Устройство и принцип работы оптической мыши

Для решения одной из задач мне потребовалось программно получать и обрабатывать изображения небольшого участка поверхности бумаги с очень близкого расстояния. Не получив достойного качества при использовании обычной USB камеры и уже на пол пути в магазин за электронным микроскопом, я вспомнил одну из лекций, на которой нам рассказывали как устроены различные девайсы, в том числе и компьютерная мышка.

Подготовка и немного теории

В подробности принципа работы современной оптической мыши я вдаваться не буду, очень подробно об этом написано (рекомендую прочитать для общего развития).

Погуглив информацию по этой теме и разобрав старую PS/2 мышку Logitech, я увидел знакомую по статьям из интернета картину.

Не очень сложная схема «мышей первого поколения», оптический сенсор по центру и чип интерфейса PS/2 чуть выше. Попавшийся мне оптический сенсор является аналогом «популярных» моделей ADNS2610/ADNS2620/PAN3101. Я думаю, они и их аналоги были массово произведены на одном и том же китайском заводе, получив на выходе разную маркировку. Документация на него нашлась очень легко, даже вместе с различными примерами кода.

Документация гласит, что этот сенсор до 1500 раз в секунду получает изображение поверхности размером 18x18 точек (разрешение 400cpi), запоминает его и с помощью алгоритмов сравнения изображений вычисляет смещение по координатам Х и Y, относительно предыдущей позиции.

Реализация

Для «общения с сенсором» я использовал популярную вычислительную платформу Arduino, а припаяться решил прямо к ножкам чипа.

Подключаем 5V и GND к соответствующим выходам Arduino, а ножки сенсора SDIO и SCLK к цифровым пинам 8 и 9.

Для получения смещения по координатам нужно прочитать значение регистра чипа по адресу 0x02 (X) и 0x03 (Y), а для дампа картинки нужно, сначала записать значение 0x2A по адресу 0x08, а потом 18x18 раз его прочитать оттуда же. Это и будет последнее «запомненное» значение матрицы яркости изображения с оптического сенсора.

Как я реализовал это на Arduino можно посмотреть тут: http://pastebin.com/YpRGbzAS (всего ~100 строк кода).

А для получения и отображения картинки была написана программа на Processing.

Результат

После небольшого «допиливания» программы для своего проекта, я смог получать картинку прямо с оптического сенсора и производить над ней все необходимые вычисления.

Можно заметить текстуру поверхности (бумага) и даже отдельные буквы на ней. Следует отметить, что такое четкое качество картинки получается из-за того, что разработчики этой модели мыши добавили в конструкцию специальную стеклянную подставку с небольшой линзой прямо под сенсором.

Если начать приподнимать мышку над поверхностью даже на пару миллиметров, четкость сразу пропадает.

Если вы вдруг захотите повторить это дома, для нахождения мышки с аналогичным сенсором рекомендую искать старые девайсы с интерфейсом PS/2.

Заключение

Хотя получаемое изображение и не очень большое, этого вполне хватило для решения моей задачи (сканнер штрих кода). Получилось очень даже экономично и быстро (мышка за ~100р + Arduino + пару дней на написание кода).

Оставлю ссылки на материалы, которые мне очень пригодились для решения этой задачи. Это реально было не сложно и делалось с большим удовольствием. Сейчас я ищу информацию о чипах более дорогих моделей современных мышек для получения качественных изображений с большим разрешением. Возможно, мне даже удастся собрать что-то вроде микроскопа (качество изображений с текущего сенсора для этого явно не подходит). Спасибо за внимание!

При покупке компьютера многие пользователи уделяют внимание лишь выбору основных и наиболее дорогих комплектующих – процессора, материнской платы, видеокарты и т.д.

Что касается выбора периферийных устройств ( , мышь), то здесь из виду упускаются многие характеристики. Зачастую пользователь берет то, что находится в комплекте с системным блоком, а затем удивляется, почему мышка быстро выходит из строя (либо ее попросту неудобно держать в руке).

В этой статье мы рассмотрим основные характеристики компьютерной мыши, которые следует учитывать при покупке.

1 Размер и форма

Большая часть всех компьютерных операций выполняется при помощи мыши. Следовательно, пользователь практически постоянно держит мышь в руке и двигает ее по столу или по коврику. Это объясняет необходимость выбора именно того устройства, которое по своей форме и размерам идеально подойдет под форму и размер ладони. В противном случае держать мышку будет не очень удобно, Вы будете быстрее уставать и получать меньшее удовольствие от работы.

Я даже знаю людей, у которых настолько болела рука при длительной работе с неудобной мышкой, что они на время поневоле становились левшами. Когда руку начинало, что называется, ломить, мышка перемещалась налево, в левую руку, кнопки мышки перестраивались для левой руки, и таким образом удавалось успокоить правую руку. Это очень неудобно, если не быть настоящим левшой, и работа на компьютере сильно замедляется.

Поэтому перед покупкой обязательно подержите мышку в руке и прикиньте, насколько удобно с ней работать, насколько ее удобно держать в руке (в правой руке для правшей и в левой руке для левшей).

2 Тип (вид) компьютерной мыши

По своему типу мышки делятся на

• механические,
• оптические и
• дистанционные.

В зависимости от типа давайте посмотрим, как выглядит компьютерная мышь.

В механических манипуляторах используется специальный шарик, который вращается при движении устройства по плоской поверхности.

Рис. 1 Механическая мышка

В оптических манипуляторах мышь используется оптический указатель, считывающий изменения положения мышки относительно плоскости, по которой перемещается мышка.

Рис. 2 Оптическая мышь компьютерная usb-подключение

Дистанционные мышки работают по тому же принципу, что и оптические, но при этом они не имеют проводного соединения с компьютером.

Рис. 3 Дистанционная мышка

У дистанционных мышек сигнал от манипулятора передается без проводов дистанционно, а сами мышки при этом работают от батарейки или от аккумулятора.

Механические мышки на данный момент являются морально устаревшими. Их практически никто не использует из-за относительно низкой чувствительности и частых выходов из строя. В них быстро накапливается пыль и грязь, которые мешают нормальной работе вращающегося шарика и считывающих датчиков. Покупать такие манипуляторы не имеет смысла, даже если они будут привлекательными по цене.

Оптические мыши являются самыми распространенными (ввиду удобства работы, надежности и долговечности).

Дистанционные мыши тоже используются довольно часто, но обладают рядом недостатков. К примеру,

• возможные проблемы с чувствительностью (в том числе из-за отсутствия проводов),
• необходимость периодической замены батареек,
• контроль заряда аккумуляторов, если они используются.

Тем не менее, подобные дистанционные мышки могут быть полезны тем, кто работает на удалении от компьютера. Например, в случае использования компьютера в качестве телевизора переключать телевизионные каналы удобнее дистанционно, находясь на удалении, сидя, что называется, на диване, для чего дистанционная мышка может быть ой как полезна!

Дистанционные мышки также удобны тем, кто делает презентации с помощью компьютера, но при этом не имеет возможности работать с профессиональным оборудованием. Тогда компьютер (чаще даже не компьютер, а ноутбук) используется как экран для демонстрации, а дистанционная мышка позволяет на удалении (например, стоя во время выступления) переключать слайды презентации.

3 Разъем для подключения

Любые мышки, даже дистанционные, должны подключаться к компьютеру через порты. Проводные мышки имеют на конце провода соответствующий разъем. Беспроводные мышки имеют специальное устройство наподобие маленькой флешки, которое тоже подключается к порту ПК, и служит приемником сигналов от дистанционного манипулятора мышь.

Рис. 4 Порты PC/2

Подключаться к компьютеру мышка может

• к порту PC/2 (рис. 4 – круглый порт),
• а также к USB-порту (рис. 2).

При этом USB-мышки стремительно вытесняют с рынка мышки с PC/2-кабелем. Причин для этого несколько:

• во-первых, более качественное соединение;
• во-вторых, распространенность USB-разъемов практически на всех современных ПК.

Бывает и такое, что на компьютере не так уж много USB-портов, и их может не хватать для подключения мышки. Редко, но подобное может случиться. Тогда на помощь приходят – это устройства, которые позволяют из одного порта USB делать 2, 4 и более портов USB. Это удорожает покупку мышки, так как к ней в придачу приходится покупать разветвитель, но позволяет решить проблему нехватки портов. К счастью, нехватка USB – это чрезвычайно редкая ситуация, в обычных ПК (если это не «экзотика») портов USB всегда хватает для подключения манипулятора мышь.

Для тех, кто не хочет расставаться с привычной и ставшей «родной» мышкой с разъемом PS-2 при переходе на ПК, где уже нет портов PS-2, промышленность (к сожалению, не совсем родная, а скорее китайская!) предлагает переходники PS-2 – USB. Опять же это редкое явление, проще поменять мышку на USB, чем искать, покупать, оплачивать переходник. Однако для желающих можно предложить и такой несколько экзотический вариант подключения мышки к компьютеру.

4 Чувствительность

Данный показатель измеряется в dpi (число точек на дюйм). Чем выше чувствительность компьютерной мышки, тем с большей точностью можно перемещать курсор мышки по рабочему пространству (по экрану) монитора.

Поясним. Речь идет о том, с какой точностью можно рукой установить курсор мышки в той или иной точке экрана. Чем выше чувствительность, то есть, чем больше точек на один дюйм, тем точнее можно установить курсор мышки в нужной точке экрана.

Напомню, что дюйм – это 2,54 см. И мы пользуемся этой системой измерения длины потому, что не являемся прародителями компьютерной техники, а потому используем чужую систему мер и весов.

Высокая чувствительность, на самом деле, не есть только благо. Высокая чувствительность, наоборот, может быть причиной проблем, трудностей работы с мышкой. Высокая чувствительность важна тем, кто работает с компьютерной графикой высокого разрешения, для компьютерных дизайнеров, для конструкторов и тому подобных профессий, требующих рисования или черчения с применением ПК. Высокая чувствительность может быть полезна «игроманам», любителям компьютерных игр, где важна точность попадания в определенные поля на экране монитора.

В остальном обычные пользователи ПК могут обходиться манипуляторами мышь с относительно невысокой точностью. Зачем высокая точность, если заниматься, например, только редактированием текстов? Можно легко попасть мышкой на нужную строку, на нужный символ текста, что называется, «не прицеливаясь» и не промахнешься!

Чувствительность многих механических мышей колеблется в диапазоне 400-500 dpi. Однако, как уже отмечалось ранее, этот тип манипуляторов остался уже в прошлом. В оптических моделях значение dpi может достигать 800-1000.

Стоимость конкретной модели мышки напрямую зависит от чувствительности. Покупая мышку с высокой чувствительностью, пользователь ПК дополнительно оплачивает данную возможность. Это еще один аргумент в пользу выбора не слишком высокочувствительных мышек. Зачем переплачивать, если высокая чувствительность не нужна в обычной работе на ПК?!

5 Число кнопок

Стандартная мышка обладает только тремя органами управления – правой и левой кнопкой, а также колесиком. Колесико мышки является не только ставшим уже привычным средством прокрутки, но и служит третьей кнопкой мышки. На колесико можно нажимать как на кнопку, щелкать им. Это позволяет, например, открывать окна в браузере в новых вкладках (см. ).

Работа с кнопками и с колесиком мышки должна быть приятной и удобной, иначе такая мышка может вызывать раздражение у пользователя ПК. Например, кнопки (как правая, так и левая) могут быть слишком тугими, нажиматься при довольно большом усилии. Это не всем удобно, а при длительной работе можно попросту устать нажимать на кнопки, что иногда приводит к болезненным и неприятным ощущениям.

Кнопки мышки могут нажиматься тихо, почти бесшумно, а могут громко «щелкать». Это тоже, что называется, на любителя, кому-то нравится погромче, со щелканьем, а кто-то предпочитает тишину.

Кнопки могут нажиматься без люфта, без свободного хода, а в некоторых случаях люфт может быть настолько большим, что появляется ощущение, что кнопка как бы сама немного шевелится, покачивается. Кнопки с люфтом могут раздражать, с другой стороны, они могут кому-то нравиться. Как говорится, на любителя. Это надо пробовать своей рукой, и выбирать.

Также и колесико мышки. Оно может легко крутиться, а может «притормаживать» и требовать дополнительных усилий. Тут тоже – кому как нравится.

Нажатие на колесико может быть легким, а может потребовать некоторую тренировку указательного пальца. Особенно раздражает, если нажатие на колесико происходит без щелчка, когда не слишком удается почувствовать, произошло все-таки нажатие или нет. В этом случае нажатие и прокручивание колесика становится сродни рулетке, то ли пан, то ли пропал! Не очень-то удобно, такая мышка – скорее для любителей острых ощущений.

Обычному неискушенному пользователю ПК лучше иметь мышку, где все просто и понято:

• вот они, клики левой и правой кнопкой мышки,
• вот оно, прокручивание колесика вверх и вниз (внимание, иногда колесико хорошо крутится только в одну сторону вверх или вниз, а в другую – заедает, и это тоже надо проверять при покупке!).
• И вот они, четкие и понятные клики колесиком, то есть, клики третьей кнопкой мышки.

Все просто, надежно, практично.

Для обычных трехкнопочных мышек, как правило, никакие дополнительные драйверы не нужны, они уже есть в составе операционных систем ПК.

Рис. 5 Мышка, где много кнопок

В более дорогих и продвинутых моделях может быть 4, 5, 6 и более кнопок. При установке драйверов таких мышек можно «навесить» на каждую кнопку определенное действие (или сразу последовательность действий). Это может быть очень удобно при работе в каких-то специальных приложениях или в компьютерных играх. В остальном эти лишние кнопки не нужны, лучше за них не переплачивать производителям, и ограничиваться стандартными манипуляторами, двухкнопочными мышками с колесиком (оно же – третья кнопка).

6 Другие характеристики

Это могут быть, к примеру, материал корпуса, материал кнопок, фирма-изготовитель и т.д. Тут следует выбирать, ориентируясь только на собственные предпочтения. Кто-то неплохо работает с обычными пластмассовыми мышками. Кто-то предпочитает мышки из металла. Кому-то нравятся обычные кнопки, а кто-то хочет кнопки с выемками по форме пальцев для удобного расположения руки.

Кому-то нравятся мышки любого цвета, а кто-то предпочитает только белый цвет, только черный цвет, желтый, розовый, зеленый, да мало ли еще какие бывают цвета!

Лично мне, например, нравятся мышки, которые работают на любых поверхностях: на столе, на коврике для мышки, на скатерти, на клеенке, на ткани.

А есть мышки, которые, хоть убейся, не будут работать на светлом столе, например, или на клеенке, или на стекле, пока под них не положить коврик для мышки или хотя бы обычный лист бумаги. И это тоже важная характеристика мышки, которую мы отнесем к разряду «других характеристик».

Еще одна «другая характеристика» – это насколько быстро мышка собирает на себя пыль и грязь со стола, и насколько легко она от этой пыли и грязи очищается. К сожалению, идеальных рабочих мест не бывает. Что ни делай, а пыль и грязь имеют обыкновение появляться вновь и вновь, и они оседают на нижней поверхности любой, хоть самой дешевой, хоть самой дорогой мышки. И тут важно, насколько быстро мышка от этого становится неработоспособной, и как легко ее от всего этого можно очистить. А загрязненная мышь может, например, потерять свою чувствительность, или начать работать «рывками», что усложняет попадание курсора мышки в определенные точки экрана.

Рис. 6 Мышка Apple с сенсорным управлением

Для некоторых пользователей ПК важной «другой характеристикой» может быть наименование фирмы производителя. Например, имея «продвинутый» ноутбук от Apple, можно захотеть мышку этого же производителя с сенсорным управлением, когда просто водишь пальцем, механики нет, ничего не крутится, а движение пальца улавливается. За обладание этим манипулятором придется заплатить лишние деньги.

А можно просто надеяться, что более или менее известная другая фирма не будет продавать «плохие» мышки, которые могут быстро выходить из строя. И тогда может возникнуть желание купить мышку от таких производителей, как, например, Logitech, Microsoft, A4 Tech.

Здесь, честно говоря, как повезет. Неказистая мышка а-ля «made in China», что называется, «noname» (то есть без имени, без явного производителя, без известного производителя) может прослужить верой и правдой столько, что забудешь, когда, где и по какой цене ее покупали. А может фирменная мышка отказать довольно быстро. Хотя все-таки, в среднем, мышки известных производителей служат дольше, и работают качественнее своих китайских (и не только) конкурентов.

Так что, как видим, мышки не такие уж простые устройства. У них много параметров, по которым они могут отличаться друг от друга. Выбор мышки – важный момент при выборе ПК. Поскольку работать придется именно мышкой, раз уж мы стали пользователями (и в некоторой степени даже заложниками) современной «оконной технологии» представления информации на экране монитора и ее обработки современными средствами, которые нам предоставляют персональные компьютеры.

Получайте актуальные статьи по компьютерной грамотности прямо на ваш почтовый ящик .
Уже более 3.000 подписчиков .

Очень необходимый и удобный атрибут, компьютерного пользователя, любого уровня. Огромное неудобство доставляло, пионером компьютерной техники, отсутствие мышки, есть у них и плюсы, они отлично владеют клавиатурой.

Назначение и работа компьютерной мыши.

Для начала, нам необходимо точно определиться, основное назначение компьютерной мыши, её функциональность и способы управления.

Компьютерная мышка, это специальное механическое устройство, для ввода информации в компьютер. Да же не большие навыки владения ею, существенно облегчают жизнь и работу пользователя, которые работают в операционных системах с графической оболочкой.

Работать и владеть ей, очень просто. Сводится оно к вождению мышки по гладкой поверхности, как провело, коврику. Синхронно с ней, по дисплею, перемещается курсор, направляем его на иконки и выполняем необходимые действия.

Плюс к этому, на компьютерной мышке, есть пара функциональных кнопок и скроллер с функцией нажатия. Основное управление, сводится к нажатию левой кнопки мыши, двойным щелчком.

Скроллером, осуществляется прокрутку текстового документа, нажатие на него, упрощает перемотку.

Нажатие на правую кнопку, вызывает скрытое контекстное меню, в нём отражаются всевозможные, доступные действия.

Принцип работы оптической компьютерной мыши.

Откидывая лишни слова и формулировки, компьютерную мышь, можно сравнить с видео камерой. Она делает колоссальное количество кадров в одну минуту, около девяносто тысяч.

Важно отметить, что компьютерная оптическая мышь, не нуждается в специальном коврике, она отлично работает, на любой поверхности. Свой неприхотливостью и надёжностью, заслужила авторитет и симпатии пользователей.

В её устройство, входит обычный светодиод, как правила красного цвета, но встречаются и другие цвета. Это излучение, отражается от поверхности, это отражение, сфокусируется на специальный датчик.

Сигнал с датчика, все кадры по очереди, поступает на процессор компьютера. Поступающий сигнал, обрабатывается и анализируется, он анализирует каждый снимок, и сравнивает, на сколько, он переместился.

Исходя из полученных данных, он понимает, куда отправить курсор мыши, по полученным координатам. Эти манипуляции, происходят на больших скоростях съёмки и обработки, поэтому нам всё кажется плавным.

Чем отличается, лазерная компьютерная мышь от оптической?

Начнём с принципа работы, лазерной компьютерной мыши, он практически идентичен оптической, за исключением некоторых моментов.

Основное отличие, что вместо светодиода, используется лазер, это значительно увеличило её ресурс, она абсолютно не прихотлива, в выборе рабочей поверхности.

Продолжим перечисление ё достоинств и плюсов. Очень низкое потребление электричества, экономить необходимо всегда. В довесок к этому, она работает намного точнее своих собратьев.

Свечение лазера мыши, практически не заметно для человеческого глаза, поэтому не будет мешать и портить вам зрения.

Все сводится к выбору лазерной компьютерной мыши, превосходство налицо.

Про шариковую (механическую) мышь, рассказывать не буду, она не надёжна, её необходимо постоянно чистить, морально себя изжила.

Компьютерная мышь – это манипулятор для управления компьютером. Такое название манипулятор получил за свое внешнее сходство с природным грызуном. На сегодня она является неотъемлемым атрибутом ПК и позволяет наиболее эффективно взаимодействовать с ним.

До появления операционных систем с графическим интерфейсом, мышь была не так широко распространена. Управление компьютером осуществлялось с помощью ввода команд через клавиатуру, а работа на компьютере требовала высокой квалификации. В принципе и с графическим интерфейсом можно обойтись одной клавиатурой, но это потребует заучивание необходимых комбинаций клавиш для управления, что неприемлемо для рядового пользователя, а мышь очень простое устройство, и научиться работать с ней несложно. Самая простая мышь имеет пару кнопок и колесико между ними, с помощью которых осуществляется какое-либо действие при работе с компьютером. Мышь подключается к компьютера с помощью провода – проводные мыши, или по беспроводному каналу – так называемые беспроводные мыши.

Принцип работы мыши.

Основной принцип работы компьютерной мыши – это преобразование движения в управляющий сигнал. При перемещении мыши по поверхности (чаще всего стола) она генерирует электронный сигнал, указывающий компьютеру направление движения, расстояние и скорость. А на экране монитора пользователь видит перемещение специального указателя (курсора) в соответствие с движением мыши.

Виды компьютерных мышей.

Долгое время для управления компьютером использовались механические мыши, в которых в качестве датчика движения использовался металлический обрезиненный шар.

Механическая мышь

Но прогресс не стоит на месте и на сегодня, самые распространенные компьютерные мыши – это оптические и лазерные , которые имеют более высокую точность позиционирования.

В оптических мышах для преобразования движения в электрический сигнал используется источник света (светодиод), расположенный на нижней поверхности манипулятора, и сенсор. Оптическая мышь сканирует поверхность, по которой передвигается, преобразует результаты сканирования и передает их в компьютер.

Оптическая мышь

В лазерной мыши , в качестве оптического источника используется лазер, что позволяет увеличить точность позиционирования. Кроме того, лазерная мышь неприхотлива к качеству поверхности, по которой перемещается.

Лазерная мышь

Существуют также более сложные и дорогие манипуляторы – сенсорные, индукционные, гироскопические мыши, которые имеют иной принцип преобразования движения в управляющий сигнал.

В этой статье мы рассмотрим принципы работы сенсоров оптических мышей, прольем свет на историю их технологического развития, а также развенчаем некоторые мифы, связанные с оптическими «грызунами».

Кто тебя выдумал…

Привычные для нас сегодня оптические мыши ведут свою родословную с 1999 года, когда в массовой продаже появились первые экземпляры таких манипуляторов от Microsoft, а через некоторое время и от других производителей. До появления этих мышей, да и еще долго после этого, большинство массовых компьютерных «грызунов» были оптомеханическими (перемещения манипулятора отслеживались оптической системой, связанной с механической частью - двумя роликами, отвечавшими за отслеживание перемещения мыши вдоль осей × и Y; эти ролики, в свою очередь, вращались от шарика, перекатывающегося при перемещении мыши пользователем). Хотя встречались и чисто оптические модели мышей, требовавшие для своей работы специального коврика. Впрочем, такие устройства встречались не часто, да и сама идея развития подобных манипуляторов постепенно сошла на нет.

«Вид» знакомых нам нынче массовых оптических мышек, базирующихся на общих принципах работы, был «выведен» в исследовательских лабораториях всемирно известной корпорации Hewlett-Packard. Точнее, в ее подразделении Agilent Technologies, которое только сравнительно недавно полностью выделилось в структуре корпорации НР в отдельную компанию. На сегодняшний день Agilent Technologies, Inc. - монополист на рынке оптических сенсоров для мышей, никакие другие компании такие сенсоры не разрабатывают, кто бы и что не говорил вам об эксклюзивных технологиях IntelliEye или MX Optical Engine . Впрочем, предприимчивые китайцы уже научились «клонировать» сенсоры Agilent Technologies, поэтому, покупая недорогую оптическую мышь, вы вполне можете стать владельцем «левого» сенсора.

Откуда берутся видимые отличия в работе манипуляторов, мы выясним чуть позднее, а пока позвольте приступить к рассмотрению базовых принципов работы оптических мышей, точнее их систем слежения за перемещением.

Как «видят» компьютерные мыши

В этом разделе мы изучим базовые принципы работы оптических систем слежения за перемещением, которые используются в современных манипуляторах типа мышь.

Итак, «зрение» оптическая компьютерная мышь получает благодаря следующему процессу. С помощью светодиода, и системы фокусирующих его свет линз, под мышью подсвечивается участок поверхности. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой и попадает на приемный сенсор микросхемы - процессора обработки изображений. Этот чип, в свою очередь, делает снимки поверхности под мышью с высокой частотой (кГц). Причем микросхема (назовем ее оптический сенсор) не только делает снимки, но сама же их и обрабатывает, так как содержит две ключевых части: систему получения изображения Image Acquisition System (IAS) и интегрированный DSP процессор обработки снимков.

На основании анализа череды последовательных снимков (представляющих собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости), интегрированный DSP процессор высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о направлении перемещения мыши вдоль осей × и Y, и передает результаты своей работы вовне по последовательному порту.

Если мы посмотрим на блок-схему одного из оптических сенсоров, то увидим, что микросхема состоит из нескольких блоков, а именно:

• основной блок, это, конечно же, Image Processor - процессор обработки изображений (DSP) со встроенным приемником светового сигнала (IAS);
• Voltage Regulator And Power Control - блок регулировки вольтажа и контроля энергопотребления (в этот блок подается питание и к нему же подсоединен дополнительный внешний фильтр напряжения);
• Oscillator - на этот блок чипа подается внешний сигнал с задающего кварцевого генератора, частота входящего сигнала порядка пары десятков МГц;
• Led Cоntrоl - это блок управления светодиодом, с помощью которого подсвечивается поверхность под мышью;
• Serial Port - блок передающий данные о направлении перемещения мыши вовне микросхемы.

Некоторые детали работы микросхемы оптического сенсора мы рассмотрим чуть далее, когда доберемся к самому совершенному из современных сенсоров, а пока вернемся к базовым принципам работы оптических систем слежения за перемещением манипуляторов.

Нужно уточнить, что информацию о перемещении мыши микросхема оптического сенсора передает через Serial Port не напрямую в компьютер. Данные поступают к еще одной микросхеме-контроллеру, установленной в мыши. Эта вторая «главная» микросхема в устройстве отвечает за реакцию на нажатие кнопок мыши, вращение колеса прокрутки и т.д. Данный чип, в том числе, уже непосредственно передает в ПК информацию о направлении перемещения мыши, конвертируя данные, поступающие с оптического сенсора, в передаваемые по интерфейсам PS/2 или USB сигналы. А уже компьютер, используя драйвер мыши, на основании поступившей по этим интерфейсам информации, перемещает курсор-указатель по экрану монитора.

Именно по причине наличия этой «второй» микросхемы-контроллера, точнее благодаря разным типам таких микросхем, довольно заметно отличались между собой уже первые модели оптических мышей. Если о дорогих устройствах от Microsoft и Logitech слишком плохо отозваться я не могу (хотя и они не были вовсе «безгрешны»), то масса появившихся вслед за ними недорогих манипуляторов вела себя не вполне адекватно. При движении этих мышей по обычным коврикам курсоры на экране совершали странные кульбиты, скакали чуть ли не на пол Рабочего стола, а иногда… иногда они даже отправлялись в самостоятельное путешествие по экрану, когда пользователь совершенно не трогал мышь. Доходило и до того, что мышь могла запросто выводить компьютер из режима ожидания, ошибочно регистрируя перемещение, когда манипулятор на самом деле никто не трогал.

Кстати, если вы до сих пор боретесь с подобной проблемой, то она решается одним махом вот так: выбираем Мой Компьютер > Свойства > Оборудование > Диспетчер устройств > выбираем установленную мышь > заходим в ее «Свойства» > в появившемся окне переходим на закладку «Управление электропитанием» и снимаем галочку с пункта «Разрешить устройству вывод компьютера из ждущего режима» (рис. 4). После этого мышь уже не сможет вывести компьютер из режима ожидания ни под каким предлогом, даже если вы будете пинать ее ногами:)

Итак, причина столь разительного отличия в поведении оптических мышей была вовсе не в «плохих» или «хороших» установленных сенсорах, как до сих пор думают многие. Не верьте, это не более чем бытующий миф. Или фантастика, если вам так больше нравится:) В ведущие себя совершенно по-разному мыши часто устанавливались совершенно одинаковые микросхемы оптических сенсоров (благо, моделей этих чипов было не так уж много, как мы увидим далее). Однако вот, благодаря несовершенным чипам контроллеров, устанавливаемых в оптические мыши, мы имели возможность сильно поругать первые поколения оптических грызунов.

Однако, мы несколько отвлеклись от темы. Возвращаемся. В целом система оптического слежения мышей, помимо микросхемы-сенсора, включает еще несколько базовых элементов. Конструкция включает держатель (Clip) в который устанавливаются светодиод (LED) и непосредственно сама микросхема сенсора (Sensor). Эта система элементов крепится на печатную плату (PCB), между которой и нижней поверхностью мыши (Base Plate) закрепляется пластиковый элемент (Lens), содержащий две линзы (о назначении которых было написано выше).

В собранном виде оптический элемент слежения выглядит как показано выше. Схема работы оптики этой системы представлена ниже.

Оптимальное расстояние от элемента Lens до отражающей поверхности под мышью должно попадать в диапазон от 2.3 до 2.5 мм. Это рекомендации производителя сенсоров. Вот вам и первая причина, почему оптические мыши плохо себя чувствуют «ползая» по оргстеклу на столе, всевозможным «полупрозрачным» коврикам и т. п. И не стоит клеить на оптические мыши «толстые» ножки, когда отваливаются или стираются старые. Мышь из-за чрезмерного «возвышения» над поверхностью может впадать в состояние ступора, когда «расшевелить» курсор после пребывания мыши в состоянии покоя становится довольно проблематично. Это не теоретические измышления, это личный опыт:)

Кстати, о проблеме долговечности оптических мышей. Помниться, некоторые их производители утверждали что, дескать «они будут служить вечно». Да надежность оптической системы слежения высока, она не идет ни в какое сравнение с оптомеханической. В то же время в оптических мышах остается много чисто механических элементов, подверженных износу точно так же, как и при господстве старой доброй «оптомеханики». Например, у моей старой оптической мыши стерлись и поотваливались ножки, сломалось колесо прокрутки (дважды, в последний раз безвозвратно:(), перетерся провод в соединительном кабеле, с манипулятора слезло покрытие корпуса… зато вот оптический сенсор нормально работает, как ни в чем не бывало. Исходя из этого, мы смело можем констатировать, что слухи о якобы впечатляющей долговечности оптических мышей не нашли своего подтверждения на практике. Да и зачем, скажите на милость, оптическим мышам «жить» слишком долго? Ведь на рынке постоянно появляются новые, более совершенные модели, созданные на новой элементной базе. Они заведомо совершеннее и удобнее в использовании. Прогресс, знаете ли, штука непрерывная. Каким он был в области эволюции интересующих нас оптических сенсоров, давайте сейчас и посмотрим.

Из истории мышиного зрения

Инженеры-разработчики компании Agilent Technologies, Inc. не зря едят свой хлеб. За пять лет оптические сенсоры этой компании претерпели существенные технологические усовершенствования и последние их модели обладают весьма впечатляющими характеристиками.

Но давайте обо всем по порядку. Первыми массово выпускаемыми оптическими сенсорами стали микросхемы HDNS-2000 (рис. 8). Эти сенсоры имели разрешение 400 cpi (counts per inch), то бишь точек (пикселей) на дюйм, и были рассчитаны на максимальную скорость перемещения мыши в 12 дюймов/с (около 30 см/с) при частоте осуществления снимков оптическим сенсором в 1500 кадров за секунду. Допустимое (с сохранением стабильной работы сенсора) ускорение при перемещении мыши «в рывке» для чипа HDNS-2000 - не более 0.15 g (примерно 1.5 м/с 2).

Затем на рынке появились микросхемы оптических сенсоров ADNS-2610 и ADNS-2620 . Оптический сенсор ADNS-2620 уже поддерживал программируемую частоту «съемки» поверхности под мышью, с частотой в 1500 либо 2300 снимков/с. Каждый снимок делался с разрешением 18х18 пикселей. Для сенсора максимальная рабочая скорость перемещения по прежнему была ограничена 12 дюймами в секунду, зато ограничение по допустимому ускорению возросло до 0.25 g, при частоте «фотографирования» поверхности в 1500 кадров/с. Данный чип (ADNS-2620) также имел всего 8 ножек, что позволило существенно сократить его размеры по сравнению с микросхемой ADNS-2610 (16 контактов), внешне похожей на HDNS-2000. В Agilent Technologies, Inc. задались целью «минимизировать» свои микросхемы, желая сделать последние компактнее, экономнее в энергопотреблении, а потому и удобнее для установки в «мобильные» и беспроводные манипуляторы.

Микросхема ADNS-2610 хотя и являлась «большим» аналогом 2620-й, но была лишена поддержки «продвинутого» режима 2300 снимков/с. Кроме того, этот вариант требовал 5В питания, тогда как чип ADNS-2620 обходился всего 3.3 В.

Вышедший вскоре чип ADNS-2051 представлял собой гораздо более мощное решение, чем микросхемы HDNS-2000 или ADNS-2610, хотя внешне (упаковкой) был также на них похож. Этот сенсор уже позволял программируемо управлять «разрешением» оптического датчика, изменяя таковое с 400 до 800 сpi. Вариант микросхемы также допускал регулировку частоты снимков поверхности, причем позволял менять ее в очень широком диапазоне: 500, 1000,1500, 2000 или 2300 снимков/с. А вот величина этих самых снимков составляла всего 16х16 пикселей. При 1500 снимках/с предельно допустимое ускорение мыши при «рывке» составляло по прежнему 0.15 g, максимально возможная скорость перемещения - 14 дюймов/с (т. е. 35.5 см/с). Данный чип был рассчитан на напряжение питания 5 В.

Сенсор ADNS-2030 разрабатывался для беспроводных устройств, а потому имел малое энергопотребление, требуя всего 3.3 В питания. Чип также поддерживал энергосберегающие функции, например функцию снижения потребления энергии при нахождении мыши в состоянии покоя (power conservation mode during times of no movement), переход в режим «сна», в том числе при подключении мыши по USB интерфейсу, и т.д.. Мышь, впрочем, могла работать и не в энергосберегающем режиме: значение «1» в бите Sleep одного из регистров чипа заставляло сенсор «всегда бодрствовать», а значение по умолчанию «0» соответствовало режиму работы микросхемы, когда по прошествии одной секунды, если мышь не перемещалась (точнее после получения 1500 совершенно одинаковых снимков поверхности) сенсор, напару с мышью, переходил в режим энергосбережения. Что касается остальных ключевых характеристик сенсора, то они не отличались от таковых у ADNS-2051: тот же 16-и контактный корпус, скорость перемещения до 14 дюймов/с при максимальном ускорении 0.15 g, программируемое разрешение 400 и 800 cpi соответственно, частоты осуществления снимков могли быть точно такими же, как и у вышерассмотренного варианта микросхемы.

Такими были первые оптические сенсоры. К сожалению, им были свойственны недостатки. Большой проблемой, возникающей при передвижением оптической мыши по поверхностям, особенно с повторяющимся мелким рисунком, являлось то, что процессор обработки изображений порой путал отдельные похожие участки монохромного изображения, получаемые сенсором и неверно определял направление перемещения мыши.

В итоге и курсор на экране перемещался не так, как требовалось. Указатель на экране даже становился способен на экспромт:) - на непредсказуемые перемещения в произвольном направлении. Кроме того, легко догадаться, что при слишком быстром перемещении мыши сенсор мог вообще утратить всякую «связь» между несколькими последующими снимками поверхности. Что порождало еще одну проблему: курсор при слишком резком перемещении мыши либо дергался на одном месте, либо происходили вообще «сверхъестественные»:) явления, например, с быстрым вращением окружающего мира в игрушках. Было совершенно ясно, что для человеческой руки ограничений в 12-14 дюймов/с по предельной скорости перемещения мыши явно мало. Также не вызывало сомнений, что 0.24 с (почти четверть секунды), отведенные для разгона мыши от 0 до 35.5 см/с (14 дюймов/с - предельная скорость) это очень большой промежуток времени, человек способен двигать кистью значительно быстрее. И потому при резких движениях мыши в динамичных игровых приложениях с оптическим манипулятором может придтись несладко…

Понимали это и в Agilent Technologies. Разработчики осознавали, что характеристики сенсоров надо кардинально улучшать. В своих изысканиях они придерживались простой, но правильной аксиомы: чем больше снимков в секунду сделает сенсор, тем меньше вероятность того, что он потеряет «след» перемещения мыши во время совершения пользователем компьютера резких телодвижений:)

Хотя, как мы видим из вышеизложенного, оптические сенсоры и развивались, постоянно выпускались новые решения, однако развитие в этой области можно смело назвать «очень постепенным». По большому счету, кардинальных изменений в свойствах сенсоров так и не происходило. Но техническому прогрессу в любой области порой свойственны резкие скачки. Случился такой «прорыв» и в области создания оптических сенсоров для мышей. Появление оптического сенсора ADNS-3060 можно считать действительно революционным!

Лучший из

Оптический сенсор ADNS-3060 , по сравнению со своими «предками», обладает поистине впечатляющим набором характеристик. Использование этой микросхемы, упакованной в корпус с 20-ю контактами, обеспечивает оптическим мышам невиданные ранее возможности. Допустимая максимальная скорость перемещения манипулятора выросла до 40 дюймов/с (то есть почти в 3 раза!), т.е. достигла «знаковой» скорости в 1 м/с. Это уже очень хорошо - вряд ли хоть один пользователь двигает мышь с превышающей данное ограничение скоростью столь часто, чтобы постоянно чувствовать дискомфорт от использования оптического манипулятора, в том числе это касается и игровых приложений. Допустимое же ускорение выросло, страшно сказать, во сто раз (!), и достигло величины 15 g (почти 150 м/с 2). Теперь на разгон мыши с 0 до предельных 1 м/с пользователю отводится 7 сотых секунды - думаю, теперь очень немногие сумеют превзойти это ограничение, да и то, вероятно, в мечтах:) Программируемая скорость осуществления снимков поверхности оптическим сенсором у новой модели чипа превышает 6400 кадров/с, т.е. «бьет» предыдущий «рекорд» почти в три раза. Причем чип ADNS-3060 может сам осуществлять подстройку частоты следования снимков для достижения наиболее оптимальных параметров работы, в зависимости от поверхности, над которой перемещается мышь. «Разрешение» оптического сенсора по прежнему может составлять 400 или 800 cpi. Давайте на примере микросхемы ADNS-3060 рассмотрим общие принципы работы именно чипов оптических сенсоров.

Общая схема анализа перемещений мыши не изменилась по сравнению с более ранними моделями - полученные блоком IAS сенсора микроснимки поверхности под мышью обрабатываются затем интегрированным в этой же микросхеме DSP (процессором), который определяет направление и дистанцию перемещения манипулятора. DSP вычисляет относительные величины смещения по координатам × и Y, относительно исходной позиции мыши. Затем внешняя микросхема контролера мыши (для чего он нужен, мы говорили ранее) считывает информацию о перемещении манипулятора с последовательного порта микросхемы оптического сенсора. Затем уже этот внешний контроллер транслирует полученные данные о направлении и скорости перемещения мыши в передаваемые по стандартным интерфейсам PS/2 или USB сигналы, которые уже от него поступают к компьютеру.

Но вникнем чуть глубже в особенности работы сенсора. Блок-схема чипа ADNS-3060 представлена выше. Как видим, принципиально его структура не изменилась, по сравнению с далекими «предками». 3.3 В питание к сенсору поступает через блок Voltage Regulator And Power Control, на этот же блок возложена функции фильтрации напряжения, для чего используется подключение к внешнему конденсатору. Поступающий с внешнего кварцевого резонатора в блок Oscillator сигнал(номинальная частота которого 24 МГц, для предыдущих моделей микросхем использовались более низкочастотные задающие генераторы) служит для синхронизации всех вычислительных процессов, протекающих внутри микросхемы оптического сенсора. Например, частота снимков оптического сенсора привязана к частоте этого внешнего генератора (кстати, на последний наложены не весьма жесткие ограничения по допустимым отклонениям от номинальной частоты - до +/- 1 МГц). В зависимости от значения, занесенного по определенному адресу (регистру) памяти чипа, возможны следующие рабочие частоты осуществления снимков сенсором ADNS-3060.

Значение регистра, шестнадцатеричное	Десятичное значение	Частота снимков сенсора, кадров/с
OE7E	3710	6469
12C0	4800	5000
1F40	8000	3000
2EE0	12000	2000
3E80	16000	1500
BB80	48000	500

Как нетрудно догадаться, исходя из данных в таблице, определение частоты снимков сенсора осуществляется по простой формуле: Частота кадров = (Задающая частота генератора (24 МГц)/Значение регистра отвечающего за частоту кадров).

Осуществляемые сенсором ADNS-3060 снимки поверхности (кадры) имеют разрешение 30х30 и представляют собой все ту же матрицу пикселей, цвет каждого из которых закодирован 8-ю битами, т.е. одним байтом (соответствует 256 градациям серого для каждого пикселя). Таким образом, каждый поступающий в DSP процессор кадр (фрейм) представляет собой последовательность из 900 байт данных. Но «хитрый» процессор не обрабатывает эти 900 байт кадра сразу по поступлении, он ждет, пока в соответствующем буфере (памяти) накопится 1536 байт сведений о пикселях (то есть добавится информация еще о 2/3 последующего кадра). И только после этого чип приступает к анализу информации о перемещении манипулятора, путем сравнения изменений в последовательных снимках поверхности.

С разрешением 400 или 800 пикселей на дюйм их осуществлять, указывается в бите RES регистров памяти микроконтроллера. Нулевое значение этого бита соответствует 400 cpi, а логическая единица в RES переводит сенсор в режим 800 cpi.

После того как интегрированный DSP процессор обработает данные снимков, он вычисляет относительные значения смещения манипулятора вдоль осей × и Y, занося конкретные данные об этом в память микросхемы ADNS-3060. В свою очередь микросхема внешнего контроллера (мыши) через Serial Port может «черпать» эти сведения из памяти оптического сенсора с частой примерно раз в миллисекунду. Заметьте, только внешний микроконтроллер может инициализировать передачу таких данных, сам оптический сенсор никогда не инициирует такую передачу. Поэтому вопрос оперативности (частоты) слежения за перемещением мыши во многом лежит на «плечах» микросхемы внешнего контроллера. Данные от оптического сенсора передаются пакетами по 56 бит.

Ну а блок Led Cотtrоl, которым оборудован сенсор, ответственен за управление диодом подсветки - путем изменения значения бита 6 (LED_MODE) по адресу 0x0a микропроцессор оптосенсора может переводить светодиод в два режима работы: логический «0» соответствует состоянию «диод всегда включен», логическая «1» переводит диод в режим «включен только при необходимости». Это важно, скажем, при работе беспроводных мышей, так как позволяет экономить заряд их автономных источников питания. Кроме того, сам диод может иметь несколько режимов яркости свечения.

На этом, собственно, все с базовыми принципами работы оптического сенсора. Что еще можно добавить? Рекомендуемая рабочая температура микросхемы ADNS-3060, впрочем как и всех остальных чипов этого рода, - от 0 0С до +40 0С. Хотя сохранение рабочих свойств своих чипов Agilent Technologies гарантирует в диапазоне температур от -40 до +85 °С.

Лазерное будущее?

Недавно сеть наполнили хвалебные статьи о мыши Logitech MX1000 Laser Cordless Mouse, в которой для подсветки поверхности под мышью использовался инфракрасный лазер. Обещалась чуть ли не революция в сфере оптических мышей. Увы, лично попользовавшись этой мышью, я убедился, что революции не произошло. Но речь не об этом.

Я не разбирал мышь Logitech MX1000 (не имел возможности), но уверен, что за «новой революционной лазерной технологией» стоит наш старый знакомый - сенсор ADNS-3060. Ибо, по имеющимся у меня сведениям, характеристики сенсора этой мыши ничем не отличаются от таковых у, скажем, модели Logitech МХ510 . Вся «шумиха» возникла вокруг утверждения на сайте компании Logitech о том, что с помощью лазерной системы оптического слежения выявляется в двадцать раз (!) больше деталей, чем с помощью светодиодной технологии. На этой почве даже некоторые уважаемые сайты опубликовали фотографии неких поверхностей, дескать, как видят их обычные светодиодные и лазерные мыши:)

Конечно, эти фото (и на том спасибо) были не теми разноцветными яркими цветочками, с помощью которых нас пыталась убедить на сайте Logitech в превосходстве лазерной подсветки системы оптического слежения. Нет, конечно же, оптические мыши не стали «видеть» ничего подобного на приведенные цветные фотографии с разной степенью детализации - сенсоры по-прежнему «фотографируют» не более чем квадратную матрицу серых пикселей, отличающихся между собой лишь разной яркостью (обработка информации о расширенной цветовой палитре пикселей непомерным грузом легла бы на DSP).

Давайте прикинем, для получения в 20 раз более детализированной картинки, нужно, извините за тавтологию, в двадцать раз больше деталей, передать которые могут только дополнительные пиксели изображения, и ни что иное. Известно, что Logitech MX 1000 Laser Cordless Mouse делает снимки 30х30 пикселей и имеет предельное разрешение 800 cpi. Следовательно, ни о каком двадцатикратном росте детализации снимков речи быть не может. Где же собака порылась:), и не являются ли подобные утверждения вообще голословными? Давайте попробуем разобраться, что послужило причиной появления подобного рода информации.

Как известно, лазер излучает узконаправленный (с малым расхождением) пучок света. Следовательно, освещенность поверхности под мышью при применении лазера гораздо лучше, чем при использовании светодиода. Лазер, работающий в инфракрасном диапазоне, был выбран, вероятно, чтобы не слепить глаза возможным все-таки отражением света из-под мыши в видимом спектре. То, что оптический сенсор нормально работает в инфракрасном диапазоне не должно удивлять - от красного диапазона спектра, в котором работает большинство светодиодных оптических мышей, до инфракрасного -«рукой подать», и вряд ли для сенсора переход на новый оптический диапазон был труден. Например, в манипуляторе Logitech MediaPlay используется светодиод, однако также дающий инфракрасную подсветку. Нынешние сенсоры без проблем работают даже с голубым светом (существуют манипуляторы и с такой подсветкой), так что спектр области освещения - для сенсоров не проблема. Так вот, благодаря более сильной освещенности поверхности под мышью, мы вправе предположить, что разница между местами, поглощающими излучение (темными) и отражающими лучи (светлыми) будет более значительной, чем при использовании обычного светодиода - т.е. изображение будет более контрастными.

И действительно, если мы посмотрим на реальные снимки поверхности, сделанные обычной светодиодной оптической системой, и системой с использованием лазера, то увидим, что «лазерный» вариант куда более контрастен - отличия между темными и яркими участками снимка более значительны. Безусловно, это может существенно облегчить работу оптическому сенсору и, возможно, будущее именно за мышами с лазерной системой подсветки. Но назвать подобные «лазерные» снимки в двадцать раз более детализированными вряд ли можно. Так что это еще один «новорожденный» миф.

Какими будут оптические сенсоры ближайшего будущего? Сказать трудно. Вероятно, они перейдут таки на лазерную подсветку, а в Сети уже ходят слухи о разрабатываемом сенсоре с «разрешением» 1600 cpi. Нам остается только ждать.