Оптическая мышь — это компьютерная мышь , которая использует миниатюрную камеру и цифровую обработку изображений для обнаружения движения относительно поверхности. Разновидности оптической мыши в значительной степени заменили старую механическую мышь и ее потребность в частой чистке.
Самые ранние оптические мыши обнаруживали движение на подготовленных поверхностях, однако они так и не получили широкого распространения. Современная оптическая мышь, которая использует цифровую корреляцию изображений и работает практически на любой поверхности, была изобретена в 2000 году Гэри Гордоном , Дереком Ни, Радживом Бадьялом и Джейсоном Хартлавом и получила патент США 6 433 780. [1] Ее технология объясняется в интервью с одним из ее изобретателей, сделанном Музеем компьютерной истории .
Хотя их обычно не называют оптическими мышами, почти все механические мыши отслеживали движение с помощью светодиодов и фотодиодов, чтобы определять, когда лучи инфракрасного света проходили или не проходили через отверстия в паре инкрементальных вращающихся энкодерных колес (одно для движения влево/вправо, другое для движения вперед/назад), приводимых в движение прорезиненным шариком. Таким образом, основное отличие «оптических мышей» заключается не в использовании оптики, а в полном отсутствии у них подвижных частей для отслеживания движения мыши, вместо этого используется полностью твердотельная система.
Первые две оптические мыши, впервые продемонстрированные двумя независимыми изобретателями в декабре 1980 года, имели разные базовые конструкции: [2] [3] [4] Одна из них, изобретенная Стивом Киршем из Массачусетского технологического института и Mouse Systems Corporation , [5] [6] использовала инфракрасный светодиод и четырехквадрантный инфракрасный датчик для обнаружения линий сетки, напечатанных чернилами, поглощающими инфракрасное излучение, на специальной металлической поверхности. Прогностические алгоритмы в ЦП мыши вычисляли скорость и направление по сетке. Другой тип, изобретенный Ричардом Ф. Лайоном из Xerox, использовал 16-пиксельный датчик изображения видимого света со встроенным обнаружением движения на том же чипе интегральной схемы МОП n-типа ( 5 мкм ) , [7] [8] и отслеживал движение светлых точек в темном поле печатной бумаги или аналогичного коврика для мыши. [9] Мыши типов Kirsch и Lyon имели совершенно разное поведение, так как мышь Kirsch использовала систему координат xy, встроенную в коврик, и работала некорректно при вращении коврика, в то время как мышь Lyon использовала систему координат xy тела мыши, как это делают механические мыши.
Оптическая мышь, которая в конечном итоге продавалась вместе с офисным компьютером Xerox STAR, использовала подход с инвертированным сенсорным чипом, запатентованный Лизой М. Уильямс и Робертом С. Черри из Центра микроэлектроники Xerox. [10]
Конструкция Mouse Systems (Kirsch) была коммерциализирована и продавалась в совместимой с ПК форме самой компанией [11], а также ее вариантами, переименованными для использования OEM-производителями с рабочими станциями Sun Microsystems [12] и компанией Data General [13] .
Современные оптические мыши, независимые от поверхности, работают с использованием оптоэлектронного датчика (по сути, крошечной видеокамеры с низким разрешением) для получения последовательных изображений поверхности, на которой работает мышь. По мере удешевления вычислительной мощности стало возможным встраивать в саму мышь более мощные специализированные чипы обработки изображений . Это достижение позволило мыши обнаруживать относительное движение на самых разных поверхностях, переводя движение мыши в движение курсора и устраняя необходимость в специальном коврике для мыши. Конструкция оптической мыши с когерентным светом, не зависящей от поверхности, была запатентована Стивеном Б. Джексоном в Xerox в 1988 году, несмотря на то, что ее работа никогда не демонстрировалась. [14]
Однако изобретения Xerox никогда не были широко использованы в коммерческих целях, и оптические мыши оставались неуловимыми на рынке персональных компьютеров, пока Microsoft не выпустила IntelliMouse с IntelliEye и IntelliMouse Explorer в 1999 году. [15] [16] Эти мыши использовали технологию, разработанную Hewlett-Packard в рамках их дочерней компании Agilent Technologies (см. ниже). Эти мыши работали практически на любой поверхности и представляли собой долгожданное улучшение по сравнению с механическими мышами, которые собирали грязь, капризно следили, требовали грубого обращения и их нужно было часто разбирать и чистить. Другие производители вскоре последовали примеру Microsoft, включая Apple для своей Pro Mouse , [15] используя компоненты, произведенные Agilent (после того, как они отделились от HP), и в течение следующих нескольких лет механические мыши устарели.
Технология, лежащая в основе современной оптической компьютерной мыши, известна как цифровая корреляция изображений , технология, впервые разработанная оборонной промышленностью для отслеживания военных целей. Простая версия цифровой корреляции изображений с двоичным изображением использовалась в оптической мыши Lyon 1980 года. Оптические мыши используют датчики изображений для отображения естественной текстуры в таких материалах, как дерево, ткань, коврики для мыши и Formica . Эти поверхности, освещенные под углом скольжения светодиодом, отбрасывают отчетливые тени, которые напоминают холмистую местность, освещенную на закате. Изображения этих поверхностей захватываются в непрерывной последовательности и сравниваются друг с другом, чтобы определить, как далеко переместилась мышь.
Чтобы понять, как оптический поток используется в оптических мышах, представьте себе две фотографии одного и того же объекта, но слегка смещенные друг относительно друга. Поместите обе фотографии на световой стол, чтобы сделать их прозрачными, и сдвиньте одну по другой, пока их изображения не выровняются. Величина, на которую края одной фотографии выступают над другой, представляет собой смещение между изображениями, а в случае оптической компьютерной мыши — расстояние, на которое она переместилась.
Оптические мыши захватывают тысячу последовательных изображений или более в секунду. В зависимости от того, насколько быстро движется мышь, каждое изображение будет смещено относительно предыдущего на долю пикселя или на несколько пикселей. Оптические мыши математически обрабатывают эти изображения, используя кросс-корреляцию, чтобы вычислить, насколько каждое последующее изображение смещено относительно предыдущего. [ необходима цитата ] Выходные данные оптического датчика обычно представляют собой дельта- X, Yкоординаты. Некоторые оптические ИС также позволяют получать данные изображения. Мыши обычно встраивают какую-либо систему получения изображений и процессоры DSP для быстрой обработки данных.
Оптическая мышь может использовать датчик изображения с матрицей монохроматических пикселей 18 × 18. Обычно ее датчик использует ту же ASIC , что и та, которая используется для хранения и обработки изображений. Одним из усовершенствований будет ускорение процесса корреляции за счет использования информации из предыдущих движений, а другим усовершенствованием будет предотвращение мертвых зон при медленном движении путем добавления интерполяции или пропуска кадров. [ необходима цитата ]
Разработка современной оптической мыши в Hewlett-Packard Co. была поддержана рядом смежных проектов в 1990-х годах в HP Laboratories. В 1992 году Уильям Холланд получил патент США 5,089,712, а Джон Эртел, Уильям Холланд, Кент Винсент, Рюиминг Джамп и Ричард Болдуин получили патент США 5,149,980 за измерение линейной подачи бумаги в принтере путем сопоставления изображений бумажных волокон. Росс Р. Аллен, Дэвид Бирд, Марк Т. Смит и Баркли Дж. Туллис получили патенты США 5,578,813 (1996) и 5,644,139 (1997) на двухмерные оптические навигационные (т. е. позиционные) принципы, основанные на обнаружении и корреляции микроскопических, присущих поверхности, по которой перемещался навигационный датчик, и использовании позиционных измерений каждого конца линейного (документного) датчика изображения для реконструкции изображения документа. Это концепция сканирования от руки, используемая в ручном сканере HP CapShare 920. Оптическая мышь была ожидаема благодаря описанию оптических средств, которые явно преодолели ограничения колес, шариков и роликов, используемых в современных компьютерных мышах. Эти патенты легли в основу патента США 5,729,008 (1998), выданного Трэвису Н. Блэлоку, Ричарду А. Баумгартнеру, Томасу Хорнаку, Марку Т. Смиту и Баркли Дж. Туллису, где считывание изображения поверхностных элементов, обработка изображений и корреляция изображений были реализованы интегральной схемой для выполнения измерения положения. Улучшенная точность оптической навигации 2D, необходимая для применения оптической навигации для точного измерения подачи носителя (бумаги) в широкоформатных принтерах HP DesignJet, была дополнительно усовершенствована в патенте США 6,195,475, выданном в 2001 году Рэймонду Г. Босолею -младшему и Россу Р. Аллену.
В то время как реконструкция изображения в приложении сканирования документов (Аллен и др.) требовала разрешения оптических навигаторов порядка 1/600 дюйма, реализация оптического измерения положения в компьютерных мышах не только выигрывает от снижения затрат, присущего навигации при более низком разрешении, но и пользуется преимуществом визуальной обратной связи для пользователя о положении курсора на дисплее компьютера. В 2002 году Гэри Гордон , Дерек Ни, Раджив Бадьял и Джейсон Хартлав получили патент США 6,433,780 [1] на оптическую компьютерную мышь, которая измеряла положение с помощью корреляции изображений. Некоторые небольшие трекпады (например, на смартфонах Blackberry) работают как оптическая мышь.
Оптические мыши часто использовали светодиоды (LED) для подсветки, когда впервые стали популярными. Цвет светодиодов оптической мыши может быть разным, но красный является наиболее распространенным, поскольку красные диоды недороги, а кремниевые фотодетекторы очень чувствительны к красному свету. ИК-светодиоды также широко используются. [17] Иногда используются и другие цвета, например, синий светодиод V-Mouse VM-101, показанный справа.
Лазерная мышь использует инфракрасный лазерный диод вместо светодиода для освещения поверхности под своим датчиком. Еще в 1998 году компания Sun Microsystems поставляла лазерную мышь вместе со своими серверами и рабочими станциями Sun SPARCstation. [18] Однако лазерные мыши не выходили на массовый потребительский рынок до 2004 года, после разработки группой из Agilent Laboratories, Пало-Альто, во главе с Дугом Бэни, лазерной мыши на основе 850 нм VCSEL , которая предлагала 20-кратное улучшение производительности отслеживания. Тонг Се, Маршалл Т. Депью и Дуглас М. Бэни получили патенты США 7 116 427 и 7 321 359 за свою работу над потребительскими мышами на основе VCSEL с низким энергопотреблением и широкой навигационной способностью. Пол Мачин из Logitech в партнерстве с Agilent Technologies представил новую технологию как лазерную мышь MX 1000 . Эта мышь использует небольшой инфракрасный лазер (VCSEL) вместо светодиода и значительно увеличивает разрешение изображения , получаемого мышью. Лазерная подсветка обеспечивает превосходное отслеживание поверхности по сравнению с оптическими мышами со светодиодной подсветкой. [19]
В 2008 году компания Avago Technologies представила лазерные навигационные датчики, излучатель которых был интегрирован в ИС с использованием технологии VCSEL . [20]
В августе 2009 года Logitech представила мыши с двумя лазерами для лучшего отслеживания на стеклянных и глянцевых поверхностях; они назвали их лазерным датчиком "Darkfield". Однако это имеет мало общего с темным освещением , которое используется в микроскопах; согласно описанию Logitech [21], он использует второй лазер с другого направления для лучшего освещения, если обнаруживает низкий контраст.
Производители часто проектируют свои оптические мыши, особенно беспроводные модели с питанием от батареек, чтобы экономить энергию, когда это возможно. Для этого мышь затемняет или мигает лазером или светодиодом в режиме ожидания (у каждой мыши разное время ожидания). Типичная реализация ( Logitech ) имеет четыре состояния питания, в которых датчик пульсирует с разной частотой в секунду: [ необходима цитата ]
Движение можно обнаружить в любом из этих состояний; некоторые мыши полностью отключают датчик в состоянии сна, и для пробуждения требуется нажать кнопку.
Оптические мыши, использующие инфракрасные элементы (светодиоды или лазеры), предлагают существенное увеличение срока службы батареи по сравнению с видимым спектром освещения. Некоторые мыши, такие как Logitech V450 848 нм лазерная мышь, способны работать от двух батареек AA в течение целого года из-за низкого энергопотребления инфракрасного лазера. [ требуется разъяснение ]
Мыши, предназначенные для использования там, где важны низкая задержка и высокая скорость отклика, например, при игре в видеоигры , могут не иметь функций энергосбережения и требовать проводного подключения для повышения производительности. Примерами мышей, которые жертвуют энергосбережением ради производительности, являются Logitech G5 и Razer Copperhead.
В отличие от механических мышей, чьи механизмы отслеживания могут засоряться ворсом, оптические мыши не имеют движущихся частей (кроме кнопок и колес прокрутки); поэтому они не требуют обслуживания, за исключением удаления мусора, который может скапливаться под излучателем света. Однако они, как правило, не могут отслеживать на глянцевых и прозрачных поверхностях, включая некоторые коврики для мыши, из-за чего курсор непредсказуемо дрейфует во время работы. Мыши с меньшей мощностью обработки изображений также испытывают проблемы с отслеживанием быстрого движения, тогда как некоторые высококачественные мыши могут отслеживать быстрее 2 м/с .
Некоторые модели лазерных мышей могут отслеживать движение по глянцевым и прозрачным поверхностям и обладают гораздо более высокой чувствительностью.
По состоянию на 2006 год [обновлять]механические мыши имели более низкие средние требования к мощности , чем их оптические аналоги; мощность, потребляемая мышами, относительно невелика, и имеет важное значение только в том случае, если питание поступает от батареек с их ограниченной емкостью.
Оптические модели превосходят механические мыши на неровных, скользких, мягких, липких или рыхлых поверхностях и, как правило, в подвижных ситуациях, когда нет ковриков для мыши . Поскольку оптические мыши воспроизводят движение на основе изображения, которое освещает светодиод (или инфракрасный диод) , использование с разноцветными ковриками для мыши может привести к ненадежной работе; однако лазерные мыши не страдают от этих проблем и будут отслеживать на таких поверхностях.
[Изображение коробки] Мышь для ПК - Современная оптическая мышь [..] Mouse Systems Corp