1-5 ОРГАНИЗАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ИЗОБРАЖЕНИЕМ

После того как изображение на экране построено, возникает необходимость как-то взаимодействовать с ним или модифицировать его. Для этого был разработан ряд диалоговых устройств. Среди них можно назвать планшет, световое перо, рычаг, мышь, ручки для ввода скалярных величин, функциональные переключатели или кнопки и, разумеется, обычную алфавитно-цифровую клавиатуру. Прежде чем перейти к обсуждению этих физических устройств, рассмотрим функциональные возможности диалоговых графических устройств. Обычно насчитывается четыре или пять функциональных логических классов [1-2] —[1-4]. Логическими диалоговыми устройствами являются локатор, валюатор, селектор и кнопка. Из-за широкой распространенности алфавитно-цифровой клавиатуры ее часто выделяют в пятый класс, называемый клавиатурой. В действительности клавиатуру можно концептуально и функционально считать набором кнопок.

Функцией локатора является выдача координатной информации в двух или трех измерениях. Обычно выдаваемые значения координат являются нормализованными и могут быть как относительными, так и абсолютными. Валюатор применяется для ввода одиночной величины. Обычно это вещественное число между нулем и некоторым вещественным максимумом. Кнопка используется для выбора и активирования событий или процедур, управляющих сценарием диалога. Кнопка обычно представляет двоичную («включено» или «выключено») цифровую информацию. В функцию селектора входит идентификация или выбор объектов или подкартинок в выведенном изображении. Логическая клавиатура обрабатывает текстовую информацию. На рис. 1-6 показана типичная клавиатура.

Рис. 1-6 Алфавитно-цифровая клавиатура. (С разрешения фирмы Evans к, Sutherland Computer Corp.)

Наиболее общим устройством класса локаторов является планшет (рис. 1-7). Планшеты можно использовать либо отдельно, либо в комбинации с графическим дисплеем на ЭЛТ. В первом случае их часто называют оцифровывателями. Сам по себе планшет состоит из плоской поверхности и карандаша (похожего на обычный карандаш), который используется для указания точки на поверхности планшета. Обычно положение карандаша распознается, если он находится на небольшом расстоянии от планшета. При работе с ЭЛТ обратная связь на экране обеспечивается с помощью небольшого символа (курсора), отслеживающего перемещение карандаша по поверхности планшета. В случае когда обратная связь используется в качестве отдельного оцифровывателя, она обеспечивается с помощью цифровых отсчетов.

Планшеты выдают координатную информацию в двух или трех измерениях. На рис. 1-8 показан трехмерный планшет. Выдаваемые планшетом значения представлены в координатах устройства. Они программно преобразуются в пространство координат пользователя. Обычное разрешение и точность составляют от 0.025 до 0.0025 см.

Рис. 1-7 Типичный планшет. (С разрешения фирмы Adage.)

Рис. 1-8 Трехмерный звуковой планшет. (С разрешения фирмы Science Accessories Corp.)

При создании планшетов используется несколько различных принципов. В первом планшете RAND [1-5] применялась ортогональная сетка из отдельных проводов, расположенных под поверхностью. Каждый провод кодируется таким образом, чтобы карандаш, действующий как приемник информации, в каждой точке пересечения проводов получал уникальный цифровой код. Декодирование этого кода дает координаты карандаша . Очевидными ограничениями на разрешение таких матрично кодируемых планшетов является плотность размещения проводов и способность приемника обрабатывать уникальный код. Точность ограничивается линейностью конкретных проводов, а также их параллельностью в двух ортогональных направлениях.

В одной достаточно интересной реализации планшета применяются звуковые волны. Карандаш используется для создания искры электрического разряда, вызывающей звуковую волну. Она движется во всех направлениях от карандаша по поверхности планшета, образуя круговой звуковой фронт. На его краях в перпендикулярных направлениях смонтированы два чувствительных ленточных микрофона. Координатные расстояния можно определить с помощью точного измерения времени, за которое волна проходит с карандаша до микрофонов. Данную методику можно распространить на три измерения (рис. 1-8).

Наиболее популярны конструкции планшета, в основе которых лежит электромагнитный принцип. При этом электрические импульсы проходят через сетку из проводов, расположенных под поверхностью планшета. Время, за которое чередующиеся импульсы, параллельные координатным осям , проходят от края планшета до карандаша, определяется с помощью карандаша и соответствующих индикаторов. Эти данные легко преобразуются в координаты .

Сенсорная панель похожа на планшет и относится к классу локаторов. В типичной сенсорной панели на двух смежных сторонах расположены источники света, а на двух противоположных смежных сторонах смонтированы светочувствительные элементы. Любой предмет, например палец, прерывая два ортогональных луча света, позволяет определить пару координат . Из-за низкого разрешения этот прибор лучше всего использовать для грубых операций указания. С этой целью сенсорную панель часто монтируют поверх экрана ЭЛТ.

В таких локаторных устройствах, как рычаг, шар и мышь, в качестве делителя напряжения часто используются чувствительные переменные резисторы или потенциометры. Аналогичным образом реализуются и ручки для ввода скалярных величин, которые являются устройствами класса валюаторов. Точность всех этих устройств зависит от качества потенциометра и обычно колеблется от 0.1 до 10% всего диапазона измерения. Несмотря на то что разрешение потенциометра по существу бесконечно, его использование в цифровых системах требует аналого-цифрового (АЦ) преобразования. Обычно разрешение АЦ преобразователя изменяется в диапазоне от 8 до 14 бит, т.е. от 1/256 до 1/16384. Валюаторы также реализуются с помощью цифровых преобразователей углового положения, которые для каждого инкрементального угла поворота ручки выдают цифровой результат. Типичное разрешение — от 1/256 до 1/1024.

Типичным валюатором является рычаг (рис. 1-9). Подвижный рычаг обычно оборудуется двумя валюаторами — либо потенциометрами, либо преобразователями углового положения, смонтированными на основании прибора. Валюаторы выдают результаты, пропорциональные смещению ручки. В рычаг можно просто добавить третью степень свободы, используя, например, третий валюатор для измерения угла поворота. В качестве эха обратной связи рычага обычно употребляется графический курсор.

Шар во многом аналогичен рычагу (рис. 1-10). Чаще всего его можно встретить в радарных установках, например в системах управления воздушными перевозками. Сферический шар смонтирован в основании прибора, причем над поверхностью возвышается только его часть. Шар может свободно вращаться в любом направлении. В основании смонтированы два валюатора (потенциометры или преобразователи углового перемещения), которые улавливают поворот шара и выдают результаты, пропорциональные относительным величинам углов. Кроме обычной обратной связи через курсор, пользователи получают тактильную обратную связь в виде скорости поворота или углового импульса вращения шара.

Рис. 1-9 Рычаг. (С разрешения фирмы Measurement Systems, Inc.)

Рис. 1-10 Шар. (С разрешения фирмы Measurement Systems, Inc.)

Рычаг имеет фиксированное положение с фиксированным началом координат. Мышь и шар, напротив, характеризуются только относительным положением координат. Обычная мышь состоит из шара, касающегося поверхности и расположенного в маленьком, легком футляре. При движении мыши по поверхности шар вращается и управляет осями двух валюаторов (потенциометров или преобразователей углового перемещения). Совокупное движение осей дает координаты . Типичная мышь показана на рис. 1-11. Мышь можно поднять, переместить в любом направлении и поставить на поверхность, по-другому ориентировав. В этом случае изменяется система координат, в которой генерируются данные, т. е. меняется положение мыши, но не система координат, связанная с данными. Используемый для обратной связи курсор не движется, когда мышь не контактирует с поверхностью. Из-за проскальзывания шара возникает уменьшение точности. Совсем недавно в продаже появились устройства, работающие на оптическом или на магнитном принципе. В обоих случаях исключаются неточности, связанные с проскальзыванием.

Рис. 1-11 Мышь. (С разрешения фирмы Apple Computer, Inc.)

Возможно, простейшими из валюаторов являются ручки для ввода скалярных величин. Такие ручки, показанные на рис. 1-12, являются по существу чувствительными вращающимися потенциометрами или точными цифровыми преобразователями углового положения, которые обычно объединяются в группы. Такие устройства особенно удобны при задании параметров для функций поворота, переноса или масштабирования.

Кнопки и функциональные переключатели, показанные на рис. 1-13, являются переключателями рычажного или нажимного действия. Они могут быть постоянно нажаты, постоянно отжаты либо иметь кратковременный контакт. Наиболее удобный тип функционального переключателя объединяет в себе обе эти возможности. Обычно можно программно управлять световыми индикаторами, указывающими, какие переключатели или кнопки в данный момент активны. Кнопки и переключатели часто входят в состав других устройств. Например, на тонком конце карандаша планшета обычно располагается переключатель, срабатывающий при нажатии карандаша. На мыши также находится одна или несколько кнопок.

Рис. 1-12 Набор ручек для ввода скалярных значений. (С разрешения фирмы Evans к, Sutherland Computer Corp.)

Рис. 1-13 Функциональные кнопки. (С разрешения фирмы Adage.)

Единственным подлинным устройством указания является световое перо (рис. 1-14), которое содержит светочувствительный фотоэлемент и соответствующую электрическую цепь. Основная информация, передаваемая световым пером, связана с синхронизацией и зависит от того, что изображается на экране, и от порядка, в котором происходит его заполнение. Это исключает использование светового пера с дисплеями на запоминающей ЭЛТ (гл. 1-7). Его можно использовать только при дисплеях с регенерацией — векторных или растровых.

Рис. 1-14 Схема светового пера.

В тот момент, когда активизированное световое перо оказывается над той областью ЭЛТ векторного дисплея (гл. 1-8), в которой происходит рисование, дисплейному контроллеру посылается сигнал. Он позволяет определить конкретную команду в дисплейном буфере, выполняемую в данный момент времени, что дает возможность идентифицировать отрезок, объект или подкартинку на экране. Используя графический курсор, можно применять световое перо в качестве локатора для векторного устройства с регенерацией изображения.

Так как в растровом дисплее изображение генерируется в фиксированной последовательности, световое перо используется для определения горизонтальной сканирующей строки (координаты ) и позиции в этой строке (координаты ). Отслеживая программу в контроллере, можно снова определить, какой отрезок, объект или подкартинка были указаны. Этот метод несколько усложняется в случае чересстрочной развертки (гл. 1-12). Приведенное выше описание означает также, что для растрового устройства световое перо может быть использовано скорее всего как локатор, а не как устройство указания.

Несмотря на то что для всех логических устройств существуют соответствующие физические устройства, в конкретной реализации некоторые из них могут отсутствовать. Таким образом, необходимо уметь моделировать логические интерактивные устройства ввода. На рис. 1-15 приведен пример, в котором световое перо используется для моделирования функций логической кнопки путем выбора из меню световых кнопок.

Планшет — одно из самых универсальных физических устройств. Его можно использовать как оцифровыватель для получения координат . Вдобавок к этому оно прекрасно подходит для моделирования всяких логических интерактивных функций (рис. 1-16). Из этого же рисунка видно использование планшета в качестве локатора (позиция (а) на рис. 1-16). Используя графический курсор, можно реализовать функцию кнопки. Для этого с помощью карандаша планшета указываем курсором на кнопку меню (либо вблизи нее). Координаты, полученные с планшета, сравниваются с известными координатами  кнопок меню. Если обнаружено совпадение, то соответствующая кнопка активизируется (позиция (b) на рис. 1-16). Аналогичным образом на планшете можно реализовать клавиатуру (позиции (с) на рис. 1-16).

Рис. 1-15 С помощью выбора из меню световое перо используется для моделирования функции логической кнопки. (С разрешения фирмы Adage.)

Рис. 1-16 Использование планшета для моделирования всех логических интерактивных функций: (а) локатора, (b) кнопки, (с) клавиатуры, (d) валюатора, (е) селектора.

Отдельный валюатор обычно реализуется в сочетании с кнопкой. Конкретная функция для определения значения выбирается кнопкой, как правило, из меню. Затем валюатор можно смоделировать с помощью «числовой оси» (позиция (d) на рис. 1-16). Перемещение курсора вдоль оси генерирует координаты , одна из которых интерпретируется как процентное отношение к диапазону валюатора.

Функцию указания можно реализовать с помощью локатора путем определения относительных координат  и  небольшого «окна указания». Данное окно становится затем графическим курсором, и для его позиционирования используется карандаш планшета. Координаты  каждого из интересующих отрезков, объектов или подкартинок сравниваются затем с текущим местоположением. Если они попадают в пределы окна, то данный элемент считается указанным. Для сложных изображений программная реализация данного алгоритма может оказаться медленной, но при аппаратной реализации заметной задержки не будет. Несмотря на то что световое перо нельзя использовать в качестве оцифровывателя, его, подобно планшету, тоже можно применять для моделирования всех логических интерактивных функций.