Оптическая мышь — это компьютерная мышь , в которой используется миниатюрная камера и цифровая обработка изображений для обнаружения движения относительно поверхности. Варианты оптической мыши в значительной степени заменили старую механическую мышь , требующую частой чистки.
Первые оптические мыши обнаруживали движение на подготовленных поверхностях, однако они так и не получили широкого распространения. Современная оптическая мышь, использующая цифровую корреляцию изображений и работающая 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] Его технология объясняется в интервью с одним из его изобретателей, сделанном Музеем истории компьютеров .
Хотя их обычно не называют оптическими мышами, почти все механические мыши отслеживают движение с помощью светодиодов и фотодиодов , чтобы определить, когда лучи инфракрасного света проходят или не проходят через отверстия в паре инкрементальных поворотных энкодеров (одно для левого/правого, другое вперед/назад), приводимый в движение прорезиненным шариком. Таким образом, основным отличием «оптических мышей» является не использование оптики, а полное отсутствие движущихся 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 была изобретена Стивом Киршем из Массачусетского технологического института и Mouse Systems Corporation , [5] [6 ] ] использовал инфракрасный светодиод и четырехквадрантный инфракрасный датчик для обнаружения линий сетки, напечатанных чернилами, поглощающими инфракрасное излучение, на специальной металлической поверхности. Алгоритмы прогнозирования в процессоре мыши рассчитывают скорость и направление по сетке. Другой тип, изобретенный Ричардом Ф. Лайоном из Xerox, использовал 16-пиксельный датчик изображения видимого света со встроенным детектором движения на той же интегральной микросхеме MOS n-типа ( 5 мкм ) [7] [8] и отслеживал движение светлых точек на темном поле печатной бумаги или подобного коврика для мыши. [9] Мыши Кирша и Лиона имели очень разное поведение, поскольку мышь Кирша использовала систему координат xy, встроенную в площадку, и не работала правильно при вращении площадки, в то время как мышь Lyon использовала систему координат xy панели. тело мыши, как у механических мышей.
В оптической мыши, которая в конечном итоге продавалась вместе с офисным компьютером Xerox STAR, использовалась технология упаковки перевернутого сенсорного чипа, запатентованная Лизой М. Уильямс и Робертом С. Черри из Центра микроэлектроники Xerox. [10]
Конструкция Mouse Systems (Kirsch) была коммерциализирована и продана в совместимой с ПК форме самой компанией [11] наряду с вариантами, переименованными для использования OEM с рабочими станциями Sun Microsystems [12] и 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 появилась возможность встраивать в саму мышь более мощные специальные чипы обработки изображений . Это усовершенствование позволило мыши обнаруживать относительное движение на самых разных поверхностях, преобразуя движение мыши в движение курсора и устраняя необходимость в специальном коврике для мыши. Конструкция оптической мыши с независимым от поверхности когерентным светом была запатентована Стивеном Б. Джексоном из Xerox в 1988 году, несмотря на то, что ее эффективность так и не была доказана. [14]
Однако изобретения Xerox так и не получили массового коммерческого использования, и оптические мыши оставались неуловимыми на рынке персональных компьютеров до тех пор, пока Microsoft не выпустила IntelliMouse с IntelliEye и IntelliMouse Explorer в 1999 году. [15] [16] В этих мышах использовалась технология, разработанная Hewlett-Packard под руководством их дочерняя компания Agilent Technologies (см. ниже). Эти мыши работали практически на любой поверхности и представляли собой долгожданное улучшение по сравнению с механическими мышами, которые собирали грязь, капризничали, вызывали грубое обращение и их приходилось часто разбирать и чистить. Другие производители вскоре последовали примеру Microsoft, в том числе Apple со своей Pro Mouse [15] , используя компоненты, произведенные Agilent (когда-то они отделились от HP), и в течение следующих нескольких лет механические мыши устарели.
Технология, лежащая в основе современной оптической компьютерной мыши, известна как корреляция цифровых изображений — технология, впервые разработанная оборонной промышленностью для отслеживания военных целей. Простая версия корреляции цифровых изображений с двоичным изображением использовалась в оптической мыши Lyon 1980 года. Оптические мыши используют датчики изображения для изображения естественной текстуры таких материалов, как дерево, ткань, коврики для мыши и пластик . Эти поверхности, освещенные светодиодом под углом, отбрасывают отчетливые тени, напоминающие холмистую местность, освещенную на закате. Изображения этих поверхностей фиксируются последовательно и сравниваются друг с другом, чтобы определить, насколько далеко переместилась мышь.
Чтобы понять, как оптический поток используется в оптических мышах, представьте себе две фотографии одного и того же объекта, только слегка смещенные друг от друга. Поместите обе фотографии на световой стол , чтобы они стали прозрачными, и перемещайте одну по другой, пока их изображения не выровняются. Степень, на которую края одной фотографии нависают над другой, представляет собой смещение между изображениями, а в случае оптической компьютерной мыши — расстояние, на которое она переместилась.
Оптические мыши захватывают тысячу и более последовательных изображений в секунду. В зависимости от того, как быстро движется мышь, каждое изображение будет смещено относительно предыдущего на долю пикселя или даже на несколько пикселей. Оптические мыши математически обрабатывают эти изображения, используя взаимную корреляцию, чтобы рассчитать, насколько каждое последующее изображение смещено от предыдущего. [ нужна цитация ] Выходной сигнал оптического датчика обычно представляет собой дельта- X, Yкоординаты. Некоторые оптические микросхемы также позволяют получать данные изображения. Мыши обычно имеют встроенную систему сбора изображений и процессоры DSP для быстрой обработки данных.
Оптическая мышь может использовать датчик изображения, имеющий массив монохроматических пикселей размером 18 × 18 пикселей. Его датчик обычно использует тот же ASIC , что и тот, который используется для хранения и обработки изображений. Одним из усовершенствований будет ускорение процесса корреляции за счет использования информации о предыдущих движениях, а другим усовершенствованием будет предотвращение мертвых зон при медленном движении путем добавления интерполяции или пропуска кадров. [ нужна цитата ]
Разработка современной оптической мыши в Hewlett-Packard Co. поддерживалась рядом связанных проектов в 1990-х годах в HP Laboratories. В 1992 году Уильям Холланд получил патент США № 5 089 712, а Джон Эртель, Уильям Холланд, Кент Винсент, Рюиминг Джамп и Ричард Болдуин получили патент США 5 149 980 на измерение линейного продвижения бумаги в принтере путем сопоставления изображений бумажных волокон. Росс Р. Аллен, Дэвид Бирд, Марк Т. Смит и Барклай Дж. Таллис получили патенты США 5 578 813 (1996 г.) и 5 644 139 (1997 г.) на принципы двумерной оптической навигации (т. е. измерения положения), основанные на обнаружении и корреляции микроскопических изображений. , присущие особенности поверхности, по которой перемещался навигационный датчик, и использование измерений положения каждого конца линейного датчика изображения (документа) для восстановления изображения документа. Это концепция сканирования от руки, используемая в ручном сканере HP CapShare 920. Оптическая мышь была предвосхищена описанием оптического средства, которое явно преодолело ограничения колес, шариков и роликов, используемых в современных компьютерных мышах. Эти патенты легли в основу патента США № 5 729 008 (1998 г.), выданного Трэвису Н. Блэлоку, Ричарду А. Баумгартнеру, Томасу Хорнаку, Марку Т. Смиту и Барклаю Дж. Таллису, в котором поверхности характеризуются распознаванием изображений, обработкой изображений и корреляцией изображений. был реализован с помощью интегральной схемы для измерения положения. Повышенная точность двухмерной оптической навигации, необходимая для применения оптической навигации для точного двухмерного измерения продвижения носителя (бумаги) в широкоформатных принтерах HP DesignJet, была дополнительно усовершенствована в патенте США № 6,195,475, выданном в 2001 году Раймонду Г. Босолею -младшему и Росс Р. Аллен.
В то время как реконструкция изображения в приложении для 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, свойственного при навигации с более низким разрешением, но также наслаждайтесь преимуществом визуальной обратной связи с пользователем 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, когда они впервые были популяризированы, для освещения часто использовали светодиоды (LED). Цвет светодиодов оптической мыши может быть разным, но чаще всего используется красный, поскольку красные диоды недороги, а кремниевые фотодетекторы очень чувствительны к красному свету. ИК-светодиоды также широко используются. [17] Иногда используются другие цвета, например синий светодиод V-Mouse VM-101, показанный справа.
Лазерная мышь использует инфракрасный лазерный диод вместо светодиода для освещения поверхности под датчиком. Еще в 1998 году компания Sun Microsystems поставляла лазерную мышь в комплект своих серверов и рабочих станций Sun SPARCstation. [18] Однако лазерные мыши не выходили на основной потребительский рынок до 2004 года, после разработки командой Agilent Laboratories, Пало-Альто, возглавляемой Дугом Бэйни, лазерной мыши на основе 850-нм VCSEL, которая предлагала 20-кратное увеличение. улучшение эффективности отслеживания. Тонг Се, Маршалл Т. Депью и Дуглас М. Бэйни получили патенты США 7 116 427 и 7 321 359 за работу над потребительскими мышами на базе VCSEL с низким энергопотреблением и широкими возможностями навигации. Пол Мачин из Logitech в партнерстве с Agilent Technologies представил новую технологию — лазерную мышь MX 1000 . В этой мыши вместо светодиода используется небольшой инфракрасный лазер (VCSEL), что значительно увеличивает разрешение изображения , получаемого мышью. Лазерное освещение 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 стекле и глянцевых поверхностях; они назвали их лазерным датчиком «Темное поле». Однако это не имеет ничего общего с темнопольным освещением , используемым в микроскопах; согласно описанию Logitech [21] он использует второй лазер с другого направления для лучшего освещения, если обнаруживается низкий контраст.
Производители часто проектируют свои оптические мыши, особенно беспроводные модели с батарейным питанием, таким образом, чтобы по возможности экономить электроэнергию. Для этого мышь тускнеет или мигает лазером или светодиодом в режиме ожидания (у каждой мыши разное время ожидания). Типичная реализация (от Logitech ) имеет четыре состояния питания, в которых датчик подает импульсы с разной частотой в секунду :
Движение можно обнаружить в любом из этих состояний; некоторые мыши полностью отключают датчик в состоянии сна, и для пробуждения требуется нажатие кнопки.
Оптические мыши, использующие инфракрасные элементы (светодиоды или лазеры), значительно увеличивают срок службы батареи по сравнению с освещением видимого спектра. Некоторые мыши, такие как лазерная мышь Logitech V450 с длиной волны 848 нм, способны работать от двух батарей типа АА в течение целого года из-за низкого энергопотребления инфракрасного лазера. [ нужны разъяснения ]
Мыши, предназначенные для использования там, где важны низкая задержка и высокая скорость отклика, например, при игре в видеоигры , могут не включать функции энергосбережения и требовать проводного подключения для повышения производительности. Примерами мышей, которые жертвуют энергосбережением в пользу производительности, являются Logitech G5 и Razer Copperhead.
В отличие от механических мышей, механизмы слежения которых могут забиваться ворсом, у оптических мышей нет движущихся частей (кроме кнопок и колесиков прокрутки); следовательно, они не требуют технического обслуживания, кроме удаления мусора, который может скопиться под излучателем света. Однако они, как правило, не могут отслеживаться на глянцевых и прозрачных поверхностях, в том числе на некоторых ковриках для мыши, что приводит к непредсказуемому дрейфу курсора во время работы. Мыши с меньшей мощностью обработки изображений также испытывают проблемы с отслеживанием быстрых движений, тогда как некоторые высококачественные мыши могут отслеживать скорость быстрее 2 м/с .
Некоторые модели лазерных мышей могут отслеживать движения на глянцевых и прозрачных поверхностях и обладают гораздо более высокой чувствительностью.
По состоянию на 2006 год [обновлять]у механических мышей было более низкое среднее энергопотребление , чем у их оптических аналогов; мощность, потребляемая мышами, относительно невелика, и это важно учитывать только в том случае, если питание поступает от батарей с их ограниченной емкостью.
Оптические модели превосходят механические мыши на неровных, скользких, мягких, липких или рыхлых поверхностях и, как правило, в мобильных ситуациях, где нет ковриков для мыши . Поскольку оптические мыши отображают 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 могут отслеживать движение по таким поверхностям.
[Изображение в рамке] Компьютерная мышь — современная оптическая мышь [..] Mouse Systems Corp