Оптические мыши: многообразие технологий

Сергей Асмаков

«Классическая» оптика

Лазер вместо светодиода

Лучше, чем лазер

«Синеглазые» мыши, версия Microsoft

В темном поле

Строго по вертикали

«Синеглазые» мыши, версия Genius

Заключение

 

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).

 

Рисунок

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

Рисунок

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.

 

Рисунок

Рис. 3. Схема устройства оптического датчика
традиционной конструкции

Рисунок

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 мм2), 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.

 

Рисунок

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.

 

Рисунок

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.

 

Рисунок

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.

 

Рисунок

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).

 

Рисунок

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

Рисунок

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.

 

Рисунок

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 мм2) 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).

 

Рисунок

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.

 

Рисунок

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.

Сенсор вместо колесика

В подавляющем большинстве современных мышей оптические сенсоры используются для отслеживания перемещений корпуса манипулятора по рабочей поверхности. Однако существуют модели, у которых есть дополнительный оптический датчик, выполняющий иную функцию. Например, в манипуляторе Genius NetScroll T220 вместо привычного колесика прокрутки установлен оптический датчик Touch Scroll, позволяющий управлять скроллингом по двум осям.

 

Рисунок

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.

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 11'2011

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует