Материал: Основы проектирования Р Э С. Комплект учебно-методической документации по дисциплине. Учебное пособие. Самойленко Н.Э., Скоробогатов В.С

57

наоборот - графического представления в данные. В частности, рабочие станции различного назначения на базе ПЭВМ, используемые, например, в издательском деле, медицине, архитектуре, электронике, экономике, системах технического зрения и особенно в САПР, как правило, снабжаются графическими устройствами ввода-вывода.

Наиболее быстрые и эффективные преобразования элементов графических изображений в соответствующие им цифровые коды координат вводимых точек (дискретизация изображения) и ввод этих кодов в ПЭВМ осуществляются графическими устройствами ввода (иногда их называют графоповторителями).

Процесс преобразования графической информации в цифровую форму состоит из двух этапов - считывания и кодирования.

При считывании распознается графический элемент (точка, линия, элементарный фрагмент) и определяется его координата в принятой системе координат. Считанная информация при кодировании по определенным правилам принимает вид цифрового кода.

Объем цифровой информации, описывающей эти операции, велик. Это обусловливает повышенные требования к памяти ПЭВМ (емкости и быстродействию), необходимо также достаточно развитое и дорогостоящее специальное программное обеспечение.

Стоимость графических устройств ввода оказывается зачастую сравнимой со стоимостью базового комплекта ПЭВМ, а иногда и превышает ее

Основными характеристиками графических устройств ввода являются размеры рабочего поля, скорость и точность считывания, тип интерфейсов, энергопотребление, надежность, массогабаритные характеристики, стоимость и др.

58

Под рабочим полем понимается поверхность графического устройства ввода, в пределах которой осуществляется считывание, ограниченная минимальными имаксимальными значениями координат по каждой из осей. Размер рабочего поля оказывает существенное влияние на другие характеристики графического устройства ввода.

Различают аппаратную и реальную скорости преобразования информации. Аппаратная скорость - это максимальная скорость считывания, т. е. число пар координат, формируемых графическим устройством ввода за единицу времени. Реальная скорость преобразования может отличаться от аппаратной, например в полуавтомагических устройствах она определяется темпом работы пользователя.

Точностными характеристиками являются погрешность считывания, разрешающая способность (дискретность) и повторяемость. Погрешность считывания определяет максимальное отклонение значений координат точки от истинного по всему рабочему полю графического устройства. Разрешающая способность характеризует кратчайшее расстояние между двумя точками на каждой оси координат графического устройства ввода, результаты измерения которых различаются на единицу младшего разряда цифрового кода. Повторяемость - это максимальный разброс результатов измерения координат в любой точке рабочего поля по отношению к их среднему значению. Минимальное значение повторяемости равно по модулю разрешающей способности.

3.3.2. Основные характеристики и классификация

Графические устройства ввода подразделяются по способу ввода (автоматизации поиска и выделения изображения) на полуавтоматические и автоматические.

59

Вполуавтоматических графических устройствах ввода поиск и выделение элементов изображения производятся пользователем с помощью специального органа съема - указателя координат, щупа, визиря, датчика и т.п., а преобразование выделенного пользователем элемента - кодирование - автоматически специальным электронным блоком. Полуавтоматические устройства имеют рабочее поле (планшет или стол), на котором размещается документ.

Вавтоматических устройствах преобразование производится без участия пользователя - либо сканированием всей поверхности носителя графической информации, либо слежением за линией или границей с различной яркостью и цветностью.

3.3.3.Полуавтоматические графические устройства ввода

Для представления сложных графических изображений используются полуавтоматические графические устройства ввода. В настоящее время они имеют широкую номенклатуру и применяют достаточно простые методы считывания, снижающие их стоимость и повышающие надежность.

По совокупности основных параметров различают четыре типа полуавтоматических графических устройств ввода:

1)для выполнения работ, требующих высокой точности ввода, например по картографии, топографии, обработке аэрофотоснимков;

2)для использования в составе САПР при разработке топологии БИС и печатных плат;

3)для работы в графических рабочих .станциях для совместной работы с графическими дисплеями;

4)используемые в составе учебных, бытовых и других ПЭВМ, позволяющих выполнять деловую, учебную и

60

демонстрационную графику, а также обработку текстовой документации.Основные требования к характеристикам графических полуавтоматических устройств ввода определены в ГОСТ 24593-87 «Устройства ввода графические для электронных вычислительных машин».

По принципу определения координат полуавтоматические графические устройства ввода подразделяют на электромеханические, оптомеханические, сеточные (индукционные, емкостные), резистивные, звуковые, ультразвуковые, магнитострикционные и др.По конструктивному исполнению различают электромеханические устройства с подвижной координатной системой и электронные со свободно перемещаемым указателем координат (манипулятором). Наибольшее распространение получили полуавтоматические графические устройства ввода второго типа. Они выполняются в виде планшета, на поверхности которого размещается документ, и электронного устройства управления и преобразования информации.

Устройство управления определяет координаты, изменяет масштаб, систему координат, осуществляет упаковку в стандартный формат, сопряжение с ПЭВМ и др. Современные устройства управления на микропроцессорах, кроме кодирования, выполняют дополнительные функции, например предварительную обработку информации, ее контрольное отображение, редактирование, уплотнение, запись на внешние носители.

В некоторых специальных случаях используются графические планшеты с электромагнитным сеточным методом оцифровывания,

размагничивать планшет; точность оцифровывания при

61

использовании резистивного метода зависит от

устройствах ввода в планшет встраивается ортогональная система - сетка шин проводников. Координаты вводимой точки соответствуют координатам ближайших проводников сетки. С помощью индуктивной (реже емкостной) связи осуществляется взаимодействие с сеткой указателя координат - проволочной миниатюрной катушки с визирем. Через шины сетки последовательно пропускаются импульсы тока. В тот момент, когда возбуждается шина, лежащая под визирем, на его датчике наводится ЭДС. Этот сигнал обрабатывается затем электронным блоком.

В странах СНГ выпускаются полуавтоматические графические устройства ввода, однако для их использования совместно с ПЭВМ, как правило, требуется специальная доработка конструкции (интерфейсы и др.). Популярны компактные планшетные графические устройства ввода с индуктивным съемом координат серии СМ 6424, позволяющие вводить изображения с рабочим полем формата от А4 до А2 с разрешающей способностью 0,01...0,1 мм.

Наиболее известными в мире фирмами, выпускающими серийно различные планшеты и дигитайзеры (оцифровыватели),

являются фирмы CalComp, Summagraphics, Curta, Cenins, Acecad, Осе Graphics и др. Размеры рабочего поля моделей,

Более простой способ оцифровывания графической информации для ввода ее в ПЭВМ - применение в качестве

62

указателя координат манипуляторов, например типа «мышь», «трекболл».

Манипулятор «мышь» является одним из простейших, но удобных полуавтоматических средств ввода графической информации. С его помощью легко вводить данные, графику, «раскрашивать» изображение, перемещать курсор или элемент

изображения по экрану дисплея и т. п. Манипулятор представляет собой настольный прибор, предназначенный для преобразования его перемещения в двух ортогональных направлениях (X и Y) в серии электрических импульсов и подключаемый к ПЭВМ с помощью тонкого гибкого кабеля. Для ввода графического изображения достаточно положить документ на стол и обежать его «мышью». Используются в основном два принципа работы устройства: механический (оптомеханический) и оптический.

Основой конструкции механического манипулятора типа «мышь» является преобразователь (основание с шаром) (рис. 3.2,а), который вместе с платами с ИМС и управляющими кнопками (клавишами) помещается в пластмассовый корпус.

Адаптер манипулятора типа «мышь» принимает от манипулятора импульсные сигналы (рис. 3.2,б), сопровождающие перемещение манипулятора в направлениях Х и Y, и преобразует их в цифровой код.

63

Рис. 3.2. Оптомеханический манипулятор графической информации типа «мышь»: а - устройство; б - серии импульсов, получаемые при перемещении манипулятора типа «мышь»; 1 - шар; 2 - обрезиненные валики; 3 - фотодиоды; 4 - светодиоды; 5 - диски с прорезями; 6 - основание

Оптический манипулятор типа «мышь» (рис. 3.3,а) перемещается по планшету с нанесенной на него координатной сеткой. Координатная сетка может быть разной ширины с различным количеством линий (рис. 3.3,б). Источник излучения направляет луч света на планшет, и отраженный от сетки луч попадает на фотоприемник, связанный с микропроцессором. Различное число штрихов в сетке по направлениям Х и Y упрощает распознавание направления.

Микропроцессор определяет относительное перемещение манипулятора и соответствующее положение курсора на экране дисплея и передает информацию в ПЭВМ. Может использоваться координатная сетка с линиями различного цвета, например красного и зеленого или голубого и желтого (рис. 3.3,в). В этом случае фотоприемники должны реагировать на вполне определенную длину волны оптического излучения.

В базовый комплект большинства современных отечественных и зарубежных моделей профессиональных ПЭВМ включают манипуляторы типа «мышь». Основными фирмами, производящими эти манипуляторы, являются фирмы

Microsoft Corp., Logitec, KeyTronic Corp. и др.

Они имеют современные эргономические формы с искривленной поверхностью, например типа «куска мыла» или «пера», предусматривают регулирование скорости и чувствительности и режим динамического ускорения, снабжаются специальным программным обеспечением.

64

Выпускаются также варианты для левой и правой рук, содержащие от 2 до 4 кнопок управления. Длина кабеля составляет 1,0...2,3 м, имеются и беспроводные конструкции, работающие на инфракрасных лучах.

Недостатком рассмотренных манипуляторов типа «мышь» является требование свободной гладкой поверхности стола или даже специального планшета с нанесенной координатной сеткой.

Рис. 3.3. Оптический манипулятор графической информации типа «мышь»: а - устройство; б - вариант выполнения координатной сетки с разной шириной и количеством линий; в - вариант выполнения координатной сетки с линиями различного цвета; 1 - корпус; 2 - управляющая клавиша; 3 - плата с ИМС и ЭРЭ; 4 - переключатель управляющей клавиши; 5 - фотодиод; 6 - пластина с координатной

65

сеткой; 7, 8 - линзы; 9 - светодиод; 10 - кабель подсоединения к ПЭВМ

Другой тип манипулятора - «трекболл» - не требует планшета или свободного пространства на столе около ПЭВМ, его можно также встроить в корпус ПЭВМ. В этом манипуляторе шаровой механизм вместе с управляющими курсором клавишами расположен вверху корпуса.

Пользователь, вращая шар, перемещает на соответствующее расстояние курсор на экране дисплея.

Основным недостатком полуавтоматических графических устройств ввода является резкое снижение скорости оцифровывания при вводе графической информации в большом объеме или большой плотности. Эта зависимость от объема и плотности информации значительно уменьшается при использовании автоматических графических устройств ввода.

3.3..4. Автоматические графические устройства ввода

Современные автоматические графические устройства ввода применяются при использовании ПЭВМ в САПР, издательских системах, архивах, для факсимильной связи и т. д. Они позволяют не только вводить в ПЭВМ черно-белые графические изображения (чертежи, графики, диаграммы и др.), но и различать градации их яркости («серая шкала»), а также распознавать текст. Лучшие образцы таких устройств ввода позволяют кодировать трехмерную информацию, а также различать цветные изображения. Одной из основных проблем является трудность создания соответствующего программного обеспечения, реализующего эти возможности.

В автоматических графических устройствах ввода используется следящий или сканирующий (развертывающий)

66

метод преобразования. В первом случае рабочий орган устройства ввода отслеживает границу заданной кривой, перемещаясь с постоянной скоростью по оси абсцисс. При этом преобразовываемая кривая представляется в виде числовых значений отклонения рабочего органа по оси ординат.

Во втором случае рабочий орган осуществляет сканирование изображения с некоторым шагом по оси абсцисс, в результате фиксируются ординаты точек пересечения сканирующим лучом заданной кривой. Широкую популярность приобрели сканирующие устройства ввода - сканеры. Обязательными

компонентами сканеров являются рабочий орган считывания, система закрепления или перемещения вводимого документа, устройство управления (контроллер), программные средства.

Принцип работы сканеров (рис. 3.4) подобен принципу работы печатающих устройств. В большинстве случаев источник света (светодиоды или лазер) освещает рабочее поле вводимого документа.

Рис. 3.4. Устройство лазерного сканера: 1 - лампа; 2 - оптическая система (линзы, зеркала); 3 - ПЗС-элементы; 4 - документ

Чувствительный к свету рабочий орган движется по изображению (или изображение движется относительно неподвижного рабочего органа) и за счет отраженного света считывает элементы изображения, обычно постранично, которые затем распознаются ПЭВМ и преобразуются в файл, размещаемый в памяти машины. В рабочем органе используются датчики на приборах с зарядовой связью (ПЗС), преобразовывающие оптическое