Устройства ввода информации

     Устройства  ввода информации

     Клавиатура  (клавишное устройство) реализует диалоговое общение пользователя с ЭВМ:

     – ввод команд пользователя, обеспечивающих доступ к ресурсам ЭВМ;

     – запись, корректировку и отладку  программ;

     – ввод данных и команд в процессе решения задач.

     Центральную часть клавиатуры обычно занимают клавиши  букв латинского и русского алфавита, служебных знаков (!, «, :, % и др.), а также цифровые клавиши. В большинстве случаев одна клавиша используется для ввода нескольких разных знаков, причем переход между ними производится за счет одновременного нажатия соответствующей клавиши и одной и/или двух служебных функциональных клавиш (обычно – клавиш Shift, Alt, Ctrl). В большинстве моделей клавиатуры с правой стороны размещается дополнительная цифровая клавиатура, что создает удобства при необходимости частого ввода чисел. По периферии клавиатуры размещаются служебные функциональные клавиши: Enter, Esc, Delete, Insert, Tab и другие, а также «программируемые» функциональные клавиши (F1–F12). Функциональные клавиши в программах выполняют в основном специальные операции. К примеру, клавиша Esc обычно означает «отмену» или «возврат», клавиша Insert – «вставку». Назначение программируемых функциональных клавиш F1–F12 более гибко: оно, как правило, определяется в соответствующих программах и приводится в их документации. Служебные клавиши (Shift, Alt, Ctrl) и индикаторы режимов  
(Print Screen, Caps Lock, Break) служат для переключения назначения алфавитно-цифровых клавиш, вывода «образа экрана дисплея» на принтер, изменения режима работы и прерывания программ. Клавиши управления (<, >, , ) необходимы для позиционирования курсора на экране дисплея. Ряд клавиш обеспечивают перемещение курсора в начальную или конечную позицию на строке экрана дисплея (Home, End), а также на страницу вперед или назад (PgUp и PgDn).

     Клавиатура  ЭВМ передает микропроцессору не код символа, а порядковый номер  нажатой клавиши и продолжительность  времени каждого нажатия. Интерпретация  смысла нажатой клавиши выполняется программным путем. Таким образом, кодировка клавиши оказывается независимой от кодировки символов, что значительно упрощает работу с клавиатурой.

     Общение пользователя с ЭВМ облегчается  с помощью различных манипуляторов. Наиболее распространенным из них является так называемая мышь. Мышь подключается к компьютеру при помощи специального кабеля. Пользователь, перемещая мышь по какой-либо поверхности, позиционирует указатель мыши (стрелку, прямоугольник) на экране дисплея, а нажатием клавиш выполняет определенное действие, связанное с соответствующей клавишей (например выполняет определенный пункт меню). Мышь требует специальной программной поддержки.

     Иногда  мышь заменяется особым, встроенным в  клавиатуру, шариком, называемым трекбол. Позиционирование указателя трекбола на экране дисплея производится вращением этого шарика. Клавиши трекбола имеют то же значение, что и клавиши мыши. Несмотря на наличие трекбола, пользователь может использовать и обычную мышь, подключив ее к соответствующему порту.

     Для ввода рисунков в ЭВМ может  использоваться также световое перо и различные диджитайзеры.

     К ручным манипуляторам относится  джойстик, представляющий собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками, при помощи которой можно позиционировать указатель на экране дисплея. Кнопки имеют то же назначение, что и клавиши мыши. Джойстик используется в первую очередь для игровых применений.

     Сканер

     Сканер  – это внешнее устройство ПЭВМ, позволяющее вводить двухмерное (т.е. плоское) изображение.

     Конструкция сканеров в значительной степени определяется типом вводимого изображения: штриховое или полутоновое, монохромное или цветное.

     Принцип работы сканера заключается в  том, что поверхность изображения  освещается перемещающимся лучом света, а светочувствительный прибор (фотоэлемент, фотодиод или фотоэлектронный умножитель) воспринимает отраженный свет, интенсивность которого зависит от яркости освещенного участка изображения, и преобразовывает его в электрический сигнал. Полученный электрический сигнал преобразовывается из аналоговой в цифровую форму и в виде цифровой характеристики яркости точки поступает в ЭВМ.

     Такой сканер считывает изображение в  графическом виде. Полученное изображение  может быть сохранено в памяти ЭВМ, обработано графическим редактором или выведено на дисплей либо на принтер. Если был введен текст, то при отображении на дисплее или на принтере его можно прочитать. Использовать же текстовые редакторы для работы (редактирования, форматирования) с таким документом не представляется возможным.

     Перед обработкой просканированного изображения  текстовым редактором необходимо графическое  изображение текста преобразовать  в код ASCII или ANSI. Такое преобразование осуществляется программными или аппаратными средствами распознавания образов.

     Луч света, с помощью которого сканируется изображение, должен последовательно, элемент за элементом осветить все изображение. В зависимости от того, каким образом осуществляется последовательное освещение элементов изображения, различаются оптические читающие устройства со считыванием изображений линейкой и матрицей фотоэлементов, со спиральной барабанной разверткой, со считыванием методом «бегущего луча», слежением за контуром.

     Считывание  линейкой фотоэлементов заключается  в том, что изображение освещается полоской света, а отраженный свет падает на фотоэлементы, смонтированные в виде линейки. Каждый фотоэлемент фиксирует попавшую на него часть светового потока. Электрический сигнал считывается последовательно со всех элементов линейки. После считывания полоска света (вместе со считывающей головкой) перемещается на следующую часть документа (или полоска света неподвижна, а перемещается документ относительно считывающей головки).

     Считывание  матрицей фотоэлементов производится аналогично, но фотоэлементы смонтированы в виде матрицы (например размером со считываемый документ). В этом случае документ освещается целиком, а не отдельными полосками. Перемещения документа относительно считывающей головки не требуется.

     Если  фотоэлементы выполняются в виде микросхемы, то разрешающая способность такого считывателя может быть достаточно высокой. Если же они выполнены в виде отдельных конструктивных элементов и собираются в линейку или матрицу при сборке устройства, то из-за больших физических размеров компонентов считыватель обладает невысокой разрешающей способностью. Повысить разрешающую способность линейки или матрицы можно, проектируя на нее считываемое изображение с увеличением.

     Оптические  считыватели со спиральной барабанной разверткой состоят из барабана с  закрепленным на нем носителем считываемого изображения, зеркала, источника света, фотоэлемента и механического привода  для вращения барабана и перемещения  зеркала.

     Зеркало служит для отклонения на 90° тонкого луча света. Отражаясь от зеркала, луч падает на образующую барабана и освещает точку на его поверхности (а к поверхности барабана прикреплен носитель считываемого изображения).

     Вращение  барабана и перемещение зеркала  вдоль его образующей происходят одновременно, благодаря чему луч по спирали «разворачивает» изображение, находящееся на поверхности барабана.

     Отраженный  от барабана свет воспринимается фотоэлементом.

     Оптические  считыватели методом «бегущего луча» построены по принципу растровой развертки. В качестве луча света может использоваться либо свет от экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), либо лазерный луч, отклоняемый системой зеркал.

     В состав считывателя входят: генератор  развертки, ЭЛТ, экран со считываемым  изображением, объектив, фотоэлемент и блок кодирования изображения.

     Генератор развертки вырабатывает напряжение, перемещающее электронный луч на экране ЭЛТ. Нанесенный на экран люминофор  является перемещающимся источником света (для этого ЭЛТ должна иметь  люминофор с очень коротким послесвечением): электронный луч рисует на экране матрицу точек, которая проектируется на экран со считываемым изображением. Каждый пиксел экрана работает как импульсный источник света: при вспыхивании он освещает соответствующую точку изображения, отраженный свет от которой фиксируется фотоэлементом и преобразовывается в цифровой код изображения.

     Считывание  «слежением за контуром» производится аналогично, но генератор развертки рисует на экране матрицу или растр только до того момента, пока на изображении не встретилась линия. После этого блок сканирования переключает генератор развертки в режим слежения за контуром и запоминает направление перемещения луча – эта информация оформляется как векторное описание считанного изображения.

     Все рассмотренные системы считывания изображения позволяют получить графическое представление информации.

     Аппаратурные  средства могут преобразовывать  считанное изображение в символьный вид. Для этого используются устройства считывания с распознаванием: сравнение с эталонами, метод зондов и нейронные системы типа «перцептрон».

     Блок  считывания (в качестве которого может  использоваться любой рассмотренный  ранее считыватель) передает цифровое описание считанного изображения (или  его фрагмента) в сравнивающее устройство, на другой вход которого поступают описания известных объектов из памяти с эталонами. При совпадении эталона со считанным изображением вырабатывается сигнал распознавания, и на выход считывателя выдается код распознанного элемента (если распознается текст, то код ASCII).

     Метод зондов заключается в особом построении линеек (или матриц) фотоэлементов.

     На  такой зонд проецируется распознаваемый символ. По комбинации затененных линеек опознается символ, и на выход распознающей системы поступает код распознанного символа.

     После обучения перцептрон способен распознавать образы, поступившие в виде изображения  на матрицу фотоэлементов, выдавая  на выходе их коды.

     Перцептрон  относится к параллельным (нейронным) системам, так как в нем используется принцип распознавания, реализованный в нейронных сетях живых организмов.

     Суммирующие элементы перцептрона представляют собой аналоговые сумматоры, выдающие на выходе сумму сигналов, поступивших на входы с учетом веса каждой связи элементов A_i с S_j (того самого веса, который изменялся в процессе обучения).

     Решающие  элементы могут быть построены по принципу выделения наибольшего  или наименьшего из поступивших  на них сигналов, но могут быть построены  и на основе более сложных алгоритмов.

     Введение  в схему перцептрона обратных связей (с выхода на вход) позволяет реализовать в них самообучение.

     Учитывая, что современные сканеры могут  иметь разрешающую способность, превышающую 1000 пиксел на дюйм, удается  программным путем повысить чувствительность сканера в определении яркостных характеристик считанных изображений. Эта процедура называется фильтрованием и приводит к получению смазанных изображений, так как при увеличении количества уровней серого снижается контрастность.

     Конструктивно сканеры выпускаются в двух вариантах: портативные и настольные.

     Портативные сканеры представляют собой устройство, внешне похожее на мышь, которое  перемещается по вводимому в ЭВМ  изображению. Обычно сканеры имеют  небольшие размеры (ширина 2,5 дюйма = 6,4 см). Поэтому большие изображения (например лист текста формата А₄) приходится считывать за несколько проходов. Но в поставляемом вместе со сканером программном обеспечении предусмотрена функция «склейки» изображений, которая позволяет соединить считанные за разные проходы части в единое целое. Разрешающая способность таких сканеров редко превышает 400 пиксел на дюйм, каждый пиксел сопровождается четырехбитовым кодом уровня серого, что соответствует 16 оттенкам шкалы яркости. Считанное таким сканером изображение можно распечатать без преобразования на цветном принтере. Для печати же на черно-белом принтере его нужно преобразовать из полутонового в штриховое, шкала яркости которого имеет только два уровня – белое и черное.

     Настольные  сканеры выпускаются трех типов:

     – sheet-fed – строчный сканер, в котором носитель изображения пропускается через неподвижную считывающую головку (считывать можно только листовой материал, книги и журналы – нельзя);

     – flat-bed – страничный сканер, в котором считываемое изображение неподвижно;