Компьютерра PDA N169 (14.04.2012-20.04.2012)

Отец всех тачскринов: планшет RAND

Автор: Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 19 апреля 2012 года

Современные потребительские гаджеты — это в первую очередь их пользовательский интерфейс. Многомиллионные продажи тачфонов и планшетов говорят сами за себя: пользователи активно голосуют кошельком за удобство управления своими устройствами. Сегодня сложно представить время, когда опыты разработчиков с таким обыденным ныне сенсорным интерфейсом находились на таком же начальном этапе, как сегодня, к примеру, голосовые интерфейсы. Но именно эти разработки и, главное, упорное желание производителей совершенствовать перспективный вид пользовательского интерфейса привели к появлению нынешних чрезвычайно чутких и отзывчивых сенсорных панелей.

Среди множества экспериментальных разработок начала шестидесятых годов прошлого столетия (именно в это время начался бум "тачскринизма") особняком стоит разработка корпорации RAND. Архитектурные особенности планшета этой исследовательской компании фактически легли в основу всех современных технологий ёмкостных сенсорных панелей, от простеньких тачпадов в бюджетных нетбуках до продвинутых планшетных мультитач-решений. Что же революционного было в RAND-планшете тогда, в золотые шестидесятые?

Корпорация RAND и политически взрывоопасные шестидесятые неразрывно связаны. Советская пресса, с одной стороны, называла RAND "мозговым центром" и "фабрикой мысли", с другой — упорно связывала её со всеми возможными теориями заговора, именуя при этом "политическим стратегическим и аналитическим центром США".

Правда, как обычно, находится где-то посередине. В свидетельстве о регистрации некоммерческого независимого предприятия RAND (от Research ANd Development), датированном 1948 годом, указывается, что компания создаётся "для того, чтобы содействовать достижению целей в области науки, образования и благотворительности, в интересах общественного благополучия и безопасности Соединённых Штатов Америки".

Как видите, в стратегических целях создаваемого специализированного научно-исследовательского центра RAND изначально были заложены обе "стороны медали". И, наряду с Нью-Йоркским институтом RAND, среди разработок которого — известнейший метод экспертного оценивания Делфи, модели долгосрочного стратегического анализа и разработки в области кабельного телевидения, RAND — это ещё и Калифорнийский центр изучения поведения СССР за рубежом, рассматривающий глобальные вопросы "советского присутствия" и сыгравший не последнюю роль в пресловутом Карибском кризисе. Но что делать? Такое уж было время.

Впрочем, оставим политические страсти прошлого историкам. В большинстве своём исследовательские разработки RAND действительно носили стратегический характер. В том смысле, что, безусловно, определяли стратегию будущего развития множества областей знаний и технологий. Понимая это, руководство корпорации и её попечительский совет не скупились на финансирование перспективных разработок.

И RAND Tablet являлся одной из них. Идея его появления была сугубо милитаристской. Она возникла в ходе практической эксплуатации SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) — системы полуавтоматического наведения на цель самолётов-перехватчиков. Операторы SAGE взаимодействовали с модулем расчёта координат цели с помощью уникального для того времени устройства — светового пистолета (light gun), на смену которому чуть позже пришло световое перо (light pen).

Операторы военной системы SAGE решали задачу целеуказания с помощью световых пистолетов

Эти устройства непосредственного позиционирования существенно ускоряли ввод координат в расчётный модуль: операторы просто указывали нужную точку на координатной сетке дисплея, отображающего показания радарных установок. В основе их "световых мечей" лежал оптико-электрический принцип. Пистолет или перо фиксировали светящуюся точку на экране дисплея с электронно-лучевой трубкой, преобразовывали её в электрический сигнал, а затем передавали последний компьютеру для вычисления координат.

Принцип работы светового пера

Работа оператора SAGE была не из лёгких, и то то, что им приходилось всё дежурство держать руку со световым пистолетом на весу, комфорта не добавляло. Кроме этого эргономического недостатка был ещё один: рука оператора со световым устройством закрывала обзор и без того небольшого экрана контрольного дисплея SAGE. В результате пропустить цель было проще простого.

Что если предложить оператору более естественный способ работы с информацией на экране? Пусть перо как инструмент позиционирования остаётся, вот только работать оно будет не с экраном, а со специальным планшетом, позволяющим перу получить точную координату места, на которое оно указывает. Так рассуждали инженер RAND Малкольм Дэвис (Malcolm Davis) и менеджер отдела стратегических разработок Томас Эллис (Thomas Ellis).

Проведя бесчисленное множество экспериментов с самыми разными технологиями, Дэвис и Элис к 1963 году были готовы перейти от создания концепции к её реализации. Результатом их трудов стала уникальная для того времени конструкция сенсорной панели, разрешающая способность и чувствительность которой до сих пор способны дать фору современным разработкам.

Внешне предложенное Дэвисом и Элисом решение выглядело как… планшет: покрытая эпоксидной смолой рабочая поверхность десять на десять дюймов и блок управления, содержащий электронную начинку разработки, состоящую из более чем четырёхсот транзисторов и двухсот диодов. Запитывалась схема от внушительных размеров блока питания.

Внешний вид RAND Tablet

Массивный блок питания RAND Tablet

Наиболее интересная часть планшета RAND скрывалась под залитой эпоксидной смолой поверхностью. На тончайший слой (0,5 миллиметра) майлара (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B9%D0%BB%D0%B0%D1%80) — полиэфирной плёнки, пришедшей на смену целлофану, — с двух сторон был нанесён тонкий (0,6 мм) слой меди, на котором и была вытравлена координатная сетка планшета. Верхняя поверхность содержала 1024 дорожки координат Х, а нижняя — 1024 дорожки координат Y. Таким образом, планшет RAND содержал миллион X-Y координат и обеспечивал беспрецедентное для того времени разрешение — 100 дорожек на дюйм.

Пример реализации координатной сетки RAND Tablet восемь на восемь дорожек

Однако более важным элементом, чем филигранная координатная сетка, были шины, к которым крепилась каждая дорожка. Именно они выполняли роль токопроводящих обкладок, которые в совокупности с майларовым диэлектриком создавали массив конденсаторов, располагавшихся по периметру рабочей поверхности планшета. Подавая в строго определённые моменты времени положительные или отрицательные импульсы к строго определённым шинам X и Y дорожек, разработчикам удалось создать координатное поле, каждая дорожка которого в каждый момент времени уникально кодировалась последовательностью, состоящей из троек положительных и отрицательных импульсов. Принимая положительный импульс за бинарную единицу, а отрицательный импульс за ноль, можно было получить закодированные подобным образом X-Y-координаты любой точки на поверхности планшета.

Пример кодирования номеров X и Y дорожек троичным кодом Грея

Кодирование X-Y линий тройками двоичных единиц и нулей было выбрано неслучайно. Такой код, называемый троичным кодом Грея, был выбран разработчиками планшета для сведения к минимуму количества ошибок в ходе преобразования аналоговых по своей природе импульсов тактирования каждой дорожки в цифровые данные, передаваемые компьютеру.

Перо планшета RAND, внешне напоминающее обычную ручку, обладало высоким импедансом и было электростатически связано с координатной сеткой планшета. Таким образом, когда перо прикасалось к поверхности планшета, на вход усиливающей схемы поступали последовательности кода Грея тех дорожек X и Y, на пересечении которых перо находилось в данный момент.

Осциллограмма положительных и отрицательных импульсов, считанных пером с поверхности планшета

Чтобы величина импульсов дорожек Y, располагающихся по отношению к перу под двумя слоями диэлектрика (майлар и эпоксидная смола поверхности), была равной импульсам дорожек X, размер и форма их шин были соответствующим образом рассчитаны и отличались от шин дорожек Х.

Работа планшета начиналась с момента замыкания контакта на кончике его пера. Сила нажатия, требуемая для такого замыкания, соответствовала нажатию кончика шариковой ручки на лист бумаги, что не вызывало у пользователя дискомфорта при работе с устройством.

Блок схема устройства управления RAND Tablet

Замыкание контакта инициировало подачу напряжения на усиливающую схему пера. С этого момента на её вход начинали поступать импульсы кодов Грея дорожек X и Y, над которыми перо находилось в данный момент. Усиленные импульсы стробировались и передавались на вход преобразователя кода Грея в бинарный код. В результате каждая дорожка X и Y кодировалась десятиразрядным бинарным числом, поступавшим в двадцатиразрядный регистр сдвига. Оттуда полученное двадцатиразрядное значение координат X-Y поступало в регистр интерфейса сопряжения с компьютером.

Но перед его использованием схема планшета проверяла наличие возможных ошибок, возникающих в ходе распознавания координат. Для этого двадцатиразрядная бинарная последовательность из регистра сдвига подавалась на вход преобразователя её обратно в код Грея. Полученные с его выхода троичные комбинации сравнивались с поступившими последовательностями импульсов с выхода усилителя пера. В случае полного совпадения схема "давала добро" на передачу координат компьютеру. В противном случае переключатель проверки корректности блокировал поступление ошибочно распознанных координат и компьютер получал предыдущее значение из регистра интерфейса сопряжения.

Принцип сопряжения RAND Tablet с компьютером

Цифровые значения координат пера поступали в видеосистему компьютера, которая отображала их на экране дисплея в виде точки. Высокоскоростной мультиплексор позволял подмешивать этот сигнал к видеоинформации, генерируемой программным обеспечением компьютера, размещая, таким образом, рисуемые точки на заданном фоне. Управляя задержкой отрисовки текущих и поступления новых координат, разработчикам удалось реализовать "электронные чернила" — последовательности точек, сливавшихся в одну линию. Благодаря этому решению с помощью планшета можно было работать с растровой графикой.

Планшет RAND широко применялся в разработках корпорации, связанных с непосредственным манипулированием графическими данными на экране дисплея. Опыт его эксплуатации показал, что пользователю требовалось совсем немного времени для того, чтобы сопоставить движение пера планшета и появление изображения отображаемых на экране линий.

Внешний вид RAND Tablet

Кроме сугубо коммерческого использования, несколько планшетов RAND были переданы в пользование университетам. Именно эти образцы и сподвигли исследователей к дальнейшему совершенствованию тач-технологии.

Нынешние ёмкостные сенсорные панели — архитектурные потомки планшета RAND. За исключением ряда нюансов, связанных с тем, что наш палец, в отличие от пера, не имеет непосредственной связи со схемой сенсорной панели, принципы получения координат поверхности у тачскрина-первопроходца и его далёких потомков являются одинаковыми.

Планшет RAND в прямом и переносном смыслах стал "пробой пера" привычных нам сенсорных технологий, открыв людям ещё один путь взаимодействия с их цифровыми помощниками. Путь, который сегодня превратился в широкую сенсорную магистраль, выложенную тачскринами миллионов наших гаджетов.