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コンピューターのマウスは何で構成されていますか? DIYのコンピューターマウス。本当にそんな簡単なことなのでしょうか？パソコンのマウスの種類

問題の 1 つを解決するには、非常に近い距離から紙の表面の小さな領域の画像をプログラムで取得して処理する必要がありました。通常の USB カメラではまともな品質が得られず、電子顕微鏡を買いに店に行く途中までいた私は、コンピューターのマウスを含むさまざまなデバイスがどのように機能するかについて説明された講義の 1 つを思い出しました。

準備とちょっとした理論

最新の光学式マウスの動作原理については詳しく説明しません。詳しく説明されています (一般的な開発のために読むことをお勧めします)。

このトピックに関する情報をグーグルで検索し、古い PS/2 Logitech マウスを分解したところ、インターネットの記事でおなじみの写真が見つかりました。

「第一世代マウス」のような複雑なデザインではなく、中央に光学センサー、少し上にPS/2インターフェースチップが搭載されています。私が見つけた光学センサーは、「人気」モデル ADNS2610/ADNS2620/PAN3101 の類似品です。これらの製品とその同等品は同じ中国の工場で大量生産され、出力には異なるラベルが付いていたと思います。ドキュメントは、さまざまなコード例とともに、非常に簡単に見つけることができました。

ドキュメントによると、このセンサーは 18x18 ピクセル (解像度 400cpi) の表面の画像を 1 秒あたり最大 1500 回受信し、保存し、画像比較アルゴリズムを使用して、前の位置に対する X 座標と Y 座標のオフセットを計算します。

実装

「センサーと通信する」ために、人気のあるコンピューティングプラットフォーム Arduino を使用し、チップの足に直接はんだ付けすることにしました。

5V と GND を対応する Arduino 出力に接続し、センサーレッグの SDIO と SCLK をデジタルピン 8 と 9 に接続します。

座標によるオフセットを取得するには、アドレス 0x02 (X) と 0x03 (Y) でチップレジスタの値を読み取る必要があります。画像をダンプするには、最初にアドレス 0x08 に値 0x2A を書き込んでから、値を読み取る必要があります。そこから 18x18 回繰り返します。これは、光学センサーからの画像輝度マトリックスの最後の「記憶された」値になります。

これを Arduino でどのように実装したかは、http://pastebin.com/YpRGbzAS でご覧いただけます (コードはわずか 100 行)。

そして、その画像を受け取って表示するために、Processingでプログラムを書きました。

結果

私のプロジェクトのプログラムを少し「仕上げ」た後、光学センサーから画像を直接受け取り、それに対して必要なすべての計算を実行することができました。

表面（紙）の質感や文字のひとつひとつまで見ることができます。このマウスモデルの開発者が、センサーの直下に小さなレンズを備えた特別なガラススタンドを設計に追加したため、このような鮮明な画質が得られることに注意してください。

マウスを表面から数ミリメートルでも持ち上げ始めると、透明度はすぐに消えます。

自宅で突然これを繰り返したい場合は、同様のセンサーを備えたマウスを見つけるために、PS/2 インターフェイスを備えた古いデバイスを探すことをお勧めします。

結論

結果として得られる画像はそれほど大きくありませんが、私の問題 (バーコードスキャナー) を解決するには十分でした。それは非常に経済的で高速であることが判明しました（マウスは約 100 ルーブル + Arduino + コードを書くのに数日かかります）。

この問題を解決するのに非常に役に立った資料へのリンクを残しておきます。本当に難しいことはなく、とても楽しくできました。現在、より解像度の高い高品質の画像を取得するために、最新のマウスのより高価なモデルのチップに関する情報を探しています。顕微鏡のようなものを作ることもできるかもしれません (現在のセンサーの画質は明らかにこれに適していません)。ご清聴ありがとうございました！

コンピュータマウスの起源は、1968 年 12 月 9 日にカリフォルニアで開催されたインタラクティブデバイスショーで発表されたことに遡ります。ダグラス・エンゲルバートは 2 年後にこのガジェットの特許を取得しました。マウスを搭載した最初のコンピュータは、1981 年に導入された Xerox 8010 Star Information System ミニコンピュータでした。ゼロックスのマウスには 3 つのボタンがあり、価格は 400 ドルで、今日の 1,000 ドルに相当します。 1983 年、Apple は Lisa コンピュータ用に独自の 1 ボタンマウスを発売し、そのコストは 16 分の 1 に削減されました。コンピュータのマウスは、Macintosh コンピュータで使用されたことで広く知られるようになりました。最新のコンピューターのマウスがどのように機能するかについては、今日のエピソードで説明します。

最新のマウスには、光学式とレーザー式の 2 つのタイプがあります。タイプに関係なく、マウスは作業面 (たとえば、テーブル表面の一部) での動きを認識し、この情報をコンピュータに送信します。コンピュータ上で実行されているプログラムは、マウスの動きに応答して、その動きの方向と距離に対応するアクションを画面上に生成します。

最新の光学式マウスは、いわゆる光学相関技術を使用しています。 LED とその光を集束するレンズのシステムを使用して、マウスの下の表面領域が照明されます。この表面から反射された光は別のレンズによって集められ、チップの受信センサーである画像プロセッサーに当たります。次に、高周波 (通常は 1 kHz 以上) でマウスの下の表面の画像を取得し、それらの画像をフレームごとに比較しながら処理します。異なる明るさのピクセルの正方行列である連続画像の分析に基づいて、統合プロセッサは結果として得られるインジケーターを計算し、マウスの移動方向を決定します。

マウスが動く表面には通常、微細な凹凸があります。表面に対してわずかな角度で取り付けられた明るい LED で照らされると、微細な凹凸が影を落とし、それがセンサーによって記録されます。光学式マウスは、コストが低いため、通常、赤色 LED を使用します。さらに、シリコン光検出器は赤色に対する感度が高くなります。光学式マウスの欠点は、レーザーデバイスと比較して消費電力が増加することです。

レーザーマウスは、表面を照らすために LED を使用するのではなく、表面を照らす赤外線レーザーダイオードを使用します。レーザー放射のコヒーレンス (つまり、一貫性) と作業面への焦点合わせのおかげで、後者はより正確に実行されます。さらに、レーザーマウスの操作には、光学式マウスに必要な微細凹凸よりもはるかに小さい微細凹凸が必要です。

レーザーマウスは、Sun Microsystems によって 1998 年に初めて発売されました。ただし、当時はまだ広く使用されていませんでした。光学式マウスとは異なり、レーザーマウスはガラスなどの鏡面や透明な表面でも作業できることが大きな利点です。

ブログサイトの読者の皆さん、こんにちは。コンピュータマウスやマウスは、呼び方が異なるため、膨大な数があります。機能的な目的に応じて、ゲーム用、通常の作業用、グラフィックエディタでの描画用などのクラスに分類できます。この記事では、コンピューターのマウスの種類とデザインについて説明しようと思います。

しかしその前に、ちょうどこの複雑な装置が発明された時期、数十年前に遡ることを提案します。最初のコンピューターマウスは 1968 年に登場し、ダグラスエンゲルバートというアメリカの科学者によって発明されました。このマウスはアメリカ宇宙研究機関（NASA）によって開発され、NASAはダグラス氏に発明の特許を与えたが、ある時点で開発への関心を完全に失った。その理由は、続きを読んでください。

世界初のマウスはワイヤーの入った重い木箱でしたが、その重さに加えて使用するのが非常に不便でした。明白な理由から、彼らはそれを「マウス」と呼ぶことに決めました、そして少し後に、彼らはこの略語の解読を人為的に考え出しました。そうです、マウスは「手動操作のユーザー信号エンコーダー」、つまりユーザーが手動で信号をエンコードできるデバイスにすぎません。

例外なく、すべてのコンピューターマウスには、ケース、接点を備えたプリント基板、マイク (ボタン)、スクロールホイールなど、多くのコンポーネントが含まれています。それらはすべて、最新のマウスに何らかの形で存在します。しかし、あなたはおそらく次のような疑問に悩まされているでしょう - では、それらの違いは何なのか (ゲーム用、非ゲーム用、オフィス用などがあるという事実以外に)、なぜこれほど多くの異なるタイプを思いついたのか、自分で調べてください。

機械式
光学
レーザ
トラックボールマウス
誘導
ジャイロスコープ

実際のところ、上記の各種類のコンピュータマウスは異なる時期に登場し、異なる物理法則を使用しています。したがって、それぞれに独自の欠点と利点があり、それについては本文でさらに詳しく説明します。最初の 3 つのタイプのみをより詳細に検討し、残りはあまり普及していないという事実のため、それほど詳細には考慮しないことに注意してください。

メカニカルマウスは従来のボールモデルで、サイズが比較的大きいため、効果的に機能させるにはボールを定期的にクリーニングする必要があります。汚れや小さな粒子が回転ボールとハウジングの間に閉じ込められる可能性があるため、掃除する必要があります。マットがないと使えません。 15年ほど前には世界に一つしかなかったそうです。もう珍しいので過去形で書きます。

機械式マウスの底には穴があり、回転するプラスチックのリングで覆われていました。その下には重いボールが落ちていた。このボールは金属製で、ゴムで覆われていました。ボールの下には 2 つのプラスチックローラーと 1 つのローラーがあり、ボールをローラーに押し付けます。マウスが動くと、ボールがローラーを回転させます。一方のローラーを上または下に回転させ、右または左にもう一方のローラーを回転させます。このようなモデルでは重力が重要な役割を果たしたため、そのような装置は無重力状態では機能せず、NASA はそれを放棄しました。

動きが複雑な場合は両方のローラーが回転します。各プラスチックローラーの端には、ミルの場合と同じように、数倍小さいインペラが取り付けられていました。インペラの一方の側には光源 (LED) があり、もう一方の側には光電池がありました。マウスを動かすとインペラが回転し、フォトセルが当たった光パルスの数を読み取り、この情報をコンピュータに送信します。

インペラの羽根が多いため、画面上のポインタの動きが滑らかに感じられました。光学機械式マウス (単に「機械式」というだけです) は、定期的に分解して掃除しなければならないという大きな不便さを抱えていました。動作中、ボールはケース内のあらゆる種類の破片を引きずり、ボールのゴム表面が非常に汚れて、動作ローラーが滑ってマウスが誤作動することがよくありました。

同じ理由で、このようなマウスが正しく動作するにはマウスパッドが必要でした。そうでないと、ボールが滑って早く汚れてしまいます。

光学式およびレーザー式マウス

光学式マウスでは、分解したり掃除したりする必要はありません。、回転するボールがないため、異なる原理で動作します。光学式マウスは LED センサーを使用します。このようなマウスは、テーブルの表面をスキャンして「撮影」する小型カメラのように機能し、カメラは 1 秒あたり約 1,000 枚の写真を撮影し、一部のモデルではさらに多くの写真を撮影します。

これらの画像からのデータは、マウス自体の特別なマイクロプロセッサによって処理され、コンピュータに信号を送信します。利点は明らかです。このようなマウスはマウスパッドを必要とせず、軽量で、ほぼすべての表面をスキャンできます。ほとんど？はい、ガラスと鏡面、およびベルベット (ベルベットは光を非常に強く吸収します) を除くすべてのものに適用されます。

レーザーマウスは光学式マウスとよく似ていますが、その動作原理は以下の点で異なります。 LEDの代わりにレーザーを使用。これは光学式マウスのより高度なモデルであり、操作に必要なエネルギーがはるかに少なく、作業面からのデータ読み取りの精度が光学式マウスよりもはるかに高くなります。ガラスや鏡の表面にも使用できます。

実際、レーザーマウスは光学式マウスの一種です。どちらの場合も LED が使用されており、後者の場合は LED が発光するだけです。 目に見えないスペクトル.

したがって、光学式マウスの動作原理はボールマウスの動作原理とは異なります。。

このプロセスは、レーザーまたは光学式 (光学式マウスの場合) ダイオードから始まります。ダイオードが目に見えない光を放射し、レンズがその光を人間の髪の毛と同じ太さの点に集束させ、ビームが表面で反射され、センサーがこの光を捉えます。センサーは非常に正確なので、表面の小さな凹凸も検出できます。

その秘密は、 まさに凹凸マウスがわずかな動きでも認識できるようにします。カメラによって撮影された写真が比較され、マイクロプロセッサは後続の各写真を前の写真と比較します。マウスを動かすと、画像間の違いがわかります。

これらの違いを分析することで、マウスは動きの方向と速度を決定します。画像間の違いが大きい場合、カーソルは速く移動します。しかし、たとえ静止していても、マウスは写真を撮り続けます。

トラックボールマウス

トラックボールマウスは、凸型のボール「トラックボール」を利用したデバイスです。トラックボールデバイスはメカニカルマウスのデバイスに非常に似ていますが、ボールが上部または側面にあるだけです。ボールは回転できますが、デバイス自体は所定の位置に残ります。ボールは一対のローラーを回転させます。新しいトラックボールは光学式モーションセンサーを使用しています。

誰もが「トラックボール」と呼ばれるデバイスを必要とするわけではなく、その価格は最低でも1,400ルーブルからであると言えます。

誘導マウス

インダクションモデルは、グラフィックタブレットのように機能する特殊なマットを使用します。誘導マウスは精度が高く、正しい方向に置く必要がありません。誘導マウスはワイヤレスでも誘導給電でも可能で、その場合は通常のワイヤレスマウスのようにバッテリーは必要ありません。

高価で、一般市場で見つけるのが難しいそのようなデバイスを誰が必要とするかわかりません。そして、その理由は誰にも分かりません。普通の「げっ歯類」に比べて何かメリットがあるのではないだろうか？

コンピュータのマウスは、コンピュータを制御するためのポインティングデバイスです。このマニピュレーターは、その外観が自然のげっ歯類に似ていることからこの名前が付けられました。現在、これは PC の不可欠な属性であり、PC を最も効果的に操作できるようになります。

GUI オペレーティングシステムが登場する前は、マウスはそれほど普及していませんでした。コンピュータはキーボードからコマンドを入力することで制御され、コンピュータでの作業には高度な資格が必要でした。原則として、グラフィカルインターフェイスであっても、キーボードを 1 つだけ使用できますが、制御に必要なキーの組み合わせを記憶する必要があり、これは平均的なユーザーには受け入れられません。また、マウスは非常に単純なデバイスであり、それを扱う方法を学ぶのは難しくありません。最も単純なマウスには、一対のボタンとそれらの間にあるホイールがあり、コンピュータで作業するときにあらゆる操作を実行します。マウスは、有線 (有線マウス) または無線 (いわゆるワイヤレスマウス) を使用してコンピュータに接続されます。

マウスの仕組み。

コンピュータマウスの動作の基本原理は、動きを制御信号に変換することです。表面 (通常はテーブル) 上でマウスを動かすと、移動方向、距離、速度をコンピュータに伝える電子信号が生成されます。そして、モニター画面上では、ユーザーはマウスの動きに応じて特別なポインター (カーソル) の動きを見ることになります。

パソコンのマウスの種類。

長い間、コンピューターの制御には機械式マウスが使用され、金属ゴム引きボールがモーションセンサーとして使用されていました。

メカニカルマウス

しかし、今日でも進歩が止まっているわけではありません。 光学的そして レーザ、より高い位置決め精度を持っています。

で 光学式マウス動きを電気信号に変換するには、マニピュレータの下面に配置された光源（LED）とセンサーが使用されます。光学式マウスは、移動する表面をスキャンし、スキャン結果を変換してコンピュータに送信します。

光学式マウス

で レーザーマウス、光源としてレーザーが使用されており、位置決め精度を高めることができます。さらに、レーザーマウスは、移動する表面の品質の点でも気取らないものです。

レーザーマウス

動きを制御信号に変換する異なる原理を持つ、タッチマウス、誘導マウス、ジャイロスコープマウスなど、より複雑で高価なマニピュレータもあります。

光学式マウスの設計と動作原理

今では光学式マウスを持っていても誰も驚かないでしょう。しかし、10年前、第一世代の光学「齧歯動物」が登場したばかりのとき、このような突飛な操作者を自慢できる人はほとんどいませんでした。一方、「腹部」に赤色 LED を備えた「げっ歯類」を使用してカーソルを移動できる機能は、コンピューター技術のさらなる進歩でした。

実は、最初の光学式マウスには 2 つの LED が搭載されており、1 つは赤色領域で、もう 1 つは赤外線で発光していました。したがって、上記の LED と「ペア」として機能するフォトダイオードが 2 つありました。このようなマウスの場合、表面が特殊な反射素材でできており、その上に青と黒の線が直交する細いグリッドが適用された特殊なマットが必要でした。青い線は赤色 LED からの光を吸収し、黒い線は赤外線を吸収します。

したがって、一方のフォトダイオードはマットの青い線の上の通路を「認識」し、もう一方のフォトダイオードは黒い線の上の通路を「認識」しました。ラインを通過した瞬間に、フォトダイオードは対応する電気パルスを生成しました。マウスコントローラーは、インパルスをカウントすることによって、動きの方向と大きさを決定しました。

パッドは、光学式機械式マウス (ボールを備えた通常のマウス。おそらく何度も分解したことのあるマウス) の機械部分全体が実行する機能と同様の機能を実行したと言えます。

このようなマウスの利点には、可動部品や慣性部品がないこと、操作の信頼性、位置決めの精度などが挙げられます。そして、欠点は、定期的な手入れと掃除が必要な敷物と、いつものように（お金のない場合）高価であることです。さらに、マウスパッドを紛失または破損した場合、マウスは機能を失います。しかし、1999 年にアジレントテクノロジーは、マットをまったく必要としない独自の光ナビゲーションテクノロジーを開発しました。そして今日、Agilent は光学式マウス用にさまざまな改良を加えた 7,500 万個を超えるセンサーを生産して以来、このテクノロジーがメーカーとユーザーの両方の手に入るようになったと考えられます。さらに、上記の会社は光学式センサーだけでなく、光学式マウスの組み立てに必要なほぼすべての部品（一種の日曜大工キット（図1参照））も生産しており、光学式マウスの生産を可能にしています。マウスは小規模企業（「中国」企業など）でも手頃な価格で販売されています。図 1 は、レンズとクランプの 2 つのオプションを示しています。しかし、メーカーがどちらを選択しても、光学系の動作に根本的な影響を与えることはありません。

この技術の本質は、光学センサーが表面画像（フレーム）を順次読み取り、移動方向と移動量を数学的に決定することです。

赤

発光ダイオード

LEDクランプ

完全な光学システムは、光学センサー、レンズ、赤色 LED、LED クランプの 4 つのコンポーネントで構成されます。組み立てたときの様子を図 2 に示します。

光学

光学センサーには、次の 3 つの機能ブロックが含まれています。デジタル信号プロセッサ (DPS); シリアルデータインターフェース。

構造的には、光学センサーは 16 本の脚 (8 本のオプションもあります) を備えた超小型回路であり、その下部 (脚から) にはレンズがあります。

レンズの後ろにはモノクロ CMOS カメラがあり、約 1 平方ミリメートルの面積の表面の小さな領域を撮影します。表面フレームは小さな領域（正方形）に分割されています。このような領域ごとに、平均輝度値が計算されます。割り当てられる値の範囲は 0 ～ 63 で、0 は黒い領域に割り当てられ、63 は黒い領域に割り当てられます。

白。このようにして、さまざまな明るさの正方形からなるモザイク画像が得られます。ここにそのような正方形の 1 つがあります。画像の要素はアンカーポイント、つまり 1 つの参照です (図 3 を参照)。そして、光学式マウスの解像度は、1 インチあたりのカウント数で決まります。通常のマウスのように、dpi ではなく cpi です。 Agilent は 400 cpi と 800 cpi の両方のセンサーを製造しており、800 cpi モデルは 400 cpi で動作するようにプログラムできます。ちなみに、光学式マウスの技術特性で解像度420や500cpiを謳っている企業もあります。しかし、さまざまなセンサーの技術文書を調べても、そのような特性は見当たりません。そして、ロジクールのような「マウス製造」のこの分野で認められた権威がアジレントからセンサーを買収しているのに、中国の小さな会社が独自設計のセンサーを製造しているというのは非常に信じがたいことです。 Logitech について言及した場合、最も安価なものを除くほとんどのモデルには、解像度 800 cpi のセンサーが搭載されていることを付け加えておきたいと思います。

しかし、テクノロジーの話に戻りましょう。センサーは表面の非常に小さな領域を撮影し、画面上のカーソルは遅延なくスムーズに移動する必要があり、そのためには、順次読み取られる表面のフレームがわずかなオフセットで互いに重なり合う必要があることに留意してください。表面は 1 秒あたり 1500 枚という非常に高速で撮影されます。これにより、マウスを最大 12 インチ (30 センチメートル)/秒の速度で動かすことができます。 1 秒あたり 2000 または 2300 画像で表面を撮影し、1 秒あたり 14 インチ (35 cm) の速度でマウスを移動できるセンサーオプションもあります。さらに、マイクロソフトは、最新の開発には毎秒 6000 フレームの撮影速度を持つセンサーが含まれていると主張しています。繰り返しますが、技術的な説明は次のとおりです。

このようなセンサーは見たことがありませんが、この場合は十分に可能だと思います。上記はすべて画像読み取りシステムに当てはまります。次に、キャプチャされたフレームは、特許取得済みの特別なアルゴリズムを使用してデジタルシグナルプロセッサによって処理されます。受信したフレームを比較することで、プロセッサはマウスの動きの量と方向を特定し (図 3 を参照)、このデータを座標に変換します。

センサーは主に 18 MHz の周波数の発振器によって水晶振動子で駆動されているため (24 MHz のオプションもあります)、デジタルプロセッサの能力は 1 秒あたり 1,800 万回の演算であると想定できます。計算された座標はシリアルインターフェイスを使用してコンピュータに送信されます。最初のセンサーモデルは PS/2 インターフェイス経由でコンピュータと「通信」できましたが、USB インターフェイス経由で動作するには追加のコントローラーが必要でした。ちなみに、USBインターフェース使用時のデフォルトの座標送信頻度は125回/秒、PS/2～100回です。ただし、センサー自体の一部のパラメーター、特に解像度と座標送信頻度はシリアルポート経由で設定できます。

次に、光学システムの他のコンポーネントの目的を見てみましょう。日中でも脇の下は暗いため、センサーが撮影する面を照らす必要があります。センサーカメラは、赤色スペクトル (l= 639 nm) の光を認識するように構成されています。そのため、赤色 LED が使用されます。その主な役割は、放射光量が最小限であっても、作業面全体でセンサーの動作を保証することです。ライトの明るさが高いほど、センサーが動作する表面の数が増えます。

表面の均一な照明を確保するために、LED からの光はライトガイドを通過し、レンズによって散乱されます。別のレンズを通して、センサーは表面の画像を読み取ります。構造的には2枚のレンズとライトガイドが1つの部品として作られており、同じ言葉で「レンズ」と呼ばれています。

レンズは、光を散乱させ集束させる機能に加えて、センサーを静電気放電から保護するという別の重要な機能も果たします。レンズが作業面およびセンサーから厳密に定義された距離に配置されなければならないことは明らかです。したがって、光学システムの要素が取り付けられるプリント回路基板 (PCB) と支持面 (ベースプレート) には、厚さを含む厳密に定義されたパラメータが必要です。さて、光学システムの最後の要素はラッチです。これは、光学システムの要素を相互に固定するのに役立ちます。

この時点では、光学システムのことはそのままにして、このシステムが機能する表面について話すことができます。センサーは表面の微細な特徴を利用するため、そのような特徴が多ければ多いほど優れています。これらには、優れた質感 (どの生地にも備わっています) や模様のある特徴を備えた表面が含まれます。また、通常の白い紙の上でも、光学式マウスは非常にうまく機能します。ただし、センサーは、鏡、ガラス、または敷物のプラスチック表面など、反射面ではうまく機能しません。その他の「悪い」サーフェスには、ハーフトーンサーフェスや 3 次元画像のラグなどがあります。

しかし、それはともかく、可動部品がないこと、正確な位置決め、スムーズで簡単な動きなどのプラスの側面により、光学式マウスはかなり魅力的な購入となります。

そして、20 ドルまでの価格帯のマウスを取り上げると、ほとんどの場合、同じタイプのセンサーが搭載されており、したがって同じ特性を備えていることになります。この場合、製品の人間工学、存在感に注意を払う必要があります。