Аналого-цифровые преобразователи

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Дигитайзер

Устройство ввода графической информации, имеющее пока сравнительно узкое применение для некоторых специальных целей. Свое название дигитайзеры получили от английского digit - цифра. То есть по-русски их можно назвать просто "оцифровыватели".

Впрочем, есть и более благозвучное название - аналого-цифровые преобразователи.

Дигитайзер предназначен для профессиональных графических работ. С помощью специального программного обеспечения он позволяет преобразовывать движение руки оператора в формат векторной графики. Первоначально дигитайзер был разработан для приложений систем автоматизированного проектирования, так как в этом случае необходимо определять и задавать точное значение координат большого количества точек. В отличие от мыши дигитайзер способен точно определять и обрабатывать абсолютные координаты.

Дигитайзер состоит из специального планшета являющегося рабочей поверхностью и, кроме этого, выполняющего разнообразные функции управления соответствующим программным обеспечением, и светового пера или, чаще, кругового курсора, являющихся устройствами ввода информации.

Одной из разновидностей дигитайзера является графический или рисовальный планшет. Он представляет собой панель, под которой расположена электромагнитная решетка. Если провести по его поверхности специальным пером, то на экране монитора появится штрих. В планшете реализован принцип абсолютного позиционирования: изображение, нарисованное в левом нижнем угла планшета, появится в левом нижнем углу экрана монитора. Обычно рисовальные планшеты имеют размеры коврика для мыши, но рабочая поверхность несколько меньше.

Имеются планшеты, обладающие чувствительностью к нажиму, с помощью которых, регулируя нажим, можно получать на экране линии различной толщины.

Специальная пластмассовая пленка, прилагаемая к планшету, позволяет копировать подложенные под нее изображения на бумажных оригиналах. Планшеты подключаются к последовательному порту персонального компьютера.

Графический планшет может иметь различные форматы: от А2 - для профессиональной деятельности и меньше - для более простых работ.

Технология

Основная идея работы практически всех графических планшетов довольно проста: есть перо (или мышь), есть рабочая область, состоящая из специальной отслеживающей плоской антенны (которая располагается под поверхностью планшета), она и регистрирует и передает положение указателя на компьютер.

По технологии изготовления дигитайзеры делятся на два типа:

электростатические (ЭС) и электромагнитные (ЭМ). В первом случае регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под курсором. Во втором - курсор излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником. Фирма Wacom создала технологию на основе электромагнитного резонанса, когда сетка излучает, а курсор отражает сигнал. Но в обоих случаях приемником является сетка. Следует отметить, что при работе ЭМ-планшетов возможны помехи со стороны излучающих устройств, в частности мониторов.

При использовании электромагнитного резонанса излучающим (активным) устройством является сам дигитайзер. Перо отражает волны, а дигитайзер анализирует это отражение, для того чтобы установить координаты пера в данный момент. Поэтому перо или курсор не имеют ни батарей, ни шнура, подающего напряжение на микросхемы внутри курсора, их там просто нет. При использовании же активного курсора именно он излучает волны, сообщая, таким образом, дигитайзеру о своем местоположении. В этом случае либо батареи, либо провод являются его неотъемлемым атрибутом. Но, независимо от системы, в обоих случаях информация о положении курсора относительно сетки, встроенной в поверхность дигитайзера, преобразуется в компьютере так, что мы получаем данные о точном положении курсора.

Антенна для определения положения пера является ничем иным, как проволочной сеткой с малой стороной элементарной ячейки (всего несколько миллиметров). После определения местонахождения источника сигнала (пера/мыши) процессор планшета считывает дополнительную информацию о силе нажатия, угле наклона и состоянии кнопок. Минимальное расстояние, которое может зарегистрировать антенна, определяет разрешающую способность (она намного больше, чем у обыкновенной мыши).

Ввиду многих причин (не идеальная работа сетки, перепады температур, фон от других устройств) есть некоторая погрешность в определении места, где находится указатель, которая может доходить до 1/10 миллиметра.

Особенностями планшетов является способность передавать координаты в двух режимах - относительной (независимо от начального положения в рабочей области) и абсолютной (привязка к началу координат) адресации. У планшетов жестко заданы стороны области рисования, то есть верх всегда будет верхом, как ни крути основание.

В самых совершенных и дорогих дигитайзерах ввод информации происходит без специальных перьев или прицелов, так как рабочая поверхность планшета обладает "тактильной чувствительностью", основанной на использовании пьезоэлектрического эффекта. При нажатии на точку, расположенную в приделах рабочей поверхности планшета, под которой проложена сетка из тончайших проводников, на пластине пьезоэлектрика возникает разность потенциалов. Координаты этой точки обнаруживаются программой-драйвером, сканирующей сетку проводников. Эта программа выполнит отображение точки на экран монитора. Пьезоэлектрические дигитайзеры позволяют чертить на рабочей поверхности планшета, словно на обычной чертежной доске, и таким образом вводить даже несуществующие изображения. При этом графическая информация вводится с разрешением 400 dpi.

Питание для дигитайзера подается со встроенного или внешнего блока питания. Для некоторых моделей - от последовательного порта.

Графический планшет имеет 2 наиболее важных параметра - размер рабочей поверхности и разрешающая способность.

Точный размер рабочей площади планшета обычно указывается в дюймах (один дюйм - примерно 2,5 см) - например, 6х8 дюймов (15х21 см). Кстати, это тот размер, с которого стоит начинать при выборе графического планшета.

Теперь - о разрешающей способности. Поскольку при работе с графическим планшетом вам придется иметь дело не столько с точечным изображением, сколько с отдельными линиями, то и разрешающая способность планшета будет выражаться не в точках, а в линиях на дюйм (Ipi).

Необходимая величина для среднего пользователя - в районе 100 Ipi, ну а современные планшеты поддерживают до 2540 Ipi.

Перо. Его самые важные качества - легкость и возможности управления. Понятно, что чем легче “компьютерное перо”, тем легче с ним работать. Вот почему фактор веса для нас, поклонников эргономичности, весьма важен.

Самые легкие - перья, не содержащие внутри себя дополнительных элементов питания. Такие перья практически не отличаются “на ощупь” от обычной ручки. На ряде старых моделей графических планшетов встречаются перья с аккумуляторами и батарейками - это куда менее выгодный выбор. Кстати, технология, применяемая в “безбатареечных” перьях, создана и запатентована крупнейшим производителем графических планшетов - Wacom. И именно такими перьями комплектуется вся их продукция.

Помимо легкости, каждое перо должно быть снабжено и еще кое-чем. Например, специальными кнопочками (обычно их три), с помощью которых регулируются параметры рисуемой линии.

Наконец, последний параметр - чувствительность пера к нажатию. Степень этой чувствительности у разных производителей и на разных моделях планшетов различна - от 128 до 1024 уровней нажатия. Стандартная же величина - 256 уровней, и этого более чем достаточно - реально вы вряд ли будете использовать больше трех-четырех десятков видов нажатия.

Классификация дигитайзеров по области применения

Размер рабочего поля простейших дигитайзеров, как правило, 4х5 или 4х6 дюймов а функциональные возможности сильно ограничены. Дигитайзеры начального уровня имеют невысокую точность (разрешение до 1000 dpi), малое количество градаций нажатия (256 или меньше), и нечувствительны к наклону. Кроме того, недорогие дигитайзеры не позволяют подключать дополнительные инструменты для расширения своих возможностей. Соответственно, цена их невысока и находится в пределах 40-120$ Дигитайзеры, предназначенные для рисования, ретуширования, подготовки макетов, выпускаются разных размеров (от А6 до А3). Высокая точность (разрешение более 2000 dpi) и большое количество градаций нажатия (512-1024) позволяют выполнять довольно сложные работы по созданию, ретуши или копированию изображений. Дополнительная возможность - чувствительность к наклону пера для регулировки "размытия" линий.

Для более полного использования возможностей профессиональных дигитайзеров, производители предлагают ряд специализированных инструментов, выполняющих специальные функции. Чтобы с таким устройством было удобно работать, прямо на рабочей поверхности дигитайзера имеются функциональные панели, позволяющие изменять настройки рисования прикосновением пером к обозначению, не прибегая к экранным меню. Стоимость таких дигитайзеров составляет от $230 до $4000 и выше Профессиональные дигитайзеры для инженерных работ, функционально не отличаются от описанных выше. Различия состоят в размере (до А0) и комплектации: для выполнения инженерных работ, часто более удобным является использование не обычного пера, а специальной мыши с "прицелом" и программируемыми клавишами.

Использование в программах

Планшет может использоваться в любой программе точно так же, как и мышь. Но если уж захочется использовать его, что называется, по полной программе, тогда нужно позаботиться о приобретении таких программ, как, например, Fractal Design Painter или Dabbler. Вторая программа является упрощенным, “детским” вариантом первой, а та, в свою очередь, есть не что иное, как имитатор “реальных” графических и живописных техник. Painter специально приспособлен для работы с дигитайзерами, в нем есть развернутые меню для регулировки параметров рисования. Например, можно установить такие зависимости: направление проводимой линии будет влиять на оттенок “чернил”, сила нажима на перо будет отражаться на толщине линии (что самое естественное), скорость проведения линии будет влиять на количество “брызг” вокруг линии… Число регулируемых параметров исчисляется десятками! А в числе рабочих инструментов имеются десяток типов фломастеров, кистей, перьев, карандашей, и для каждого из них можно установить свои характеристики так, что “штрих” или “мазок” получаются совершенно натуральные. Photoshop тоже реагирует на степень нажима пера, но делает он это совершенно однозначно: сильнее нажимаешь - толще линия, и всё. Остается добавить, что возможности графических планшетов наилучшим образом проявляются лишь на быстрых машинах с большими объемами оперативной памяти, поскольку количество информации, передаваемой ими за единицу времени на компьютер, весьма велик.

Трехмерные дигитайзеры

Задача получения 3D-моделей реальных объектов стоит перед промышленными дизайнерами, инженерами, художниками, аниматорами, разработчиками игровых приложений. Измерение геометрии сложных пространственных форм является основным требованием для современных производителей технологической оснастки. Основные области применения дигитайзеров:

· Мультипликация

· Оцифровывание географических карт для работы с географическими информационными системами (ГИС)

· Инженерное проектирование, создание прототипов и обратный инжиниринг

· Научная визуализация

Одним из примеров полнофункционального решения для оцифровки объектов любой формы служит недорогой дигитайзер из модельного ряда MicroScribe-3D производства компании Immersion Corporation. На несимметричной основе прикреплен трехшарнирный рычаг, оканчивающийся пером-датчиком.

Шарниры с низким уровнем трения обеспечивают практически абсолютную свободу перемещения стального пера. Дигитайзер MicroScribe может оцифровывать предметы, находящиеся в радиусе до 840 мм. Рычаг устройств - жесткий, наличие шарниров позволяет провести дугу с максимальным углом в 330°.

Наконечник «руки» может иметь разную форму: в виде шарика или острой иголочки - для снятия более точных показаний. В комплекте со сканером поставляются также ножные педали, которые играют роль правой и левой кнопок мыши.

цифровой преобразователь дигитайзер графический информация

Дигитайзер MicroScribe-3D

Перед каждой оцифровкой дигитайзер должен быть откалиброван. Пользователь выбирает три реперные точки (переднюю правую, переднюю левую и заднюю правую) и вводит их координаты в компьютер с помощью ножных педалей. После этого можно приступать непосредственно к оцифровке. Механические дигитайзеры обладают достаточно высокой точностью - до 0,2 мм. Модели из серии MicroScribe-3D могут снимать координаты со скоростью 1000 точек в секунду и передают информацию со скоростью 38 Кбит/с.

Перед сканированием многие дизайнеры расчерчивают объект, вырисовывают линии, по которым пройдет перо.

Оцифровывать можно в полуавтоматическом и ручном режимах. Контактный щуп, установленный на складной арматуре с шарнирными соединениями, считывает информацию о том, в каком месте находится головка, и транслирует эту информацию в координаты X, Y и Z в трехмерном пространстве.

Оцифрованные данные в дальнейшем обработываются с помощью специальных прикладных программ (AutoCad, Autodesk, Maya, Rhinoceros и др.). На подготовку к сканированию и саму оцифровку сложного объекта может уйти несколько часов, но с накоплением опыта работы с дигитайзером это время значительно сокращается.

В процессе сканирования объекта, по мере того как координаты точек попадают в компьютер, на мониторе вырисовывается пространственная модель. Для построения 3D-образов можно использовать программы от Immersion Corporation (набор Digitizing Software Application), которые позволяют представлять отсканированные объекты различными способами, например в виде точек, линий, проволочного каркаса, сплайнов, NURBS (неоднородных рациональных B-сплайнов), а также редактировать и сохранять 3D-образы в файлах форматов dxf, IGES, obj, txt, 3ds для последующего импортирования в другие приложения. Специалисты по заказным моделям для оцифровки моделей с телевизионным качеством используют более дорогие дигитайзеры для оцифровки своих объектов. Например, используют мобильные координатно-измерительные машины (КИМ) FaroArm производства фирмы FARO Technologies (США). КИМ FARO состоит из опорной плиты, которая крепится к любому подходящему месту и нескольких, соединенных между собой шарнирами, колен. Конструкция очень похожа на строение человеческой руки.

У КИМ FARO так же есть своеобразные кистевой, локтевой и плечевой суставы. В каждом шарнире есть датчик контроля угловых перемещений, который в режиме реального времени следит за углом поворота колена, в результате чего программное обеспечение просчитывает координаты откалиброванного щупа - своеобразного пальца. В зависимости от числа колен имеются машины с 6-ю или 7-ю степенями свободы. По сути, это контактный щуп, который при помощи нескольких потенциометров, установленных на складной арматуре с шарнирными соединениями, считывает информацию о том, в каком месте находится головка, и преобразует эту информацию в координаты X, Y и Z в трехмерном пространстве. Достаточно сделать необходимое количество замеров, и сетка готова. В сканере применена система противовесов; он автоматически учитывает изменения температуры и компенсирует соответствующие расширения и сжатия материалов.

Это портативное устройство может работать с объектами, вписывающимися в сферу диаметром до 3,65 м, и имеет точность до 0,3 мм.

Мобильные координатно-измерительные машины Faro Arm

Трехмерные дигитайзеры используются в качестве систем трехмерного боди-сканирования (3D body scan, т.е. «трехмерное сканирование человеческого тела»). Разработка этих систем была связана с требованиями быстрого обмера большого количества человек (армия), получения точного компьютерного изображения (киноиндустрия) и индивидуального пошива. Трехмерное боди-сканирование применяется также в медицине, мультипликации и при создании систем виртуальной реальности (VRML).

Система боди-сканирования WB4

Примеры систем боди-сканирования

Cyberware Whole Body Color 3D Scanner (производитель Cyberwear). Сейчас существуют две модели полномасштабных боди-сканеров: WB4 и WBX (WB = Whole Body, т.е. «тело целиком»).

Symcad (Французская компания TELMAT Industrie)

В геоинформатике, компьютерной графике, системах автоматического проектирования (САПР), картографии и научной обработке результатов измерения дигитайзер используют в качестве устройства для ручного цифрования графической и картографической информации в виде множества или последовательности точек, положение которых описывается прямоугольными декартовыми координатами плоскости дигитайзера.

Основные типы дигитайзеров по принципу работы

· Ультразвуковые

Из всех систем по оцифровке 3D-объектов ультразвуковые (или сонарные) - наименее точные и надежные, но при этом самые чувствительные к изменениям в окружающем пространстве. Ультразвуковые дигитайзеры представляют собой систему передатчиков, жестко закрепленных на стенах и потолке. Смотрятся они весьма неэстетично. Передатчики излучают звуковые волны, на основании информации об отражении которых вычисляются координаты точек поверхности 3D-модели. Так как скорость звука зависит от атмосферного давления, температуры и других условий (например, влажности), то результаты оцифровки одного и того же объекта являются функцией состояния воздуха. Помимо этого данные системы очень восприимчивы к шуму, производимому различным оборудованием (компьютерами, кондиционерами), даже жужжание флуоресцентных ламп влияет на оцифровку. К тому же ультразвуковые системы издают странные «кликающие» звуки, раздражающие оператора и всех находящихся в помещении. В идеальных условиях абсолютная погрешность полученных результатов составляет 1,4 мм. Подобные сканеры применяются в основном в медицине и при оцифровке скульптур.

· Электромагнитные

Принцип работы электромагнитных 3D-дигитайзеров такой же, как у ультразвуковых систем (принцип радара), только для построения пространственной модели вместо звуковых волн используются электромагнитные. Результат работы этих сканеров не зависит от погодных условий, но находящиеся поблизости металлические предметы или источники магнитного поля снижают точность измерений. Естественно, что подобные системы не могут оцифровывать металлические объекты. Даже в специальных помещениях, не содержащих ничего металлического, погрешность магнитных систем составляет не менее 0,7 мм.

· Лазерные

Прежде всего, следует отметить, что цена этих так называемых бесконтактных (оператор не обводит объект щупом) систем очень высока и нередки случаи, когда она выражается числом с пятью нулями (в американских долларах). Лазерные дигитайзеры обладают самой высокой точностью, но область их применения также имеет значительные ограничения. Большие трудности вызывает сканирование объектов с зеркальными, прозрачными и полупрозрачными поверхностями, а также предметов большого размера либо имеющих впадины или выступы, препятствующие прямому прохождению лазерного пучка. Лазерные дигитайзеры - полностью автоматизированные системы. Невозможность участия художника в процессе оцифровки не позволяет расставить акценты, например более подробно отобразить определенную часть объекта, или, наоборот, приводит к получению детализированных моделей, занимающих слишком много места и требующих значительных мощностей для их обработки. Сама оцифровка происходит достаточно быстро, но последующий процесс перевода автоматически полученных данных в конечное изображение может занять много времени (особенно это касается систем с точечной проекцией).

· Механические

Эти устройства являются золотой серединой среди всех классов дигитайзеров. Высокая точность и относительно низкая стоимость сделали эти устройства самыми популярными. Принцип их работы заключается в следующем: контуры оцифровываемого объекта обводятся прецизионным щупом, положение которого замеряется механическими датчиками. Затем, используя массив трехмерных координат, специальная программа строит каркасную модель объекта. Большим плюсом механических сканеров является то, что получаемые с их помощью результаты не зависят от погодных условий, уровня шума, наличия электромагнитных полей. Тип поверхности также не имеет значения. Поскольку механические дигитайзеры являются ручными устройствами, их использование требует четкой координации движений и внимательности.

Размещено на allbest.Ru