Задача: быстро сделать датчик линейного перемещения из компьютерной мышки.

В обычных мышках прячется высокочувствительный оптический датчик. Там скрывается своя маленькая «камера» и процессор обработки, который отслеживает передвижения малейших точек на поверхности. В топовых мышках разрешающая способность составляет всего 3 мкм!

С какими подмышиными камнями мы столкнулись, плюс техническая часть, расскажем дальше!

Следующее ТЗ дал заказчик: сделать как можно скорее, с любой мышкой (возможно беспроводной), выводить на 7 сегментный индикатор, обнулять по кнопке, компьютер не подходит, нужна разрешающая способность 0.01 мм, максимальное расстояние 1000 мм.

Для начала как все это делалось:

Считывание координат xy с мышки: Реализовать считывание данных можно несколькими способами: а) Непосредственно с микросхемы оптического сенсора + Можно обойтись простым контроллером - Про универсальность можно забыть совсем б) Подключить мышку по USB к простым контроллерам (например к ардуино) + Простота и дешивизна - Надо паять - Под рукой была только arduino, а к ней можно подключить мышки совместимые с PS/2, а они обычно очень неточные. Можно было на stm32, но отладочные платы сильно подорожали, самому паять не было времени. (но если интересно, то несколько лет назад был такой похожий проект именно на stm32f4discovery) в) Взять какой нибудь простой одно платный компьютер. Под рукой был как раз Raspberri pi. + Подходит для любых USB мышек + Хорошая производительность - Дорого, но может избыточная мощность потребуется потом
В итоге, под нож хирурга легла Малина пи 3. Четыре 64 битных ядра A-53 по 1GHz, 512 МБ оперативки и много других космических для этой задачи циферок.

Задачка: Индикация должна быть на выданных 7-сегментных индикаторах. Получается нам необходимо по 6 цифр на одну координату, итого 12 индикаторов. Каждый индикатор имеет 7 ножек на цифры+ ножка на светодиод точки (dp), общий провод не считаем. Итого после простых расчетов получаем, что мы должны управлять 96 проводниками плюс нужна кнопка. 96 резисторов не очень хотелось тратить.

Послушайте!
Ведь, если светодиод зажигают - значит - это нужно один резистор?

Управлять сразу таким массивом ножек нету возможности. Выход есть! И даже несколько!

1) Использовать дополнительные микросхемы по типу max7219, или сдвиговые регистры, мультплексоры, и т.д.

Можно почти бесконечно наращивать количество индикаторов
- Max7219 оказалась с рабочим напряжением 5 В
- Не было под рукой ничего подходящего.

2) Можно сделать динамическую индикацию. В один момент времени зажигать только один светодиодный индикатор. Если индикаторы переключать очень быстро, то человеческий глаз не заметит подставы.
+ Нужно только 8 проводов и резисторов на один индикатор и 12 на переключение индикаторов. Плюс не забываем кнопку. Итого: всего 21 ножка против 96. Берем!
- Так как мы пытаемся управлять целым индикатором через один пин распберри, то максимальный ток у нас ограничен 50 мА. Всегда берем запас, и берем 35 мА на все 8 светодиодов (что не шибко). Еще к этому добавим быстрое переключение индикаторов. В итоге у нас каждый светит в 12 раз меньше положенного. Доработать можно 12 транзисторами, но оставил я это на потом, т.к. яркости в конечном счете хватило.

Теперь начинается софт:

На распберри пи надо поставить linux. Я поставил минимальный дистрибутив
RASPBIAN JESSIE LITE .

Далее через программу putty подключился к IP малинки, и дальше все через командную строку.
Чтобы было проще работать с GPIO(портами ввода и вывода) есть замечательная библиотека WiringPi .

Как устанавливать её и управлять портами, вы сможете найти много информации в сети, поэтому не буду подробно останавливать на этом.

Cd /home/pi sudo mkdir mouse cd /home/pi/mouse
Дальше открываем редактор и вставляем код с гита. ВАЖНО! Код писал на очень скорую руку!

Sudo nano
для выхода из редактора надо нажать Alt+x и сохранить файл с названием blinker.c. Дальше надо обязательно скомпилировать с указанием wiring pi:

Gcc -o mouse mouse.c -l wiringPi
Все! Теперь подключаем мышку, вставляем провода и запускаем!

Подключение проводов

// pin number declarations. We"re using the Broadcom chip pin numbers.

Const int p21pin = 2;
const int p22pin = 3;
const int p23pin = 4;
const int p24pin = 17;
const int p25pin = 27;
const int p26pin = 22;
const int p11pin = 10;
const int p12pin = 9;
const int p13pin = 11;
const int p14pin = 5;
const int p15pin = 6;
const int p16pin = 13;
const int papin = 8;
const int pbpin = 23;
const int pcpin = 12;
const int pdpin = 20;
const int pepin = 21;
const int pfpin = 24;
const int pgpin = 18;
const int pdppin = 16;

Const int butpin = 26;

sudo ./mouse
Автозапуск при загрузке:

Sudo nano /etc/rc.local и перед exit 0 дописать две строчки cd /home/pi/mouse sudo ./mouse &
Работать с этой прогой очень просто. по нажатию кнопки мыши или просто кнопки на плате идет обнуление. При долгом нажатии кнопки переходим в режим регулировки DPI. Это важный параметр который задается мышкой и показывает сколько отсчетов мы получим при движении на один дюйм. Соответственно копка на плате и на мышке прибавляет и убавляет DPI. Долго нажимаем, наше значение записалось в файл и надежно хранится до следующей загрузки системы. Для чистоты эксперимента в программе, индикация, получение информации с мышки и кнопка обрабатываются а параллельных процессах.

1. Оси X и Y на моей мышке были не параллельны боковым граням, приходилось для высчитывания реального расстояния пользоваться «пифагоровыми штанами».

2. Разрешающая способность не равно погрешность!

Простым языком - разрешающая способность действительно показывает минимальное перемещение, которое увидит мышка, (отсчеты в компьютере должны быть дискретны минимальной разрешающей способности). А вот что мышка ничего не пропустит, ничем не гарантируется. Можно уменьшить эту величину используя хорошие поверхности (чтобы оптический сенсор мог отслеживать перемещения), использовать небольшие скорости. Но пропуски будут всегда! Для пользователя это означает постоянный уход нуля и непрогнозируемую погрешность измерения.

3. USB HID по которому работает мышь не гарантирует доставку информации в компьютер! То есть неизвестно пропустил ли компьютер какую нибудь информацию с мышки или нет. Вероятность пропажи информации малая, но все же есть.

4. Настройки чувствительности(разрешающей способности) иногда хранятся не в мышке, а в программе для мышки.

5. Тут я сильно зол! Дело в том, что мышку я брал самую крутую из ассортимента Logitech, это самая продвинутая была на тот день модель logitech performance mx. Но какого было мое удивление, когда мышь давала разные погрешности при движении вперед и назад. ЭТО КАК? Поясню для пользователя. Если постоянно двигать мышку назад и вперед, то курсор ощутимо так все снижается и снижается. Это на любых платформах. Приходится периодически поднимать мышку и ставить на новое место. После того, как я заметил это, моя жизнь превратилась в кошмар! #Logitech

В простой компьютерной мышке имеется пара оптических датчиков, их можно применить в других целях. Такие же датчики используются например, чтобы определять положение какого то предмета, заперта ли дверь, или считывать количество оборотов вала. Самый оптимальный и удобный вариант, это использование уже готовой платы и микросхемы, особенно тогда, когда в системе нужно использование микроконтроллера, в них как правило уже есть входы поддержки интерфейса RS - 232. В случае если у вас нет такой возможности, то можете использовать схему, которая указана выше.

Этот датчик поделен на две части: принимающая (VD2) и передающая (VD1). Передающей является светодиод, который работает в ИК диапазоне, а принимающая часть, это пара фотодиодов в одном корпусе. Два - нужны для того, чтобы была возможность определять в какую сторону вращается колёсеко мышки (вверх или вниз).

R1 - даёт ток на светодиод. R2 нужен, чтобы преобразовывать ток фотоприёмника в напряжение (не использованная ножка VD2 является выходом второго фотоприёмника). Напряжение на этом сопротивлении изменяется от 1.5 Вольт (свет отсутствует) до 3.4 Вольт (свет присутствует). Нижний предел в 1.5 Вольта очень велик, для того чтобы переключать цифровую TTL схему, потому что порог переключения равен 0.8 Вольт. По этой причине применяется операционный усилок DA1 в режиме компаратора. Напряжение порога для него даёт резистивный делитель R3 и R4, которое составляет 2.5 Вольт. Можете считать, что с выхода DA1 поступает уже цифровой сигнал.

Чтобы уменьшить случайные наводки и ложные срабатывания, можете ввести гистерезис в уровни переключения DA1. Чтобы это сделать, нужно будет включить условно показанные резисторы R6 и R7 (R6 на разрыв между DA1 и R2). Чем ближе будет номинал R6 к R7 тем шире петля гестерезиса и тем дальше друг от друга будут уровни переключения из «0» в «1» и из «1» в «0». Таким образом при приведённых номиналах уровень переключения из «0» в «1» 2.8 Вольт, из «1» в «0» 2.1 Вольт.

Для примера показана простая схема индикации из светодиода и инвектора DD1 . Когда между VD1 и VD2 будет распологаться предмет, который мешает свету проходить, то будет загораться светодиод VD3.

Нужно учитывать возможность внешних воздействий, которые могут мешать. Этот датчик будет хорошо принимать излучение, как на стороне передатчика так и с противоположной стороны. Схема довольно чувствительна, она может реагировать даже на настольную лампу, по этой причине датчик лучше поместить в какой нибудь корпус, который будет защищать его от света.

Устройство и принцип работы оптической мыши

Сегодня оптической мышью уже никого не удивишь. Но лет десять назад, когда только появилось первое поколение оптических "грызунов", не многие могли похвастать таким диковинным манипулятором. А между тем, возможность перемещать курсор с помощью "грызуна" с красным светодиодом в "брюшке" была еще одним шагом вперед в компьютерных технологиях.

Вообще-то в первых оптических мышах было два светодиода, и один из них излучал свет в красном диапазоне, а другой - в инфракрасном. Соответственно было и два фотодиода, которые работали "в паре" с вышеозначенными светодиодами. Для такой мыши был необходим специальный коврик с поверхностью из специального светоотражающего материала, на который наносилась мелкая сетка из синих и перпендикулярных им черных линий. Синие линии поглощали свет красного светодиода, а черные - инфракрасного.

Таким образом, один фотодиод "замечал" проход над синими линиями коврика, а другой - над черными. В момент прохода над линией фотодиод генерировал соответствующий электрический импульс. Контроллер мыши, подсчитывая импульсы, определял направление и величину перемещения.

Можно сказать, что коврик выполнял функцию, аналогичную той, которую выполняет вся механическая часть в оптико-механической мышке (обычная мышь с шариком, которую многие, наверное, не раз разбирали).

К достоинствам таких мышей можно отнести отсутствие движущихся и инерционных частей, надежность в работе, точность позиционирования. А к недостаткам - коврик, который требовал постоянного ухода и чистки, ну и, как всегда (куда ж без денег), - высокую стоимость. К тому же, при утрате или повреждении коврика мышь утрачивала свою работоспособность. Но в 1999 году фирмой Agilent Technologies была разработана своя технология оптической навигации, для которой коврик и вовсе не требовался. И так как на сегодняшний момент фирмой Agilent выпущено более 75 миллионов сенсоров различных модификаций для оптических мышей, то можно предположить, что данная технология пришлась ко двору как производителям, так и пользователям. К тому же, вышеозначенная фирма выпускает не только оптические сенсоры, но еще и практически все необходимые компоненты для сбора оптической мыши (этакий наборчик "сделай сам" (см. рис.1)), что делает доступным производство оптических мышей даже для небольших (так и хочется добавить "китайских") компаний. На рис.1 показаны два варианта линзы и зажима. Но какой бы из них ни предпочел производитель, принципиально на работу оптической системы это не влияет.

Суть данной технологии заключается в следующем: оптический сенсор последовательно считывает изображения поверхности (кадры), а затем математически определяет направление и величину перемещения.

красный

светодиод

зажим для светодиода

Полная оптическая система состоит из четырех компонентов: оптического сенсора, линзы, красного светодиода и зажима для светодиода. Как она выглядит в собранном виде, можно посмотреть на рис.2.

Оптический

Оптический сенсор включает в себя три функциональных блока: систему считывания изображения (IAS); цифровой сигнальный процессор(DPS); последовательный интерфейс передачи данных.

Конструктивно же оптический сенсор представляет собой микросхему с шестнадцатью ножками (хотя есть вариант и с восемью), на нижней части которой (со стороны ножек) расположен объектив.

За объективом расположена монохромная КМОП (CMOS) камера, которая и фотографирует небольшой участок поверхности площадью около квадратного миллиметра. Кадр поверхности разбивается на маленькие участки (квадраты). Для каждого такого участка вычисляется усредненное значение яркости. Диапазон присваиваемых значений - от 0 до 63, где 0 присваивается черному участку, а 63

Белому. Таким образом, получается мозаичное изображение, состоящее из квадратов различной яркости. Вот один такой квадрат, т.е. элемент изображения, и является точкой привязки, а точнее сказать, одним отсчетом (см. рис.3). И разрешающая способность оптической мыши определяется в отсчетах на дюйм (counts per inch), т.е. cpi, а не dpi, как у обычных мышей. Фирма Agilent выпускает сенсоры с разрешением как 400, так и 800 cpi, причем модели с разрешением 800 cpi могут быть запрограммированы на работу с разрешением 400 cpi. К слову сказать, некоторые фирмы в технических характеристиках своих оптических мышей заявляют разрешение в 420 или 500 cpi. Но просматривая техническую документацию на различные сенсоры, таких характеристик я не встречал. А в то, что какая-нибудь небольшая китайская компания выпускает сенсоры собственной разработки, когда такой признанный авторитет в этой области "мышестроения", как Logitech, покупает их у Agilent, очень слабо верится. И если уж я упомянул Logitech, то хочу добавить, что большинство своих моделей, за исключением самых дешевых, она снабжает сенсорами с разрешением в 800 cpi.

Но вернемся назад к технологии. Помня о том, что сенсор фотографирует очень небольшой участок поверхности, а курсор по экрану должен двигаться плавно и без запаздывания, а для этого последовательно считываемые кадры поверхности должны накладываться друг на друга с небольшим смещением, поверхность фотографируется с очень большой скоростью - 1500 снимков в секунду. Это позволяет перемещать мышь со скоростью до 12 дюймов (30 сантиметров) в секунду. Также существуют варианты сенсоров, которые фотографируют поверхность со скоростью в 2000 или 2300 снимков в секунду и позволяют перемещать мышь со скоростью в 14 дюймов (35 см) в секунду. Причем фирма Microsoft заявляет, что в ее последних разработках находятся сенсоры со скоростью съемки в 6000 кадров в секунду. Опять же, технического описания на

такой сенсор я не видел, но думаю, что в данном случае такое вполне возможно. Все вышерассмотренное относится к системе считывания изображения. Далее отснятые кадры обрабатываются цифровым сигнальным процессором по специальному, естественно, запатентованному алгоритму. Сравнивая полученные кадры, процессор определяет величину и направление перемещения мыши (см. рис.3), после чего преобразует эти данные в координаты.

Так как кварцуются сенсоры в большинстве своем генератором с частотой 18 МГц (есть варианты на 24 МГц), то можно предположить, что мощность цифрового процессора составляет 18 миллионов операций в секунду. Затем вычисленные координаты при помощи последовательного интерфейса передаются в компьютер. Первые модели сенсоров умели "общаться" с компьютером по интерфейсу PS/2, а для работы по интерфейсу USB требовался дополнительный контроллер. Кстати, частота посылки координат по умолчанию при использовании интерфейса USB - 125 раз в секунду, PS/2 - 100 раз. Но через последовательный порт могут устанавливаться некоторые параметры самого сенсора - в частности, разрешающая способность и частота посылки координат.

Теперь рассмотрим назначение других компонентов оптической системы. Так как под мышкой темно даже днем, то поверхность, которую фотографирует сенсор, необходимо подсвечивать. Камера сенсора настроена на восприятие света в красном спектре излучения (l= 639 nm). Поэтому и используется красный светодиод, главная задача которого - даже минимальным количеством излучаемого света обеспечивать работу сенсора на всей рабочей поверхности. Чем выше яркость освещения, тем на большем количестве поверхностей будет работать сенсор.

Чтобы обеспечить равномерное освещение поверхности, свет от светодиода проходит по световоду и рассеивается линзой. Через другую линзу сенсор считывает изображение поверхности. Конструктивно две линзы и световод выполнены как одна деталь и называются один словом "линза".

Кроме функции рассеивания и фокусирования света, линза выполняет еще одну важную функцию - защиту сенсора от разряда электростатического напряжения. Понятно, что линза должна располагаться на строго определенном расстоянии от рабочей поверхности и от сенсора. Поэтому печатная плата (PCB) и опорная поверхность (base plate), на которые устанавливаются элементы оптической системы, должны иметь строго определенные параметры, в том числе и по толщине. Ну и последний элемент оптической системы - это защелка. Служит она для фиксации элементов оптической системы относительно друг друга.

На этом можно оставить оптическую систему в покое и поговорить о поверхности, на которой должна работать данная система. Так как сенсор использует микроскопические особенности поверхности, то чем больше таких особенностей, тем лучше. К таковым можно отнести поверхности с хорошей текстурой (чем обладает любая ткань) и узорчатыми особенностями. Да и на обычной белой бумаге оптические мыши работают совсем неплохо. А вот с любой отражающей поверхностью сенсор работает плохо, будь то зеркало, стекло либо просто пластиковая поверхность коврика. Также к числу "плохих" поверхностей относятся полутоновые поверхности и коврики с трехмерным изображением.

Но как бы то ни было, такие положительные моменты, как отсутствие движущихся частей, точное позиционирование, плавные и легкие движения делают оптическую мышь довольно привлекательным объектом для покупки.

И если взять мыши в ценовой категории до 20 у.е., то, скорее всего, они будут иметь один и тот же тип сенсора и, соответственно, идентичные характеристики. В этом случае стоит обратить внимание на эргономику изделия, наличие

дополнительных кнопок, качество материалов и имя производителя. К тому же, важным моментом для оптических мышей является качество сборки. И если название фирмы вы слышите в первый раз, то стоит задуматься, брать такую мышь или нет. Во всяком случае, перед покупкой совсем не помешает почитать обзоры, посвященные конкретным моделям.

Вот, пожалуй, и все. Всего хорошего.

Игорь Масловский, [email protected]

Световод приподнят над микросхемой

Линза и рассеиватель

Вид на объективную часть оптической мыши

Вид снизу на объективную часть в собранном состоянии

#Тип_сенсора

Принято считать, что лазерный сенсор мышки лучше оптического, однако на самом деле все зависит от задач, выполняемых на компьютере. Если от мышки требуется абсолютно точное позиционирование при любых скоростях ее перемещения, то преимущества у оптических мышей. По этой причине оптические мышки наилучшим образом подходят для профессиональных геймеров, дизайнеров и фотографов. Обычно оптические манипуляторы объединяют в группу игровые мыши , так как именно геймеры являются их основными покупателями. Если от мышки требуется универсальность, то есть работа на любой поверхности и достаточно высокая точность, то предпочтительнее устройства с лазерными сенсорами, популярные среди начинающих геймеров, офисных работников и среди тех, кто много путешествует с ноутбуком.

Игровые сенсоры среднего качества

Pixart Avago ADNS9800
Pixart Avago ADNS9500
Pixart Avago А3090
Pixart Avago A3059
Pixart Avago AM010
Pixart Avago PMW3320
Pixart Avago ADNS-3095
Pixart Avago ADNS-3888

Профессиональные игровые сенсоры

Pixart Avago PMW3310
Logitech Mercury
Pixart Avago S3988
Pixart Avago PMW3366
Pixart Avago PMW3360
Pixart Avago PMW3389

Попробуем объяснить вышесказанное. Сердцем любой компьютерной мышки является сенсор, который отвечает за регистрацию перемещений мышки по поверхности. При появлении операционных систем с графическим интерфейсом наиболее распространенным способом регистрации перемещений использовавшихся в то время шариковых мышек был оптико-механический сенсор. Из-за малой точности, требовательности к рабочей поверхности и необходимости очень частой чистки такие мышки ушли в историю, уступив место современным оптическим и лазерным сенсорам. Строго говоря, деление на оптические и лазерные мышки довольно условное. Принцип работы оптических и лазерных мышей один и тот же, различие кроется в типе источника света. У оптических мышей это обычный светодиод, а у лазерных – инфракрасный лазер. В дальнейшем, если уточнение не требуется, будем использовать термины «оптическая мышь» и «оптический сенсор».

Итак, что же представляет собой оптический сенсор? Ответ на данный вопрос прост – это источник света, миниатюрная видеокамера и специальная микросхема, регистрирующие направление и скорость перемещения мышки по поверхности стола. Процесс регистрации выглядит следующим образом:

1. Источник света, расположенный под острым углом относительно нижней стороны мышки, создает тени в районах микронеровностей, имеющихся на практически любой поверхности, повышая контрастность изображения.
2. Миниатюрная камера делает снимки рабочей поверхности с очень высокой частотой (10 кГц или выше)
3. Микросхема последовательно, кадр за кадром, анализирует полученные изображения и конвертирует их в изменения координат курсора.

Из-за меньшей стоимости красных светодиодов и большей чувствительности кремниевых фотоприемников к красному цвету практически все недорогие оптические мышки используют в качестве источника света именно красный светодиод. В более продвинутых моделях могут использоваться светодиоды других цветов, в том числе излучающие свет в невидимом человеческим глазом спектре.

Как уже говорилось выше, в лазерных мышках в качестве источника света используется инфракрасный лазерный диод. Из-за когерентности лазерного излучения фокусировка на рабочей поверхности осуществляется гораздо точнее и для работы этой мыши требуются микронеровности поверхности с гораздо меньшим размером, чем это необходимо для оптической мыши. По этой причине для повседневного использования лучше подходит лазерная мышь, так как она абсолютно одинаково хорошо работает как на тканевом коврике, так и на стеклянной поверхности.

Если речь заходит о компьютерных играх, то точность лазерных сенсоров становится избыточной. Проблема в том, что лазерные компьютерные мышки собирают бесполезную информацию, поэтому при медленном перемещении мыши появляется дрожание курсора. Ошибки отслеживания связаны с избыточными данными, передаваемыми в компьютер. Несмотря на то, что инженеры борются с этой особенностью лазерных сенсоров, причем небезуспешно, лазерные мышки по-прежнему не могут похвастаться идеальной точностью позиционирования в играх. По этой причине профессиональные киберспортсмены зачастую выбирают именно оптические мышки с самыми передовыми сенсорами.

В подавляющем большинстве ныне выпускаемых манипуляторов типа «мышь» используются оптические датчики регистрации перемещений. Однако не все они устроены одинаково: в настоящее время получили распространение несколько технологий, каждая из которых имеет свои особенности. Их мы и рассмотрим в данном обзоре.

Массовое внедрение оптических сенсоров в серийно выпускаемых моделях началось в конце 90-х годов и произвело поистине революционные изменения в сфере компьютерных манипуляторов. Поначалу оптические мыши были заметно дороже моделей с катающимся шариком и оптомеханическими датчиками, но, даже несмотря на это, новая конструкция быстро завоевала симпатии пользователей благодаря целому ряду важных достоинств. Во­первых, благодаря отсутствию движущихся частей оптический датчик значительно надежнее оптомеханического и к тому же не нуждается в регулярной чистке. Во­вторых, оптические сенсоры обеспечивают более высокую точность: даже у первых моделей величина этого показателя составляла не менее 400 cpi (counts per inch - отсчетов на дюйм). Если оперировать более привычными единицами измерения, то это означает, что манипулятор способен зафиксировать перемещение всего на 0,06 мм. В-третьих, оптические датчики стабильно работают на самых разных поверхностях. Во многих случаях это позволило отказаться от специальных ковриков, которые были неизменным атрибутом рабочего места пользователя ПК в эпоху мышей с оптомеханическими датчиками.

Напомним принцип работы оптического датчика регистрации перемещений. Независимо от варианта реализации он включает три основных компонента: источник света, миниатюрную видеокамеру и специализированный микропроцессор (DSP). Миниатюрная видеокамера в течение всего одной секунды способна запечатлеть до нескольких тысяч снимков поверхности, по которой перемещается манипулятор. Для получения достаточно контрастных изображений с такой частотой необходимо яркое освещение. Обычно в качестве источника света используется светодиод с фокусирующей линзой или маломощный полупроводниковый лазер. Снятые камерой изображения преобразуются в цифровой вид и непрерывным потоком передаются в DSP, который в режиме реального времени обрабатывает эти данные, рассчитывая направление и скорость перемещения манипулятора.

Миниатюрная видеокамера, АЦП и специализированный процессор объединены в одной микросхеме (рис. 1), благодаря чему мыши с оптическими датчиками отличаются простотой конструкции и могут быть выполнены в очень компактном и легком корпусе (причем не всегда напоминающем привычную мышь - взять, к примеру, надевающуюся на палец модель Genius Ring Mouse, показанную на рис. 2).

Рис. 1. Главный «орган чувств» оптической мыши -
микросхема микропроцессора со встроенной видеокамерой.
Справа от нее находятся светодиод и фокусирующая линза

Рис. 2. Оригинальная мышь
Genius Ring Mouse столь мала,
что ее можно надеть на палец наподобие перстня

Кстати, «недовес» порождает специфическую проблему: чересчур легкий манипулятор может самопроизвольно перемещаться по столу, увлекаемый весом кабеля, служащего для соединения с ПК. Именно поэтому внутри корпуса многих моделей с проводным подключением установлены металлические пластины-утяжелители, а конструкция некоторых игровых мышей позволяет регулировать вес корпуса путем установки съемных кассет с набором калиброванных грузиков. В моделях с беспроводным подключением подобные ухищрения обычно не требуются: роль балласта выполняют батарейки или аккумуляторы, от которых питается мышь.

Технологии, применяемые в оптических датчиках регистрации перемещений, постоянно развиваются. Разработчики многих компаний занимаются усовершенствованием существующих конструкций, а также создают и внедряют принципиально новые решения. Разумеется, в рамках этого обзора мы не будем рассматривать все технические нюансы, в том числе и потому, что многие из них представляют собой ноу­хау производителей и информация о них держится в строжайшем секрете. Впрочем, для наших целей это и не требуется. Чтобы понять принципиальные различия оптических датчиков регистрации перемещения разных конструкций, достаточно обратить внимание на следующие особенности:

• тип и длину волны используемого источника света;
• угол наклона излучаемого источником света луча (светового пучка) относительно плоскости рабочей поверхности;
• угол наклона оптической оси объектива видеокамеры сенсора относительно плоскости рабочей поверхности;
• и наконец, на то, какой свет попадает в объектив камеры - рассеянный либо отраженный от рабочей поверхности.

На этом завершим вступительную часть и перейдем к рассмотрению различных типов оптических сенсоров, используемых в современных мышах.

«Классическая» оптика

Конструкция оптического датчика регистрации перемещений, который в конце 90-х - начале 2000-х годов пришел на смену оптомеханической системе с катающимся шариком (и, кстати, широко применяется до сих пор), была разработана инженерами компании Agilent Technologies. Схема его устройства показана на рис. 3, а внешний вид - на рис. 4.

Рис. 3. Схема устройства оптического датчика
традиционной конструкции

Рис. 4. Внешний вид оптического сенсора с красным светодиодом.
С левой стороны виден объектив видеокамеры

Рассмотрим отличительные особенности описанного варианта оптического датчика, который для ясности мы далее будем называть оптическим датчиком (или сенсором) традиционной конструкции.

Как видно на приведенной схеме, источником света служит красный светодиод. Поскольку этот полупроводниковый прибор формирует достаточно широкий световой пучок, а освещать требуется небольшую площадь (менее 100 мм 2), то для повышения эффективности использования световой энергии применяется фокусирующая линза. Сфокусированный этой линзой световой пучок освещает рабочую поверхность под довольно острым углом - примерно 25°. Это сделано специально для того, чтобы получать отчетливый свето­теневой рисунок даже на поверхностях с незначительным микрорельефом. Оптическая ось объектива камеры такого сенсора перпендикулярна плоскости рабочей поверхности и, таким образом, считывает рассеянный свет.

Сегодня мыши с оптическими сенсорами традиционной конструкции составляют основу парка компьютерных манипуляторов, причем эксплуатируемых как с настольными, так и с портативными системами. В продаже представлен широчайший ассортимент таких моделей как с проводным, так и с беспроводным подключением, что позволяет без труда подобрать подходящий вариант на любой вкус и кошелек. Благодаря большим объемам производства цена этих устройств значительно снизилась: младшие модели манипуляторов с проводным подключением сейчас можно приобрести всего за 100 руб. И даже такая мышь вполне способна прослужить своему владельцу несколько лет, практически не требуя обслуживания.

Конечно, наряду с упомянутыми выше достоинствами у мышей, оснащенных оптическими сенсорами традиционной конструкции, есть определенные недостатки. В первую очередь это касается «вездеходных» качеств: есть немало поверхностей, на которых они работают нестабильно (при равномерном движении мыши курсор перемещается рывками, а при остановке начинает «плясать»), а на некоторых (таких как прозрачное стекло, зеркало, полированное дерево и т.д.) оптический датчик и вовсе отказывается функционировать.

Лазер вместо светодиода

Важной вехой эволюции оптических мышей стало создание так называемых лазерных сенсоров. Первый лазерный датчик, предназначенный для использования в мыши, был создан сотрудниками компании Agilent Technologies. Если посмотреть на схему его устройства, приведенную на рис. 5, то нетрудно заметить несколько принципиальных отличий его от традиционного оптического.

Рис. 5. Схема устройства лазерного сенсора

Во­первых, как явствует из названия, источником света служит не светодиод, а полупроводниковый лазер. Работает он в невидимом для нашего глаза инфракрасном диапазоне (длина волны - 832-852 нм), так что привычного свечения под корпусом работающего манипулятора в данном случае нет. Чем же лазер лучше светодиода? Основное преимущество лазера заключается в том, что излучаемый им свет имеет когерентную природу - это позволяет получить гораздо более контрастное и детальное изображение поверхности (рис. 6). Во­вторых, значительно (примерно до 45°) увеличен угол падения луча. И в­третьих, оптическая ось объектива видеокамеры расположена под таким же углом, под каким свет от источника падает на рабочую поверхность. Таким образом, видеокамера лазерного сенсора считывает не рассеянный, а отраженный от поверхности свет.

Рис. 6. На гладкой поверхности обычный оптический сенсор
считывает слишком нечеткое изображение (слева). Лазерный сенсор позволяет
получить более контрастную и детальную картинку

Чего же удалось достичь благодаря описанным изменениям? Во­первых, обеспечить стабильную работу датчика на гладких поверхностях, имеющих очень слабо выраженный микрорельеф - то есть там, где оптические датчики традиционной конструкции ведут себя нестабильно или вовсе перестают функционировать. Во­вторых, удалось значительно повысить разрешающую способность сенсора (и соответственно, точность регистрации перемещений).

Увы, не обошлось без побочных эффектов, обусловленных одной из конструктивных особенностей лазерного сенсора, а именно считывания отраженного от рабочей поверхности луча. От поверхности, изготовленной из прозрачного материала (стекла, пластика и т.д.), отражается совсем незначительное количество попавшего на нее света, и в этом случае интенсивности светового потока попросту не хватает для того, чтобы сенсор был способен считать достаточно контрастное изображение. Схожая проблема возникает на неровных поверхностях, в частности на тканях с выраженной фактурой. При попадании на выступ или углубление луч рассеивается либо отражается под другим углом - в обоих случаях в объектив видеокамеры попадает слишком мало света.

При работе на непрозрачных материалах с полированной и глянцевой поверхностью возникает обратная ситуация: отраженного света слишком много и яркие блики «ослепляют» светочувствительный сенсор. Естественно, что в обеих ситуациях стабильная работа датчика становится невозможной.

Первые прототипы манипуляторов с лазерным сенсором конструкции Agilent Technologies были представлены публике в начале 2004 года. В сентябре того же года компания Logitech начала выпуск мыши MX-1000 - первого в мире серийного манипулятора, оснащенного лазерным сенсором.

В середине 2005 года компания Agilent Technologies начала поставки готовых модулей датчиков перемещения на базе сенсоров LaserStream всем заинтересованным производителям, и вскоре лазерные мыши появились в ассортименте многих компаний. Некоторые производители (в частности, Microsoft) пошли собственным путем, самостоятельно разработав лазерные сенсоры для своих манипуляторов. В настоящее время мыши с лазерными сенсорами представлены в линейках многих компаний.

Вопреки ожиданиям производителей, появление мышей с лазерными сенсорами не вызвало большого ажиотажа. Отчасти это объясняется тем, что мыши с оптическими сенсорами традиционной конструкции вполне удовлетворяли потребности большинства пользователей. Кроме того, модели с лазерными датчиками поначалу были значительно дороже, что также не способствовало росту их популярности. В итоге лазерные модели привлекли внимание главных образом ценителей технических новинок и любителей динамичных компьютерных игр.

Лучше, чем лазер

В 2006 году компания A4Tech внедрила усовершенствованный вариант оптического сенсора, который получил название G-laser (сокр. от Greater than laser - лучше, чем лазерный). Обратим внимание на две отличительные особенности такого датчика. Во­первых, это система двойной фокусировки отраженного луча, обеспечивающая стабильную работу сенсора на глянцевых и пестрых поверхностях (ноу­хау компании A4Tech). Во­вторых, для подсветки рабочей поверхности используется не один, а два источника света. Аналогично лазерному сенсору датчик G-laser считывает отраженный от поверхности свет.

В серийно выпускаемых манипуляторах получили распространение два варианта датчика G-laser, различающиеся типом источника света. В одном случае это два светодиода, а в другом - светодиод и полупроводниковый лазер, работающие в инфракрасном диапазоне. Первый вариант датчика G-laser устанавливался в манипуляторах A4Tech серии Х5 (ныне снятых с производства), второй используется и по сей день в моделях A4Tech серии Х6 (одна из них представлена на рис. 7), а также в устройствах ряда других производителей (в частности, Canyon).

На многих типах поверхности манипуляторы с датчиком G-laser действительно работают гораздо стабильнее своих лазерных собратьев, в полной мере оправдывая слоган Greater than laser. В частности, это относится к прозрачному и глянцевому пластику, а также к некоторым видам тканей. Однако и мышам с датчиком G-laser подвластны не все поверхности: на зеркале и чистом прозрачном стекле они не работают.

Рис. 7. A4Tech Glaser Mouse X6-90D - одна из ныне выпускаемых мышей,
оснащенных датчиком G-laser Х6

Важным конкурентным преимуществом моделей с датчиком G-laser является доступная цена: стоимость младших моделей ниже по сравнению с аналогами, оснащенными лазерными сенсорами.

«Синеглазые» мыши, версия Microsoft

В сентябре 2008 года компания Microsoft представила первые серийные модели мышей, оснащенные оптическим сенсором BlueTrack (одна из них показана на рис. 8). Как и в оптическом датчике традиционной конструкции, источником света служит светодиод. Правда, не привычный красный, а модный синий (отсюда, собственно, и название BlueTrack). Теоретически это позволяет получить определенное преимущество, поскольку длина волны синего света примерно в полтора раза короче по сравнению с красным (и почти вдвое - по сравнению с инфракрасными источниками). Таким образом, синее освещение позволяет камере зафиксировать более мелкие детали микрорельефа рабочей поверхности. Однако стоит учитывать, что в данном случае речь идет о деталях размером в десятые доли микрона, и сложно утверждать наверняка, позволяют ли параметры оптического тракта и светочувствительного сенсора реализовать это преимущество на практике.

Рис. 8. Microsoft Explorer Mouse - один из первых манипуляторов,
оснащенных сенсором BlueTrack

Есть немало скептиков, полагающих, что на использовании именно синего светодиода настояли вовсе не инженеры, а маркетологи. Ведь отличить цвет свечения под «брюшком» мыши сможет даже технически неграмотный пользователь (разумеется, если он не дальтоник). Остается лишь придумать и запустить в массы красивый миф о преимуществах синей подсветки над красной - благо с решением подобных задач опытные маркетологи справляются без труда.

Но вернемся к технике. Площадь пятна, изображение которого считывает камера сенсора BlueTrack, в 4 раза больше по сравнению с оптическим датчиком традиционной конструкции. Благодаря этому в «поле зрения» камеры попадает гораздо больше деталей, что, в свою очередь, обеспечивает более стабильную работу датчика на гладких поверхностях. Есть у BlueTrack и кое­что общее с лазерным сенсором: в объектив камеры попадает отраженный от рабочей поверхности луч.

Так или иначе, но желаемый результат был достигнут: мыши с датчиком BlueTrack действительно работают на многих поверхностях, неподвластных манипуляторам с традиционными оптическими и лазерными сенсорами, - в частности на материалах с гладким и глянцевым покрытием, на большинстве тканей и т.д.

В настоящее время сенсоры BlueTrack используются в ряде проводных и беспроводных мышей, выпускаемых компанией Microsoft, например в Comfort Mouse 3000/4500/6000, Wireless Mouse 2000/5000, Wireless Mobile Mouse 3500/4000/6000 и др. Несмотря на относительно широкий ассортимент представленных моделей, массовыми подобные манипуляторы пока не стали. Отчасти это объясняется их довольно высокой ценой: модель с сенсором BlueTrack обойдется дороже аналогов, оснащенных оптическим или лазерным датчиком.

В темном поле

В августе 2009 года швейцарская компания Logitech анонсировала беспроводные мыши Performance Mouse MX и Anywhere Mouse MX. Главной новинкой, внедренной в этих моделях, стал сенсор на базе технологии Darkfield Laser Tracking.

В отличие от своих коллег из Microsoft, разработчики Logitech предпочли взять за основу конструкцию лазерного сенсора. А принципиальным новшеством стало использование метода микроскопии в темном поле (отсюда и название технологии - Darkfield) вместо считывания отраженного от рабочей поверхности изображения.

Как видно на рис. 9, оптическая ось объектива видеокамеры этого сенсора перпендикулярна плоскости рабочей поверхности. Поскольку источник света установлен под углом к поверхности, то лучи от ее ровных участков отражаются под тем же углом и в объектив камеры не попадают. Таким образом, камера фиксирует только те объекты, которые рассеивают падающий на них свет, - микроскопические царапины, неровности, пылинки и т.п. В результате сенсор считывает изображение своеобразной «карты дефектов» поверхности, которая напоминает вид звездного неба (рис. 10).

Рис. 9. Благодаря применению метода микроскопии
в темном поле лазерный датчик Darkfield способен работать
на гладких и прозрачных поверхностях

Рис. 10. Так выглядит изображение,
считываемое светочувствительным сенсором
датчика Darkfield на гладкой поверхности,
изготовленной из прозрачного материала

В реальных условиях эксплуатации даже на чистой и идеально гладкой (как нам кажется) поверхности найдется достаточно много объектов, которые сумеет «разглядеть» камера сенсора. Это невидимые невооруженным глазом микроскопические трещины и царапины, частички пыли, ворсинки, отпечатки пальцев, остатки моющих средств и т.д. Благодаря этому сенсор на базе технологии Darkfield Laser Tracking способен работать даже на прозрачных и гладких поверхностях, не имеющих явно выраженного микрорельефа. Данное решение обеспечивает стабильную работу манипулятора на множестве разнообразных поверхностей, включая прозрачное стекло толщиной 4 мм и более.

Хотя после дебюта Darkfield Laser Tracking прошло уже больше двух лет, данная технология до сих пор является наиболее эффективной среди решений, применяемых в серийно выпускаемых манипуляторах. Однако у нее есть и существенный недостаток - высокая цена устройств. Обе модели, оснащенные такими сенсорами, представлены в высшей ценовой категории - так что ожидать ажиотажного спроса на эти устройства было бы чересчур оптимистично. Особенно учитывая то обстоятельство, что анонс этих продуктов состоялся в разгар экономического кризиса.

В настоящее время в продаже представлены лишь два манипулятора, оснащенные сенсорами Darkfield Laser Tracking, - Logitech Performance Mouse MX (рис. 11) и Anywhere Mouse MX.

Рис. 11. Беспроводная мышь Logitech Performance Mouse MX,
оснащенная сенсором на базе технологии Darkfield Laser Tracking

Строго по вертикали

В начале нынешнего года компания A4Tech представила первые серийные модели манипуляторов, оснащенные оптическими сенсорами V-Track Optic 2.0 (из соображений удобочитаемости далее по тексту мы будем называть их просто V-Track). Как и в обычном оптическом датчике, источником света в них служит красный светодиод. Однако в остальном конструкция этого сенсора имеет ряд принципиальных отличий.

Луч сфокусирован в узкий пучок (площадь отверстия в нижней панели корпуса мыши - всего 5 мм 2) и направлен строго перпендикулярно к плоскости рабочей поверхности. Камера датчика V-Track считывает отраженный луч; оптическая ось ее объектива перпендикулярна плоскости рабочей поверхности (рис. 12).

Рис. 12. Схема работы датчика V-Track Optic 2.0

Благодаря фокусировке луча на участке малой площади достигается высокая интенсивность светового потока - на порядок выше по сравнению с оптическими датчиками традиционной конструкции. Это позволяет получить максимально четкую картинку и зафиксировать даже малейшие детали микрорельефа поверхности. Благодаря этой особенности датчик V-Track стабильно работает на глянцевых и полированных поверхностях, где пасуют лазерные и оптические сенсоры традиционной конструкции. Кроме того, датчик V-Track отлично функционирует на неровных поверхностях, таких как мех, длинный ворс, грубые ткани и т.д., где обычно крайне нестабильно работают мыши с лазерными сенсорами.

Дополнительным преимуществом сенсора V-Track является низкий уровень энергопотребления (на 20-30% ниже по сравнению с оптическим датчиком традиционной конструкции), что позволяет увеличить время автономной работы беспроводных манипуляторов.

В настоящее время сенсоры V-Track применяются в целом ряде мышей компании A4Tech, включая как проводные (N-770FX, N-551FX, OP-530NU, OP-560NU и т.д.), так и беспроводные модели (G9-500F, G10-770F, G10-810F и др.). Эти манипуляторы представлены в низшем и среднем ценовых сегментах. Цены на младшие модели с датчиками V-Track вполне сопоставимы со стоимостью мышей аналогичного класса, оборудованных оптическими сенсорами традиционной конструкции.

«Синеглазые» мыши, версия Genius

Еще одна новинка нынешнего года - оптический сенсор BlueEye Tracking. Его разработали инженеры компании Kye Systems, которая хорошо известна российским пользователям по широкому спектру продуктов, выпускаемых под торговой маркой Genius.

Конструкция датчика BlueEye Tracking, по сути, представляет собой усовершенствованную версию традиционного оптического сенсора, но есть пара принципиальных отличий. Первое заключается в том, что вместо красного используется синий светодиод. Второе касается измененной схемы оптического тракта (рис. 13). Дополнительная линза обеспечивает фокусировку светового пучка, за счет чего площадь светового пятна, формируемого датчиком BlueEye Tracking, меньше, чем у оптического сенсора традиционной конструкции.

Рис. 13. Схема устройства сенсора BlueEye Tracking

Датчик BlueEye Tracking обеспечивает более высокую (по сравнению с оптическим сенсором традиционной конструкции) точность регистрации перемещений манипулятора и стабильно работает на большинстве поверхностей, потребляя при этом меньше электроэнергии.

В настоящее время сенсоры BlueEye Tracking применяются в беспроводных мышах Genius Navigator 905, Mini Navigator 900, Traveler 8000/9000, Ergo 9000 и др. Кроме того, недавно компания выпустила проводной манипулятор DX-220, также оснащенный датчиком BlueEye Tracking. Все перечисленные модели относятся к средней ценовой категории. Учитывая розничные цены, их прямыми конкурентами являются мыши, оснащенные лазерными сенсорами.

Заключение

Итак, мы рассмотрели особенности устройства различных типов оптических датчиков регистрации перемещения, используемых в современных манипуляторах. За три последних года производители этих устройств внедрили сразу несколько новых решений, которые обладают заметными преимуществами по сравнению с традиционной оптической и лазерной технологиями. Впрочем, как показывает статистика продаж, при выборе манипулятора пользователи предпочитают консервативный подход, по-прежнему отдавая предпочтение мышам, оснащенным оптическим сенсором традиционной конструкции. Отчасти это можно объяснить доступной ценой таких моделей, а также невысокими требованиями, предъявляемыми к эксплуатационным характеристикам мыши большинством покупателей. Не исключено, что многие просто не знают о технологических новинках, уже внедренных в серийно выпускаемых моделях.

Мы надеемся, что данная публикация окажется полезной нашим читателям, а изложенная в ней информация позволит им лучше ориентироваться в многообразии существующих технологий. Кроме того, рекомендуем прочитать статью «Мышиный тест-драйв». В ней вы найдете подробную информацию о том, насколько хорошо манипуляторы с сенсорами различных типов работают на разных поверхностях.