2.7. Устройства естественного взаимодействия

Современные устройства естественного взаимодействия плохо поддаются подразделению на категории, ввиду того, что ежегодно в эту область привносятся серьёзные нововведения.

К устройствам естественного взаимодействия относятся устройства ввода, позволяющие человеку осуществлять ввод данных в компьютер естественным способом, используя прикосновения, голос, жесты.

Популярными устройствами естественного ввода на 2013 г. являются:

1. Сенсорные экраны, позволяющие осуществлять ввод данных касанием пальцев. Данная технология была повсеместно внедрена компанией Apple с выходом первой модели смартфона Apple iPhone. К этой же категории можно отнести сенсорные экраны с тактильной отдачей.

2. Устройства, использующие беспроводные контроллеры и датчики (акселерометры), определяющие положение этих контроллеров в пространстве (PlayStation Move, Wii Remote, Sega Activator). Используются с игровыми приставками.

3. Устройства, использующие инфракрасный проектор и CMOS- сенсор для построения карты глубины, по которой определяется положение человека перед сенсором и его жестикуляция. Примеры устройств: Microsoft Kinect, Asus X-tion. Данная технология принадлежит компании PrimeSense и имеет название LightCoding.

Рассмотрим каждую из этих категорий подробнее.

Сенсорные экраны. Данные устройства ввода представляют собой экран, реагирующий на прикосновения к нему (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Apple iPhone с сенсорным экраном

Сенсорные экраны могут использовать различные принципы для функционирования. Однако основными на сегодняшний день являются резистивная и емкостная технологии. Принцип действия резистивного сенсорного экрана иллюстрирует рис. 2.26.

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели 1 и гибкой пластиковой мембраны 4. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие 2. Пространство между стеклом и мембраной заполнено изоляторами 3, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y).

Рис. 2.26. Принцип действия 5-проводного резистивного сенсорного экрана

Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран (рис. 2.27) использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток.

Рис. 2.27. Принцип действия ёмкостного сенсорного экрана

Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток – это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.

Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят нетокопроводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90 %. Впрочем, проводящее покрытие, расположенное прямо на внешней поверхности, всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, лишь установленных в защищённом от непогоды помещении, не реагируют на руку в перчатке.

Устройства с акселерометрами. Самым знаменитым представителем этой группы стала игровая приставка Wii компании Nintendo. Устройство ввода этой приставки, Wii Remote (рис. 2.28), использует трехосный акселерометр и инфракрасную камеру производства компании PixArt Imaging Inc., чтобы определить свое направление и положение в пространстве.

Указующее направление устройства определяется по двум точкам (рис. 2.29). Над телевизором устанавливается планка с двумя рядами диодов инфракрасного диапазона излучения по обоим концам. Инфракрасная камера определяет положение обоих рядов в пространстве и вычисляет свое направление.

Рис. 2.28. Внутреннее устройство Wii Remote	Рис. 2.29. Принцип действия Wii Remote

Технология LightCoding компании PrimeSense. Наибольшее распространение получили сенсоры с небольшим инфракрасным проектором и CMOS-матрицей. Данные устройства также снабжаются и RGB-камерой.

Разработчиком технологии LightCoding является компания PrimeSense. С 2011 г. PrimeSense выпускает собственные сенсоры Carmine. По лицензии PrimeSense подобные продукты выпускаются и другими компаниями, например: Microsoft, Fotonic, Asus.

Последним шагом в этой области стал сенсор Capri от PrimeSense, который превосходит по характеристикам более старую технологию Carmine.

Принцип действия технологии LightCoding основан на проецировании множества инфракрасных точек на поверхность и последующем анализе полученного изображения. Чип PS1080 (рис. 2.30) использует данные с CMOS матрицы, чтобы рассчитать карту глубины. При этом, по заявлению PrimeSense, используются высокораспараллеливаемые алгоритмы обработки изображений. Таким образом, все вычисления происходят на чипе, и в компьютер передается уже обработанное изображение.

Рис. 2.30. Упрощенная схема сенсора PrimeSense

Среди 3D-камер, к которым относятся вышеприведенные сенсоры, на рынке для частного использования лидирует компания PrimeSense. Однако в промышленности по большей части используются лазерные LIDAR сенсоры и TOF (time of flight) камеры, которые определяют глубину изображения, измеряя время прохождения инфракрасного луча до объекта и обратно.

Основное применение данной технологии – это недорогое и довольно качественное 3D-сканирование различных объектов с их последующим преобразованием в трехмерную модель. Microsoft Kinect также используется как дополнительное периферийное устройство для игровой приставки Xbox.