle vendite, quando scelgono un manipolatore, gli utenti preferiscono un approccio conservativo, dando comunque la preferenza ai mouse dotati di un sensore ottico dal design tradizionale. Ciò può essere in parte spiegato dal prezzo accessibile di tali modelli, nonché dai bassi requisiti per caratteristiche operative topi dalla maggior parte degli acquirenti. È possibile che molti semplicemente non conoscano le innovazioni tecnologiche già introdotte nei modelli prodotti in serie.
Ci auguriamo che questa pubblicazione sia utile ai nostri lettori e che le informazioni in essa contenute consentano loro di orientarsi meglio nella varietà delle tecnologie esistenti. Inoltre, consigliamo di leggere l'articolo “Test Drive del mouse”. In esso troverai informazioni dettagliate su come i manipolatori con diversi tipi di sensori funzionano su superfici diverse.
Il sensore ottico ADNS-3060, rispetto ai suoi “antenati”, ha un insieme di caratteristiche davvero impressionante.
L'utilizzo di questo chip, racchiuso in un package da 20 pin, fornisce ai mouse ottici funzionalità senza precedenti.
La velocità massima consentita di movimento del manipolatore è aumentata a 40 pollici/s (ovvero quasi 3 volte!), vale a dire ha raggiunto una velocità “firma” di 1 m/s.
Questo è già molto buono: è improbabile che almeno un utente muova il mouse a una velocità superiore a questo limite così spesso da sentirsi costantemente a disagio nell'uso del manipolatore ottico, comprese le applicazioni di gioco.
L'accelerazione consentita è aumentata, spaventoso a dirsi, di cento volte (!), e ha raggiunto il valore di 15 g (quasi 150 m/s²).
Ora all'utente vengono concessi 7 centesimi di secondo per accelerare il mouse da 0 al massimo 1 m/s - penso che pochissime persone ora riusciranno a superare questa limitazione, e anche allora, probabilmente solo nei loro sogni.
La velocità programmabile per scattare foto di una superficie con un sensore ottico nel nuovo modello di chip supera i 6400 fotogrammi/s, ovvero "batte" il "record" precedente quasi tre volte.
Inoltre, il chip ADNS-3060 può regolare autonomamente la frequenza delle istantanee per ottenere i parametri operativi più ottimali, a seconda della superficie su cui si muove il mouse.
La “risoluzione” del sensore ottico può comunque essere di 400 o 800 cpi.
Usiamo il chip ADNS-3060 come esempio per esaminare i principi generali di funzionamento dei chip dei sensori ottici.
Lo schema generale per l'analisi dei movimenti del mouse non è cambiato rispetto ai modelli precedenti: le micrografie della superficie sotto il mouse ottenute dal blocco sensore IAS vengono poi elaborate da un DSP (processore) integrato nello stesso chip, che determina la direzione e la distanza del movimento movimento del manipolatore.
DSP calcola valori relativi offset lungo le coordinate X e Y, rispetto alla posizione iniziale del mouse.
Quindi il chip del controller del mouse esterno (a cosa serve, abbiamo detto prima) legge le informazioni sul movimento del manipolatore dalla porta seriale del chip del sensore ottico.
Quindi questo controller esterno traduce i dati ricevuti sulla direzione e la velocità del movimento del mouse in segnali trasmessi tramite interfacce PS/2 o USB standard, che vengono poi inviati al computer.
Ma approfondiamo un po’ le caratteristiche del sensore.
Lo schema a blocchi del chip ADNS-3060 è mostrato sopra.
Come possiamo vedere, la sua struttura non è sostanzialmente cambiata rispetto ai suoi lontani “antenati”.
3.3 L'alimentazione viene fornita al sensore attraverso il blocco Regolatore di tensione e Controllo di potenza; lo stesso blocco è incaricato delle funzioni di filtraggio della tensione, per le quali viene utilizzato un collegamento ad un condensatore esterno.
Il segnale proveniente da un risonatore al quarzo esterno al blocco Oscillatore (la cui frequenza nominale è 24 MHz; per i precedenti modelli di microcircuiti venivano utilizzati oscillatori principali a frequenza inferiore) serve a sincronizzare tutti i processi computazionali che si verificano all'interno del chip del sensore ottico.
Ad esempio, la frequenza delle immagini di un sensore ottico è legata alla frequenza di questo generatore esterno (a proposito, quest'ultimo non è soggetto a restrizioni molto rigide sulle deviazioni consentite dalla frequenza nominale - fino a ± 1 MHz).
A seconda del valore inserito in un indirizzo specifico (registro) della memoria del chip, sono possibili le seguenti frequenze operative per scattare foto con il sensore ADNS-3060.
Come puoi immaginare, in base ai dati riportati nella tabella, la frequenza degli scatti del sensore viene determinata utilizzando una semplice formula:
Frame rate = (Frequenza di impostazione del generatore (24 MHz)/Valore del registro responsabile del frame rate).
Le immagini di superficie (fotogrammi) riprese dal sensore ADNS-3060 hanno una risoluzione di 30x30 e rappresentano la stessa matrice di pixel, il colore di ciascuno dei quali è codificato con 8 bit, cioè un byte (corrispondente a 256 sfumature di grigio per ogni pixel).
Pertanto, ogni frame (frame) che arriva al processore DSP è una sequenza di 900 byte di dati.
Ma il processore "astuto" non elabora questi 900 byte del frame immediatamente all'arrivo, attende finché 1536 byte di informazioni sui pixel non vengono accumulati nel buffer corrispondente (memoria) (cioè informazioni su altri 2/3 dei successivi); viene aggiunta la cornice).
E solo dopo il chip inizia ad analizzare le informazioni sul movimento del manipolatore, confrontando i cambiamenti nelle immagini successive della superficie.
Con una risoluzione di 400 o 800 pixel per pollice, la loro implementazione è indicata nel bit RES dei registri di memoria del microcontrollore.
Un valore zero di questo bit corrisponde a 400 cpi e uno logico in RES imposta il sensore in modalità 800 cpi.
Dopo che il processore DSP integrato ha elaborato i dati dell'immagine, calcola i valori di spostamento relativo del manipolatore lungo gli assi X e Y, inserendo dati specifici al riguardo nella memoria del chip ADNS-3060.
A sua volta, il chip del controller esterno (mouse), tramite la porta seriale, può “estrarre” queste informazioni dalla memoria del sensore ottico circa una volta ogni millisecondo.
Si noti che solo un microcontrollore esterno può avviare il trasferimento di tali dati; il sensore ottico stesso non avvia mai tale trasferimento;
Pertanto, la questione dell'efficienza (frequenza) del tracciamento del movimento del mouse ricade in gran parte sulle "spalle" del chip del controller esterno.
I dati dal sensore ottico vengono trasmessi in pacchetti a 56 bit.
Ebbene, il blocco Led Control di cui è dotato il sensore è responsabile del controllo del diodo di retroilluminazione: modificando il valore del bit 6 (LED_MODE) all'indirizzo 0x0a, il microprocessore del sensore ottico può commutare il LED in due modalità operative: logica " 0” corrisponde allo stato “il diodo è sempre acceso”, l’“1” logico mette il diodo nella modalità “acceso solo quando necessario”.
Questo è importante, ad esempio, quando si utilizzano i mouse wireless, poiché consente di risparmiare energia sui loro alimentatori autonomi.
Inoltre, il diodo stesso può avere diverse modalità di luminosità.
Questo, in effetti, riguarda i principi di base del funzionamento di un sensore ottico.
Cos'altro puoi aggiungere?
La temperatura operativa consigliata del chip ADNS-3060, così come di tutti gli altri chip di questo tipo, va da 0 °C a +40 °C.
Tuttavia Agilent Technologies garantisce la conservazione delle proprietà operative dei suoi chip nell'intervallo di temperature da -40 °C a +85 °C.
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In questo articolo esamineremo i principi di funzionamento dei sensori del mouse ottico, faremo luce sulla storia del loro sviluppo tecnologico e sfataremo anche alcuni miti associati ai "roditori" ottici.
Chi ti ha inventato...
I mouse ottici che ci sono familiari oggi fanno risalire le loro origini al 1999, quando le prime copie di tali manipolatori di Microsoft, e dopo qualche tempo di altri produttori, apparvero in vendita in massa. Prima della comparsa di questi topi, e per molto tempo dopo, la maggior parte dei “roditori” informatici prodotti in serie erano optomeccanici (i movimenti del manipolatore venivano seguiti da un sistema ottico collegato alla parte meccanica - due rulli responsabili del tracciamento il movimento del mouse lungo gli assi × e Y; questi rulli, a loro volta, ruotano a causa del rotolamento della pallina quando l'utente muove il mouse). Sebbene esistessero anche modelli di mouse puramente ottici che richiedevano uno speciale tappetino per il mouse per il loro funzionamento. Tuttavia, tali dispositivi non venivano incontrati spesso e l'idea stessa di sviluppare tali manipolatori svanì gradualmente.
Il "tipo" di mouse ottici prodotti in serie a noi familiari oggi, basati su principi operativi generali, è stato "sviluppato" nei laboratori di ricerca della famosa società Hewlett-Packard. Più precisamente, nella sua divisione Agilent Technologies, che solo relativamente di recente è stata completamente separata in una società separata all'interno della struttura di HP Corporation. Oggi Agilent Technologies, Inc. - un monopolista nel mercato dei sensori ottici per mouse; nessun'altra società sviluppa tali sensori, non importa chi ti parla delle tecnologie esclusive IntelliEye o MX Optical Engine. Tuttavia, i cinesi intraprendenti hanno già imparato a "clonare" i sensori Agilent Technologies, quindi acquistando un mouse ottico economico potresti diventare il proprietario di un sensore "per mancini".
Scopriremo da dove provengono le differenze visibili nel funzionamento dei manipolatori un po 'più tardi, ma per ora iniziamo a considerare i principi di base del funzionamento dei mouse ottici, o più precisamente, i loro sistemi di tracciamento del movimento.
Come “vedono” i mouse dei computer
In questa sezione studieremo i principi di base del funzionamento dei sistemi di tracciamento ottico del movimento utilizzati nei moderni manipolatori di tipo mouse.
Pertanto, un mouse ottico per computer acquisisce “visione” attraverso il seguente processo. Utilizzando un LED e un sistema di lenti che ne focalizzano la luce, viene illuminata un'area della superficie sotto il mouse. La luce riflessa da questa superficie, a sua volta, viene raccolta da un'altra lente e colpisce il sensore ricevente del microcircuito: il processore di immagini. Questo chip, a sua volta, fotografa la superficie sotto il mouse ad alta frequenza (kHz). Inoltre, il microcircuito (chiamiamolo sensore ottico) non solo scatta foto, ma le elabora anche lui stesso, poiché contiene due parti chiave: il sistema di acquisizione delle immagini (IAS) e il processore di elaborazione delle immagini DSP integrato.
Sulla base dell'analisi di una serie di immagini consecutive (che rappresentano una matrice quadrata di pixel di diversa luminosità), il processore DSP integrato calcola gli indicatori risultanti che indicano la direzione del movimento del mouse lungo gli assi × e Y e trasmette i risultati del suo lavoro esternamente tramite la porta seriale.
Se guardiamo lo schema a blocchi di uno dei sensori ottici, vedremo che il chip è composto da diversi blocchi, vale a dire:
- il blocco principale è, ovviamente, ImmagineProcessore- processore di elaborazione immagini (DSP) con ricevitore di segnali luminosi (IAS) integrato;
- Regolatore di tensione e controllo di potenza- unità di regolazione della tensione e controllo del consumo energetico (a questa unità viene fornita alimentazione e ad essa è collegato un ulteriore filtro di tensione esterno);
- Oscillatore- a questo blocco chip viene fornito un segnale esterno da un oscillatore al quarzo master, la frequenza del segnale in ingresso è di circa un paio di decine di MHz;
- Controllo principale- si tratta di un'unità di controllo LED che illumina la superficie sotto il mouse;
- Porta seriale- un blocco che trasmette i dati sulla direzione del movimento del mouse all'esterno del chip.
Esamineremo alcuni dettagli del funzionamento del chip del sensore ottico più avanti, quando arriveremo al punto più avanzato sensori moderni, ma per ora torniamo ai principi di base del funzionamento dei sistemi ottici per il tracciamento del movimento dei manipolatori.
Va chiarito che il chip del sensore ottico non trasmette informazioni sul movimento del mouse tramite la porta seriale direttamente al computer. I dati vanno a un altro chip controller installato nel mouse. Questo secondo chip "principale" nel dispositivo è responsabile della risposta alla pressione dei pulsanti del mouse, alla rotazione della rotella di scorrimento, ecc. Questo chip, tra le altre cose, trasmette direttamente al PC le informazioni sulla direzione del movimento del mouse, convertendo i dati provenienti dal sensore ottico in segnali trasmessi tramite interfacce PS/2 o USB. E il computer, utilizzando il driver del mouse, in base alle informazioni ricevute tramite queste interfacce, sposta il puntatore sullo schermo del monitor.
È proprio per la presenza di questo “secondo” chip controller, o meglio grazie a diversi tipi tali microcircuiti, già i primi modelli di mouse ottici differivano notevolmente l'uno dall'altro. Se non posso parlare troppo male dei dispositivi costosi di Microsoft e Logitech (sebbene non fossero affatto "senza peccato"), la massa di manipolatori economici apparsi dopo di loro non si è comportata in modo abbastanza adeguato. Quando questi topi si muovevano su normali tappetini per mouse, i cursori sullo schermo facevano strane capriole, saltavano quasi fino al pavimento del Desktop, e a volte... a volte andavano addirittura a viaggio indipendente sullo schermo quando l'utente non ha toccato affatto il mouse. Si arrivava addirittura al punto che il mouse poteva facilmente riattivare il computer dalla modalità standby, registrando erroneamente un movimento quando nessuno toccava effettivamente il manipolatore.
A proposito, se stai ancora lottando con un problema simile, puoi risolverlo in un colpo solo in questo modo: seleziona Risorse del computer > Proprietà > Hardware > Gestione dispositivi > seleziona mouse installato> vai su "Proprietà" > nella finestra che appare, vai alla scheda "Risparmio energia" e deseleziona la casella "Consenti al dispositivo di riattivare il computer dalla modalità standby" (Fig. 4). Successivamente, il mouse non sarà più in grado di riattivare il computer dalla modalità standby con nessun pretesto, anche se lo prendi a calci :)
Quindi la ragione di una differenza così evidente nel comportamento dei mouse ottici non sono affatto i sensori installati “cattivi” o “buoni”, come molti pensano ancora. Non crederci, questo non è altro che un mito. O fantasia, se preferisci :) I topi che si comportavano in modo completamente diverso spesso avevano esattamente gli stessi chip di sensori ottici installati (per fortuna non c'erano così tanti modelli di questi chip, come vedremo più avanti). Tuttavia, grazie ai chip controller imperfetti installati nei mouse ottici, abbiamo avuto l’opportunità di criticare aspramente le prime generazioni di roditori ottici.
Tuttavia, siamo un po’ distratti dall’argomento. Torniamo indietro. In generale, il sistema di tracciamento ottico del mouse, oltre al chip del sensore, include molti altri elementi di base. La struttura comprende un supporto (clip) in cui sono installati il LED e il chip del sensore stesso. Questo sistema di elementi è fissato ad un circuito stampato (PCB), tra il quale e la superficie inferiore del mouse (Base Plate) è fissato un elemento in plastica (Lente), contenente due lenti (il cui scopo è stato scritto sopra).
Una volta assemblato, l'elemento di tracciamento ottico assomiglia a quello mostrato sopra. Di seguito è presentato lo schema di funzionamento delle ottiche di questo sistema.
La distanza ottimale dall'elemento lente alla superficie riflettente sotto il mouse dovrebbe essere compresa tra 2,3 e 2,5 mm. Queste sono le raccomandazioni del produttore del sensore. Ecco il primo motivo per cui i mouse ottici non si sentono bene quando "strisciano" sul plexiglass su un tavolo, tutti i tipi di tappeti "traslucidi", ecc. E non dovresti incollare gambe "spesse" ai mouse ottici quando quelli vecchi cadere o consumarsi. A causa dell'eccessiva "elevazione" sopra la superficie, il mouse può cadere in uno stato di torpore, quando "spostare" il cursore dopo che il mouse è a riposo diventa piuttosto problematico. Questa non è speculazione teorica, questa è esperienza personale :)
A proposito, sul problema della durabilità dei mouse ottici. Ricordo che alcuni dei loro produttori affermavano che "dureranno per sempre". Sì, l'affidabilità del sistema di tracciamento ottico è elevata, non può essere paragonata a quella optomeccanica. Allo stesso tempo, nei mouse ottici ci sono molti elementi puramente meccanici che sono soggetti ad usura proprio come sotto il dominio della buona vecchia “optomeccanica”. Ad esempio, i piedini del mio vecchio mouse ottico erano consumati e sono caduti, la rotella di scorrimento si è rotta (due volte, l'ultima volta in modo irrevocabile :()), il filo del cavo di collegamento è sfilacciato, il coperchio dell'alloggiamento del manipolatore si è staccato.. . ma il sensore ottico funziona normalmente, come se non fosse successo nulla. Sulla base di ciò possiamo tranquillamente affermare che le voci sulla durata apparentemente impressionante dei mouse ottici non sono state confermate nella pratica "vivere" per troppo tempo? Dopotutto, sul mercato compaiono costantemente modelli nuovi e più lunghi? base dell'elemento. Sono ovviamente più avanzati e più facili da usare. Il progresso, si sa, è una cosa continua. Vediamo com'è andata nel campo dell'evoluzione dei sensori ottici che ci interessano.
Dalla storia della visione del mouse
Ingegneri di sviluppo presso Agilent Technologies, Inc. Non c'è da stupirsi che mangino il loro pane. Negli ultimi cinque anni, i sensori ottici di questa azienda hanno subito notevoli miglioramenti tecnologici e i loro ultimi modelli hanno caratteristiche davvero impressionanti.
Ma parliamo di tutto in ordine. I microcircuiti divennero i primi sensori ottici prodotti in serie HDNS-2000(Fig. 8). Questi sensori avevano una risoluzione di 400 cpi (conteggi per pollice), ovvero punti (pixel) per pollice, e erano progettati per una velocità massima di movimento del mouse di 12 pollici/s (circa 30 cm/s) con un'immagine del sensore ottico velocità di 1500 fotogrammi al secondo. L'accelerazione accettabile (pur mantenendo un funzionamento stabile del sensore) quando si sposta il mouse "a scatti" per il chip HDNS-2000 non è superiore a 0,15 g (circa 1,5 m/s2). 
Poi sono apparsi sul mercato i chip dei sensori ottici ADNS-2610 E ADNS-2620. Il sensore ottico ADNS-2620 supportava già una frequenza programmabile di “cattura” della superficie sotto il mouse, con una frequenza di 1500 o 2300 immagini/s. Ogni foto è stata scattata con una risoluzione di 18x18 pixel. Per il sensore, la velocità operativa massima di movimento era ancora limitata a 12 pollici al secondo, ma il limite di accelerazione consentita è aumentato a 0,25 g, con una frequenza di “fotografia” della superficie di 1500 fotogrammi/s. Anche questo chip (ADNS-2620) aveva solo 8 gambe, il che ha permesso di ridurne significativamente le dimensioni rispetto al chip ADNS-2610 (16 pin), che era simile nell'aspetto all'HDNS-2000. Presso Agilent Technologies, Inc. hanno deciso di “minimizzare” i propri microcircuiti, volendo renderli più compatti, più efficienti dal punto di vista energetico e quindi più convenienti per l’installazione in manipolatori “mobili” e wireless.
Il chip ADNS-2610, sebbene fosse un “grande” analogo del 2620, era privato del supporto per la modalità “avanzata” di 2300 immagini/s. Inoltre, questa opzione richiedeva un'alimentazione di 5 V, mentre il chip ADNS-2620 richiedeva solo 3,3 V.
Prossimamente il chip ADNS-2051 era una soluzione molto più potente dei chip HDNS-2000 o ADNS-2610, sebbene fosse simile anche nell'aspetto (packaging). Questo sensore consentiva già di controllare in modo programmabile la “risoluzione” del sensore ottico, modificandola da 400 a 800 cpi. La versione del chip consentiva anche di regolare la frequenza delle immagini di superficie e di modificarla in un intervallo molto ampio: 500, 1000, 1500, 2000 o 2300 immagini/s. Ma la dimensione di queste stesse immagini era di soli 16x16 pixel. A 1500 colpi/s, l’accelerazione massima consentita del mouse durante uno “scatto” era ancora di 0,15 g, la velocità di movimento massima possibile era di 14 pollici/s (ovvero 35,5 cm/s). Questo chip è stato progettato per una tensione di alimentazione di 5 V. 
Sensore ADNS-2030 sviluppato per dispositivi senza fili, e quindi aveva un basso consumo energetico, richiedendo solo 3,3 V di alimentazione. Il chip supportava anche funzioni di risparmio energetico, come la funzione di riduzione del consumo energetico quando il mouse è a riposo (modalità di risparmio energetico durante i periodi di inattività), il passaggio alla modalità di sospensione, anche quando il mouse è collegato tramite un'interfaccia USB, ecc. Il mouse, però, non poteva funzionare in modalità risparmio energetico: il valore “1” nel bit Sleep di uno dei registri del chip rendeva il sensore “sempre sveglio”, e il valore di default “0” corrispondeva al funzionamento modalità del chip quando, dopo un secondo, se il mouse non si muoveva (più precisamente, dopo aver ricevuto 1500 immagini della superficie completamente identiche), il sensore, insieme al mouse, entrava in modalità di risparmio energetico. Per quanto riguarda le altre caratteristiche chiave del sensore, non differivano da quelle dell'ADNS-2051: stesso alloggiamento a 16 pin, velocità di movimento fino a 14 pollici/s con un'accelerazione massima di 0,15 g, risoluzione programmabile 400 e 800 cpi, rispettivamente, le frequenze dell'immagine potrebbero essere esattamente le stesse della versione del microcircuito sopra considerata.
Questi furono i primi sensori ottici. Sfortunatamente, erano caratterizzati da carenze. Un grosso problema che si presentava quando si spostava un mouse ottico sulle superfici, soprattutto quelle con motivi piccoli ripetuti, era che il processore di immagini a volte confondeva aree simili separate dell'immagine monocromatica ricevuta dal sensore e determinava erroneamente la direzione del movimento del mouse.
Di conseguenza, il cursore sullo schermo non si è spostato come richiesto. Il puntatore sullo schermo è diventato persino capace di improvvisati :) - movimenti imprevedibili in qualsiasi direzione. Inoltre, è facile intuire che se si muove il mouse troppo velocemente, il sensore potrebbe perdere completamente ogni “connessione” tra più immagini successive della superficie. Ciò ha dato origine a un altro problema: quando il mouse si muoveva troppo bruscamente, il cursore si muoveva in un punto, o si verificavano anche fenomeni "soprannaturali", ad esempio, con la rapida rotazione del mondo circostante nei giocattoli. Era assolutamente chiaro che per la mano umana i limiti di 12-14 pollici/s sulla velocità massima di movimento del mouse non erano chiaramente sufficienti. Non c'erano dubbi inoltre che 0,24 s (quasi un quarto di secondo) assegnati per accelerare il mouse da 0 a 35,5 cm/s (14 pollici/s - velocità massima) siano un periodo di tempo molto lungo a cui una persona può fare; muovere la mano molto più velocemente. E quindi, con movimenti improvvisi del mouse in applicazioni di gioco dinamiche con manipolatore ottico, può essere difficile...
Anche Agilent Technologies lo ha capito. Gli sviluppatori si sono resi conto che le caratteristiche dei sensori dovevano essere radicalmente migliorate. Nella loro ricerca, hanno aderito a un assioma semplice ma corretto: più immagini scatta il sensore al secondo, meno è probabile che perda la "traccia" del movimento del mouse mentre l'utente del computer fa movimenti improvvisi del corpo :)
Sebbene, come vediamo da quanto sopra, i sensori ottici si siano sviluppati, vengono costantemente rilasciate nuove soluzioni, ma lo sviluppo in quest'area può essere tranquillamente definito "molto graduale". Nel complesso non si sono verificati cambiamenti fondamentali nelle proprietà dei sensori. Ma il progresso tecnologico in qualsiasi campo è talvolta caratterizzato da bruschi balzi in avanti. C'è stata una tale "svolta decisiva" nel campo della creazione di sensori ottici per topi. L'avvento del sensore ottico ADNS-3060 può essere considerato davvero rivoluzionario!
Il meglio di
Sensore ottico ADNS-3060, rispetto ai suoi “antenati”, ha un insieme di caratteristiche davvero impressionante. L'utilizzo di questo chip, racchiuso in un package da 20 pin, fornisce ai mouse ottici funzionalità senza precedenti. La velocità massima consentita di movimento del manipolatore è aumentata a 40 pollici/s (ovvero quasi 3 volte!), vale a dire ha raggiunto una velocità “firma” di 1 m/s. Questo è già molto buono: è improbabile che almeno un utente muova il mouse a una velocità superiore a questo limite così spesso da sentirsi costantemente a disagio nell'uso del manipolatore ottico, comprese le applicazioni di gioco. L'accelerazione consentita è aumentata, spaventoso a dirsi, di cento volte (!), e ha raggiunto il valore di 15 g (quasi 150 m/s2). Ora all'utente vengono concessi 7 centesimi di secondo per accelerare il mouse da 0 al massimo 1 m/s - penso che pochissime persone ora saranno in grado di superare questa limitazione, e anche allora, probabilmente nei loro sogni :) la velocità programmabile per scattare foto della superficie con il sensore ottico del nuovo modello di chip supera i 6400 fps, ovvero "batte" il "record" precedente quasi tre volte. Inoltre, il chip ADNS-3060 può regolare autonomamente la frequenza delle istantanee per ottenere i parametri operativi più ottimali, a seconda della superficie su cui si muove il mouse. La “risoluzione” del sensore ottico può comunque essere di 400 o 800 cpi. Usiamo il chip ADNS-3060 come esempio per esaminare i principi generali di funzionamento dei chip dei sensori ottici.
Lo schema generale per l'analisi dei movimenti del mouse non è cambiato rispetto ai modelli precedenti: le micrografie della superficie sotto il mouse ottenute dal blocco sensore IAS vengono poi elaborate da un DSP (processore) integrato nello stesso chip, che determina la direzione e la distanza del movimento movimento del manipolatore. Il DSP calcola le grandezze relative delle coordinate × e Y rispetto alla posizione iniziale del mouse. Quindi il chip del controller del mouse esterno (a cosa serve, abbiamo detto prima) legge le informazioni sul movimento del manipolatore dalla porta seriale del chip del sensore ottico. Quindi questo controller esterno traduce i dati ricevuti sulla direzione e la velocità del movimento del mouse in segnali trasmessi tramite interfacce PS/2 o USB standard, che vengono poi inviati al computer.
Ma approfondiamo un po’ le caratteristiche del sensore. Lo schema a blocchi del chip ADNS-3060 è mostrato sopra. Come possiamo vedere, la sua struttura non è sostanzialmente cambiata rispetto ai suoi lontani “antenati”. 3.3 L'alimentazione viene fornita al sensore attraverso il blocco Regolatore di tensione e Controllo di potenza; lo stesso blocco è incaricato delle funzioni di filtraggio della tensione, per le quali viene utilizzato un collegamento ad un condensatore esterno. Il segnale proveniente da un risonatore al quarzo esterno al blocco Oscillatore (la cui frequenza nominale è 24 MHz; per i precedenti modelli di microcircuiti venivano utilizzati oscillatori principali a frequenza inferiore) serve a sincronizzare tutti i processi computazionali che si verificano all'interno del chip del sensore ottico. Ad esempio, la frequenza delle immagini di un sensore ottico è legata alla frequenza di questo generatore esterno (a proposito, quest'ultimo non è soggetto a restrizioni molto rigide sulle deviazioni consentite dalla frequenza nominale - fino a +/- 1 MHz) . A seconda del valore inserito in un indirizzo specifico (registro) della memoria del chip, sono possibili le seguenti frequenze operative per scattare foto con il sensore ADNS-3060.
| Valore del registro, esadecimale | Valore decimale | Frequenza di istantanea del sensore, fotogrammi/s |
| OE7E | 3710 | 6469 |
| 12C0 | 4800 | 5000 |
| 1F40 | 8000 | 3000 |
| 2EE0 | 12000 | 2000 |
| 3E80 | 16000 | 1500 |
| BB80 | 48000 | 500 |
Come puoi immaginare, in base ai dati nella tabella, la frequenza delle istantanee del sensore viene determinata utilizzando una semplice formula: Frame rate = (Impostazione della frequenza del generatore (24 MHz)/Valore del registro responsabile del frame rate).
Le immagini di superficie (fotogrammi) riprese dal sensore ADNS-3060 hanno una risoluzione di 30x30 e rappresentano la stessa matrice di pixel, il colore di ciascuno dei quali è codificato con 8 bit, cioè un byte (corrispondente a 256 sfumature di grigio per ogni pixel). Pertanto, ogni frame (frame) che arriva al processore DSP è una sequenza di 900 byte di dati. Ma il processore "astuto" non elabora questi 900 byte del frame immediatamente all'arrivo, attende finché 1536 byte di informazioni sui pixel non vengono accumulati nel buffer corrispondente (memoria) (cioè informazioni su altri 2/3 dei successivi); viene aggiunta la cornice). E solo dopo il chip inizia ad analizzare le informazioni sul movimento del manipolatore, confrontando i cambiamenti nelle immagini successive della superficie.
Con una risoluzione di 400 o 800 pixel per pollice, la loro implementazione è indicata nel bit RES dei registri di memoria del microcontrollore. Un valore zero di questo bit corrisponde a 400 cpi e uno logico in RES imposta il sensore in modalità 800 cpi.
Dopo che il processore DSP integrato ha elaborato i dati dell'immagine, calcola i valori di spostamento relativo del manipolatore lungo gli assi × e Y, inserendo dati specifici al riguardo nella memoria del chip ADNS-3060. A sua volta, il chip del controller esterno (mouse), tramite la porta seriale, può “estrarre” queste informazioni dalla memoria del sensore ottico circa una volta ogni millisecondo. Si noti che solo un microcontrollore esterno può avviare il trasferimento di tali dati; il sensore ottico stesso non avvia mai tale trasferimento; Pertanto, la questione dell'efficienza (frequenza) del tracciamento del movimento del mouse ricade in gran parte sulle "spalle" del chip del controller esterno. I dati dal sensore ottico vengono trasmessi in pacchetti a 56 bit.
Ebbene, il blocco Led Control di cui è dotato il sensore è responsabile del controllo del diodo di retroilluminazione: modificando il valore del bit 6 (LED_MODE) all'indirizzo 0x0a, il microprocessore del sensore ottico può commutare il LED in due modalità operative: "0" logico corrisponde allo stato “diodo sempre acceso”, l'“1” logico mette il diodo in modalità “acceso solo quando necessario”. Questo è importante, ad esempio, quando si utilizzano i mouse wireless, poiché consente di risparmiare energia sui loro alimentatori autonomi. Inoltre, il diodo stesso può avere diverse modalità di luminosità.
Questo, in effetti, riguarda i principi di base del funzionamento di un sensore ottico. Cos'altro puoi aggiungere? La temperatura operativa consigliata del chip ADNS-3060, così come di tutti gli altri chip di questo tipo, va da 0 0C a +40 0C. Sebbene Agilent Technologies garantisca la conservazione delle proprietà operative dei suoi chip nell'intervallo di temperature da -40 a +85 ° C.
Futuro del laser?
Recentemente, Internet è stato riempito di articoli di elogio sul mouse laser cordless Logitech MX1000, che utilizzava un laser a infrarossi per illuminare la superficie sotto il mouse. Si prometteva quasi una rivoluzione nel campo dei mouse ottici. Purtroppo, avendo usato personalmente questo mouse, ero convinto che la rivoluzione non fosse avvenuta. Ma non si tratta di questo.
Non ho smontato il mouse Logitech MX1000 (non ne ho avuto l'opportunità), ma sono sicuro che dietro la "nuova tecnologia laser rivoluzionaria" c'è il nostro vecchio amico: il sensore ADNS-3060. Perché, secondo le informazioni in mio possesso, le caratteristiche del sensore di questo mouse non sono diverse da quelle, ad esempio, del modello Logitech MX510. Tutto il "hype" è nato intorno all'affermazione sul sito Web di Logitech secondo cui utilizzando un sistema di tracciamento ottico laser vengono rilevati venti volte (!) più dettagli rispetto all'utilizzo della tecnologia LED. Su questa base, anche alcuni siti rispettati hanno pubblicato fotografie di determinate superfici, dicono, come le vedono i normali mouse LED e laser :) 
Naturalmente queste foto (e grazie per questo) non erano i fiori luminosi multicolori con cui il sito Logitech ha cercato di convincerci della superiorità dell'illuminazione laser del sistema di tracciamento ottico. No, ovviamente, i mouse ottici non hanno iniziato a "vedere" nulla di simile alle fotografie a colori fornite con vari gradi di dettaglio: i sensori ancora "fotografano" nient'altro che una matrice quadrata di pixel grigi, che differiscono l'uno dall'altro solo in diversi luminosità (l'elaborazione delle informazioni sulla tavolozza dei colori estesa dei pixel comporterebbe un carico enorme sul DSP).
Supponiamo che per ottenere un'immagine 20 volte più dettagliata siano necessari, scusate la tautologia, venti volte più dettagli, che possono essere trasmessi solo da pixel aggiuntivi dell'immagine e nient'altro. È noto che il mouse cordless laser Logitech MX 1000 scatta foto di 30x30 pixel e ha una risoluzione massima di 800 cpi. Di conseguenza, non si può parlare di un aumento di venti volte del dettaglio delle immagini. Dove è andato a frugare il cane :), e tali affermazioni non sono generalmente infondate? Proviamo a capire cosa ha causato la comparsa di questo tipo di informazioni.
Come è noto, un laser emette un raggio di luce strettamente diretto (con piccola divergenza). Di conseguenza, l'illuminazione della superficie sotto il mouse quando si utilizza un laser è molto migliore rispetto a quando si utilizza un LED. Probabilmente è stato scelto un laser che funziona nella gamma degli infrarossi per non abbagliare gli occhi a causa della possibile riflessione della luce sotto il mouse nello spettro visibile. Non dovrebbe sorprendere il fatto che il sensore ottico funzioni normalmente nella gamma degli infrarossi - dalla gamma rossa dello spettro, in cui opera la maggior parte dei mouse ottici LED, all'infrarosso - "a portata di mano", ed è improbabile che la transizione ad una nuova gamma ottica è stato difficile per il sensore. Ad esempio, il controller Logitech MediaPlay utilizza un LED, ma fornisce anche un'illuminazione a infrarossi. I sensori attuali funzionano senza problemi anche con la luce blu (esistono manipolatori con tale illuminazione), quindi lo spettro dell'area di illuminazione non è un problema per i sensori. Pertanto, a causa della maggiore illuminazione della superficie sotto il mouse, abbiamo il diritto di presumere che la differenza tra i luoghi che assorbono le radiazioni (buio) e riflettono i raggi (luce) sarà più significativa rispetto a quando si utilizza un LED convenzionale - cioè. l'immagine risulterà più contrastata.
E infatti, se guardiamo le fotografie reali di una superficie scattate con un sistema ottico LED convenzionale e un sistema che utilizza un laser, vedremo che la versione "laser" è molto più contrastata: le differenze tra le aree scure e luminose della l'immagine è più significativa. Naturalmente, ciò può facilitare notevolmente il lavoro del sensore ottico e, forse, il futuro risiede nei mouse con un sistema di retroilluminazione laser. Ma tali immagini “laser” difficilmente possono essere definite venti volte più dettagliate. Quindi questo è un altro mito “neonato”.
Come saranno i sensori ottici del prossimo futuro? È difficile da dire. Probabilmente passeranno all'illuminazione laser e su Internet circolano già voci sullo sviluppo di un sensore con una “risoluzione” di 1600 cpi. Possiamo solo aspettare.
Per risolvere uno dei problemi, avevo bisogno di ottenere ed elaborare in modo programmatico le immagini di una piccola area della superficie della carta da una distanza molto ravvicinata. Non avendo ricevuto una qualità decente utilizzando una normale fotocamera USB e già a metà strada verso il negozio per un microscopio elettronico, mi sono ricordato di una delle lezioni in cui ci veniva spiegato come funzionano vari dispositivi, incluso il mouse di un computer.
Preparazione e un po' di teoria
Non entrerò nei dettagli del principio di funzionamento di un moderno mouse ottico; è stato scritto in modo molto dettagliato (consiglio di leggerlo per lo sviluppo generale).Dopo aver cercato su Google informazioni su questo argomento e aver smontato un vecchio mouse Logitech PS/2, ho visto un'immagine familiare dagli articoli su Internet.
Un design non molto complicato dei “mouse di prima generazione”, un sensore ottico al centro e un chip di interfaccia PS/2 leggermente più in alto. Il sensore ottico in cui mi sono imbattuto è un analogo dei modelli “popolari” ADNS2610/ADNS2620/PAN3101. Penso che loro e le loro controparti siano stati prodotti in serie nella stessa fabbrica cinese, con etichette diverse sulla produzione. La documentazione è stata molto facile da trovare, anche insieme a vari esempi di codice.
La documentazione dice che questo sensore riceve un'immagine di una superficie di 18x18 pixel (risoluzione 400cpi) fino a 1500 volte al secondo, la memorizza e, utilizzando algoritmi di confronto delle immagini, calcola l'offset in coordinate X e Y rispetto alla posizione precedente.
Attuazione
Per “comunicare con il sensore” ho utilizzato la famosa piattaforma informatica Arduino e ho deciso di saldarla direttamente alle gambe del chip.
Colleghiamo 5 V e GND alle corrispondenti uscite Arduino e i piedini del sensore SDIO e SCLK ai pin digitali 8 e 9.
Per ottenere un offset in coordinate, è necessario leggere il valore del registro del chip agli indirizzi 0x02 (X) e 0x03 (Y), e per scaricare un'immagine, è necessario prima scrivere il valore 0x2A all'indirizzo 0x08, quindi leggere da lì 18x18 volte. Questo sarà l'ultimo valore “ricordato” della matrice di luminosità dell'immagine dal sensore ottico.
Puoi vedere come l'ho implementato su Arduino qui: http://pastebin.com/YpRGbzAS (solo ~100 righe di codice).
E per ricevere e visualizzare l'immagine, è stato scritto un programma in Processing.
Risultato
Dopo aver “rifinito” un po' il programma per il mio progetto, ho potuto ricevere un'immagine direttamente dal sensore ottico ed eseguire su di essa tutti i calcoli necessari.
Puoi notare la trama della superficie (carta) e persino le singole lettere su di essa. Va notato che una qualità dell'immagine così chiara è ottenuta grazie al fatto che gli sviluppatori di questo modello di mouse hanno aggiunto al design uno speciale supporto in vetro con una piccola lente direttamente sotto il sensore.
Se inizi a sollevare il mouse sopra la superficie anche di un paio di millimetri, la nitidezza scompare immediatamente.
Se all'improvviso vuoi ripetere l'operazione a casa, per trovare un mouse con un sensore simile, ti consiglio di cercare vecchi dispositivi con interfaccia PS/2.
Conclusione
Sebbene l'immagine risultante non sia molto grande, è stata sufficiente per risolvere il mio problema (scanner di codici a barre). Si è rivelato molto economico e veloce (un mouse per ~100 rubli + Arduino + un paio di giorni per scrivere il codice).Lascerò collegamenti a materiali che mi sono stati molto utili per risolvere questo problema. Non è stato davvero difficile ed è stato fatto con grande piacere. Ora sto cercando informazioni sui chip dei modelli più costosi dei mouse moderni per ottenere immagini di alta qualità con una risoluzione più elevata. Potrei anche essere in grado di costruire qualcosa come un microscopio (la qualità dell'immagine del sensore attuale chiaramente non è adatta a questo scopo). Grazie per l'attenzione!
Esistono due dispositivi di questo tipo: per posizionare il mouse orizzontalmente e verticalmente. Quando il mouse viene controllato in diagonale, sono coinvolti entrambi i coordinatori di posizione. Gli impulsi provenienti da due ricevitori IR (alloggiamenti di transistor IR a tre terminali) vengono inviati a un microcircuito (situato sul lato posteriore del circuito stampato) riempito di composto. Il suo tipo è designato SS-1HBA-1. Dall'uscita di questo microcircuito, attraverso induttanze attenuatrici delle pulsazioni, il segnale di controllo viene inviato al connettore contrassegnato J1 e quindi al PC tramite filo.
La piedinatura del connettore J1 è la seguente:
Pin 1 e 4 (conduttori nero e giallo del cavo di collegamento con il PC) – filo comune;
5 – “+ 5 V” (rosso);
2 e 3 (verde e bianco)
responsabilmente) è una sequenza di impulsi ad alta frequenza con un'ampiezza di 4,5 V. Gli ultimi due conduttori trasmettono al PC informazioni su un cambiamento nella posizione del mouse. Tuttavia, questi segnali sono difficili da utilizzare senza uno speciale dispositivo di decodificazione. Esiste quindi un modo più semplice per ricevere semplici segnali di controllo dal mouse (mentre si muove). Pertanto, il transistor IR Q1 (di fronte al LED IR IR1) è "responsabile" del movimento trasversale del mouse (sinistra, destra) e Q2 e, di conseguenza, IR2 sono responsabili del movimento longitudinale (diritto, avanti, indietro). È stato sperimentalmente possibile stabilire che in assenza di ostacoli tra il trasmettitore IR e il ricevitore, sui pin Q1 e Q2 (ad eccezione del pin centrale - c'è +5 V costante) è presente un livello di tensione elevato che varia su un valore basso non appena il ricevitore IR smette di ricevere il segnale del trasmettitore.
Riso. 3.22. Mouse meccanico per computer con custodia rimossa, vista del circuito stampato e meccanismo di posizionamento delle coordinate
Cioè, quando il mouse si muove, la palla agisce sull'ingranaggio, i cui denti si trovano tra il trasmettitore e il ricevitore del segnale IR. Lo stesso segnale di controllo (dal livello alto a quello basso) può essere “preso” dai contatti del ponticello contrassegnati sul circuito stampato JPD2 e JPD3 (evidenziati in Fig. 1). Sapendo dove collegare l'attuatore sulla scheda del mouse del computer (ad esempio, un dispositivo di segnalazione dello spostamento di un oggetto), non resta che occuparsi dell'adattatore elettronico che converte la variazione del livello logico in bip. Nella fig. La Figura 3.23 mostra un topo attaccato tra le corone di una casa di villaggio e una stalla ad essa collegata. Quando la casa si stabilizza, la distanza tra i tronchi cambia di un millimetro, il “mouse” dà immediatamente un segnale e il segnalatore “lancia l'allarme”.
Allo stesso modo è possibile controllare l'assestamento delle fondazioni, l'inclinazione delle porte, dei telai delle porte e di qualsiasi struttura (non solo quelle in legno) dove l'inclinazione, il movimento o lo spostamento di parti è indesiderato o pericoloso. Come dispositivo di segnalazione sonora, è possibile utilizzare il circuito mostrato in Fig. 3.24.
Come HA1 viene utilizzata una capsula sonora con generatore di frequenza audio integrato; deve essere collegata rispettando rigorosamente la polarità. La conduttività p-p-p del transistor VT1 si apre quando la tensione nel punto A è vicina allo zero, cioè nel momento in cui il mouse viene spostato.
Riso. 3.23. Metodo per installare il mouse di un computer come sensore di cedimento domestico
Non tentare di applicare una tensione superiore a 6 V al "riempimento elettronico" del mouse;
Riso. 3 24. Opzione di un circuito di allarme sonoro per il collegamento a un sensore di spostamento di oggetti sotto forma di mouse di computer
Quasi nessuno usa oggi i mouse meccanici (tutti sono passati a quelli ottici), quindi la sua “seconda vita” mi sembra molto interessante e utile come parte del dispositivo considerato per segnalare lo spostamento delle strutture portanti di una casa di paese. Naturalmente, questo sviluppo può essere applicato in altri casi, quando è richiesto un sensore di spostamento dell'oggetto altamente preciso. Il mouse di un computer soddisfa pienamente questi requisiti, se non altro perché qualsiasi suo movimento, anche di mezzo millimetro, genererà un cambiamento di livello dall'alto al basso. Dopo aver smontato il corpo del mouse meccanico, consiglio di soffiare con aria compressa i punti in cui sono fissati gli ingranaggi in plastica e la sfera di posizionamento, e di mettere anche una goccia di olio domestico sul fissaggio degli ingranaggi per ridurre l'attrito dovuto alla rotazione degli stessi. assi.
I mouse ottici non hanno parti meccaniche in movimento, sono più durevoli e il principio di funzionamento basato sulla riflessione di un segnale dalla superficie del tavolo consente di creare un originale interruttore luminoso retroilluminato senza contatto basato su un mouse ottico. Utilizzando come esempio il mouse ottico per computer Defender Optical 1330 (risoluzione 400 dpi), considereremo il dispositivo di controllo dell'illuminazione di seguito.
Letteratura: Kashkarov A.P. Dispositivi elettronici per intimità e comfort.
