4 Positionseingabe
4.1 Definition, BedeutungBeim Mensch-Maschine-Dialog "spricht" die Maschine in den weitaus meisten Fällen über einen Bildschirm. Ihre Äußerungen werden dabei auf einem zweidimensionalen Arbeitsbereich dargestellt. Das Zeigen auf Positionen dieses Arbeitsbereichs ist neben der reinen Texteingabe die wichtigste Eingabeart für Computer-Standardanwendungen.Die folgende Aufstellung zeigt die Funktion der Positionseingabe bei einigen grundsätzlichen Aktionen:
Obwohl alle diese Funktionen im Prinzip auch mit den Cursortasten einer Tastatur ausgeführt werden könnten, ist im Laufe der Zeit eine ganze Familie von Eingabegeräten entstanden, mit denen man Punkte oder Bereiche auf der Arbeitsfläche Bildschirm schneller und bedienerfreundlicher kennzeichnen kann. Ich möchte als Sammelbegriff Positionseingabegeräte verwenden. Auch die manchmal benutzten Bezeichnungen Zeigergeräte (engl. pointing devices) oder 2D-Eingabegeräte sind besser geeignet als der in der Literatur oft gebrauchte Begriff Grafikeingabegeräte. Die eigentlichen Eingabegeräte für (graphische) Bildinformationen wie Scanner und Videokamera sind in Aufbau, Funktion und Anwendung völlig verschieden. Man sollte deshalb die beiden Gruppen auch begrifflich klar trennen. 4.2 Bedienung, EinteilungDie (Computer-) Mäuse bilden mit ihren näheren und ferneren Verwandten eine sehr artenreiche Familie. Trotz dieser Vielfalt haben aber alle Positionseingabegeräte gewisse funktionale Gemeinsamkeiten:Bewegungen der Hand werden über ein Hilfsgerät in elektrische Werte umgesetzt, die als zweidimensionale Koordinaten auf dem Bildschirm dargestellt werden. Das Objekt, das auf die momentane Koordinatenposition zeigt, heißt Positionszeiger oder Cursor. Zusätzlich haben fast alle Zeigergeräte einen oder mehrere Schalter, mit denen man bestimmte Positionen hervorheben kann. Die Betätigung dieser Tasten nennt man Klicken. Unterschiedliche Hervorhebungen kann man durch mehrere Tasten erreichen, die auch in Kombination oder mehrfach in kurzer Zeit ("Doppelklick") betätigt werden. Man kann Positionseingabegeräte nach ihrer Funktion, speziell nach der Art der Interpretation der mechanischen Bewegung in drei Gruppen einteilen:
4.3 Richtungsvorgabe4.3.1 FunktionsprinzipDer Cursor wird durch Betätigung von Tasten in Bewegung gesetzt. Beim Loslassen bleibt er stehen. Mit n Tasten lassen sich n verschiedene Richtungen definieren, wenn die Tasten einzeln betätigt werden. Kann der auswertende Rechner die Kombination zweier benachbarter Tasten als Zwischenrichtung interpretieren, ist die Auswahl von 2 * n Richtungen möglich.4.3.2 BewertungVorteile:Da nur wenige Tasten benötigt werden, ist der Hardware-Aufwand gering, auf einen Software-Treiber kann man meistens verzichten.Der Platzbedarf ist klein, bei Integration in die Tastatur ist er vernachlässigbar. Nachteile:Durch die begrenzte Anzahl unterschiedlicher Richtungen können die meisten Punkte nur auf Umwegen erreicht werden. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen daraus sogar ein Vorteil wird. So können waagrechte und senkrechte Vektoren leichter erzeugt werden.In der Bildverarbeitung werden Unterschiede ähnlicher Bilder dadurch herausgearbeitet, dass diese überlagert und dann subtrahiert werden. In diesem Fall bringt es eine wesentliche Arbeitserleichterung, wenn ein Bild nur in orthogonalen Richtungen und definiert um einzelne Bildpunkte verschoben werden kann. Die vom Rechner vorgegebene Geschwindigkeit erzwingt einen Kompromiss zwischen Schnelligkeit und Genauigkeit der Positionsauswahl. Auch Verbesserungsansätze wie Dynamisierung (der Cursor läuft schneller bei längerer Betätigung) oder eine zusätzliche Beschleunigungstaste konnten diesen wesentlichen Nachteil nur mildern. 4.3.3 Beispiel 1: Cursortasten einer TastaturVor der Einführung anderer Zeigergeräte hatten Tastaturen zur Unterstützung der Positionsauswahl meist einen kreuzförmigen Cursorblock. Die mittlere Taste konnte zum Klicken oder zur Beschleunigung dienen. Je nach Komfort gab es noch weitere Richtungs- und Beschleunigungstasten. Durch Kombination benachbarter Tasten konnten teilweise weitere Zwischenrichtungen erzeugt werden.Durch die rasante Verbreitung der Mäuse wurde diesen Gebilden die Existenzgrundlage entzogen. In "modernen" Tastaturen haben sie lediglich noch die Funktion eines "Ersatzrads", bestehend aus vier Tasten in Form eines kopfstehenden "T", und davon abgesetzt zwei Beschleunigungstasten für +y und -y (Page up, Page down). Zum Klicken dient ersatzweise die "Enter"-Taste. 4.3.4 Beispiel 2: Tasten-JoystickEr besteht aus vier in einem Gehäuse kreuzförmig montierten Mikroschaltern, in deren Mitte ein Betätigungshebel angebracht ist. Durch entsprechende Auslenkung dieses Hebels werden ein oder zwei Mikroschalter betätigt und damit acht unterschiedliche Richtungen definiert. Eine kardanische Federanordnung am Hebel sorgt für das Rückstellen beim Loslassen.Bei manchen Ausführungen ermöglicht ein fünfter Mikroschalter am oberen Ende des Hebels das Klicken, bei Joysticks auch "Feuern" genannt. Tasten-Joysticks finden ihr Haupteinsatzgebiet bei Reaktionsspielen, sie haben jedoch stark an Bedeutung verloren. 4.4 Relativbewegung4.4.1 FunktionsprinzipSolange der Bediener mit seinen Fingern oder mit der ganzen Hand Bewegungen am oder mit dem Eingabegerät ausführt, werden diese ausgewertet und in Bewegungen des Cursors am Bildschirm umgesetzt. Die Geschwindigkeit wird direkt durch den Bediener bestimmt. Wird die Bewegung von zwei Aufnehmern in zueinander senkrechten Richtungen erfasst, sind beliebige 2-dimensionale Bewegungsrichtungen auf dem Bildschirm möglich.4.4.2 BewertungDiese Art von Eingabegeräten ist deswegen so weit verbreitet, weil sie bei relativ kleinem Platzbedarf und mittlerem Aufwand eine schnelle und präzise Positionsbestimmung ermöglichen.Durch Dynamisierung der Übertragungscharakteristik lassen sich diese Eigenschaften noch weiter verbessern: Bei schneller Bewegung erzeugt ein kleiner Weg des Bedieners eine große Verschiebung auf dem Bildschirm und ermöglicht so das schnelle Anfahren einer Position, bei langsamer Bewegung ergeben sich minimale und damit sehr präzise Positionsänderungen. Die wichtigsten Vertreter dieser Gerätegruppe sind Maus, Rollkugel und Touchpad: 4.4.3 Maus4.4.3.1 Gemeinsames Funktionsprinzip:Ein Kästchen, das der Größe der Hand angepasst ist, wird im ganzen auf einer ebenen stationären Unterlage bewegt. Die Relativbewegung wird im Kästchen 2-dimensional erfasst und zum Rechner übertragen. Bei großer Unterlage können auch größere Verschiebungen in einem Zug ausgeführt werden, bei zu kleiner Unterlage müssen sie aus mehreren Teilbewegungen zusammengesetzt werden, wobei die Maus am Rand der Unterlage angehoben und weiter innen neu wieder aufgesetzt wird.4.4.3.2 Bewertung:Mäuse sind die derzeit am weitesten verbreiteten Zeigergeräte. Sie sind praktisch an jedem Standard-PC zu finden. Alle neueren Anwendungsprogramme setzen das Vorhandensein einer Maus voraus.Mäuse kann man nach mehreren Parametern einteilen. Nicht alle Kombinationen treten jedoch auf: Funktionsprinzip
Schnittstelle
Zusatzfunktionen
Protokoll
4.4.3.3 Mechanische Potentiometer-MausBei diesem ausgestorbenen und deshalb nur noch historisch interessanten Typ rollt eine Hartgummikugel von 30...50 mm Durchmesser über eine ebene und feste Unterlage. Die Kugel befindet sich zum größten Teil im Kästchen und wird dort geführt. Durch Reibung an dieser Kugel werden zwei zueinander senkrecht stehende Wellen in Drehung versetzt. An ihren Enden ist jeweils ein Potentiometer angebracht, dessen Widerstandsteilungsverhältnis ausgewertet wird. Die Auswertung ist aufwändig, die beweglichen Teile sind starkem Verschleiß unterworfen.4.4.3.4 Drehgeber-MausAuch dieser am weitesten verbreitete Typ besitzt eine Hartgummikugel und zwei zueinander senkrechte Abnehmerwellen. An deren Enden sind jedoch Drehgeber (s. Abschnitt 2.3.5: Lichtschrankendrehgeber) angebracht, manchmal Typen mit Schleifkontakten, meist jedoch optoelektronische Typen aus Lichtschranken und Schlitzscheiben.4.4.3.5 Opto-MausDurch ein ganz anderes Konstruktionsprinzip kommt die optische Maus ohne bewegte Teile aus: Eine Spezialunterlage enthält ein gekreuztes Streifenmuster aus rot absorbierenden Streifen in x-Richtung und infrarot absorbierenden Streifen in y-Richtung. Die eigentliche Maus enthält Reflexlichtschranken. In x-Richtung emittiert eine LED rotes Licht, das von der Unterlage absorbiert oder auf zwei rotempfindliche Empfänger reflektiert wird. Um eine Richtungserkennung zu ermöglichen, sind diese Empfänger so gegeneinander versetzt, dass sie immer abwechselnd einem Streifen und einer Streifenkante gegenüberstehen.Die Reflexlichtschranken arbeiten in offener Anordnung. Dadurch wird ihr Ausgangssignal nicht nur durch mechanische Toleranzen der Anordnung und Alterung er optoelektronischen Bauteile, sondern auch noch durch Umgebungslicht stark beeinflusst. Es ist deshalb fast unmöglich, eine feste Schaltschwelle genau in der Mitte zwischen hell und dunkel einzustellen, was aber nötig wäre, um die Richtungserkennung sicherzustellen. Man löst das Problem durch Verwendung von insgesamt vier Lichtschranken, die elektrisch um 90° gegeneinander versetzt sind. Als Ausgangssignal wird jeweils die Differenz der beiden um 180° versetzten Empfänger ausgewertet. Eine ähnliche Einrichtung bedient die y-Richtung mit Infrarot-LED und infrarotempfindlichen Empfängern. 4.4.3.6 Kamera-MausDieser jüngste und komfortabelste der beschriebenen Maustypen enthält keinerlei bewegte Teile mehr, sondern eine zweidimensionale lichtempfindliche Anordnung ("Kamera") mit vorgesetzter Lichtleiteroptik. Eine Beleuchtungseinrichtung strahlt auf eine weitgehend beliebige Unterlage. Die Kamera nimmt das reflektierte Muster mit ca. 1500 Bildern/s auf. In einem DSP (Digitaler Signal-Prozessor) wird es mit einem vorher gespeicherten Muster verglichen, daraus eine Bewegung errechnet ("Image Correlation Processing") und in entsprechende Schnittstellensignale umgesetzt.Die Kamera-Maus ist technisch ziemlich aufwändig. Der Aufwand steckt jedoch in integrierten Schaltungen und relativiert sich daher bei entsprechenden Stückzahlen. Ein weiterer Nachteil der Kamera-Maus: bei spiegelnden Unterlagen gibt es Schwierigkeiten. 4.4.3.7 Rändelrad ("Scroll-Maus")Standardmäuse haben zwei oder drei nebeneinander angeordnete Tasten, mit denen man zusätzlich zur erfassten Bewegung bestimmte Ereignisse auslösen kann. In Weiterentwicklung ist bei vielen modernen Mäusen eine Taste weggelassen oder nach unten außen verlegt und deshalb mit dem Daumen bedienbar. Zwischen den beiden verbleibenden Tasten sind ein oder zwei Rändelräder angeordnet, die teilweise aus dem Mausgehäuse ragen und mit den Fingern nach vorn oder nach hinten gedreht werden können. Diese Betätigungen werden wie Tasten ausgewertet und als Tasten-Bits 4 bis 7 an den Rechner gemeldet, wo dadurch eventuell vorhandene Rollbalken des aktiven Fensters und damit der sichtbare Bildausschnitt verschoben werden.4.4.4 RollkugelRollkugeln (engl. "Trackball") sind im Prinzip Mäuse, die auf den Rücken gelegt sind. Zur Betätigung wird der Teil der Kugel, der aus dem Kästchen herausschaut, mit den Fingern oder dem Handballen bewegt. Da es sich um stationäre Geräte handelt, brauchen sie wenig Platz. Häufig werden sie deshalb auch in Tastaturen oder Bedienpulte fest eingebaut. Die Bedienung ist ergonomisch ungünstiger als bei der Maus.Wie bei den Mäusen gibt es optoelektrische und Schleifkontakt-Typen. Auch die üblichen Anschlussmöglickeiten und Übertragungsprotokolle sind realisiert. Neuerdings gibt es auch "Kamera"-Rollkugeln. Sie enthalten wie die Kamera-Maus eine lichtempfindliche Matrix, auf die jedoch das Bild der mit einem Muster versehenen Kugel abgebildet wird. 4.4.5 Touchpad4.4.5.1 FunktionsprinzipEin Touchpad ist ein relativ kleines, flaches Gebilde, mit dem man die zweidimensionale Position und die Stärke einer Berührung auswerten kann. Es wird meistens mit dem Finger bedient.Ein Touchpad besteht aus drei Folien, die miteinander und mit einer stabilen Aluminium-Trägerplatte verklebt werden. Die mittlere Folie ist auf beiden Seiten mit Halbleitermaterial beschichtet, das auf Druck mit Widerstandsänderung reagiert. Die beiden äußeren Folien sind auf den Seiten, die der mittleren gegenüberliegen, mit kammförmigen Elektroden bedruckt. Jede Folie enthält zwei dieser Muster, mit dem Kammrücken am Außenrand und mit ineinandergreifenden Kammzinken. Die Muster der oberen und der unteren Folie sind gegeneinander um 90° versetzt, um Auswertungen in x- und y-Richtung zu ermöglichen. Einzeln sind diese Anordnungen auch als "Foliensensoren" bekannt. Der Kammrücken jeweils einer Elektrode ist als Widerstandsschicht ausgebildet. Wird an die Enden dieser Schicht eine Spannung angelegt, führen die Kammzinken abgestufte Potentiale. Die ebenfalls kammförmige Gegenelektrode dient als Abgriff. Bei (Finger-)Druck wird die Halbleiterschicht der mittleren Folie an der betätigten Position niederohmiger und verbindet so die Kammzinken der beiden Elektroden. Die abgegriffene Spannung dient als Maß für die Position in x- bzw. y-Richtung. Durch die Messung der Position ist auch der Teilwiderstand von einem Anschluss der ersten Elektrode bis zu dieser Position bekannt. Weiterhin hängt der Widerstand zwischen den gegenüberliegenden Kammzinken definiert vom angelegten Druck ab (etwa exponentiell). Durch eine unmittelbar nach der Positionsmessung durchgeführte Widerstandsmessung zwischen einem Anschluss der ersten Elektrode und der Gegenelektrode kann die Stärke des angelegten Drucks bestimmt werden. Diese Messung wird meist dazu benutzt, um eine schnelle Druckänderung als Betätigungsmeldung ("Klick") zu interpretieren. Sie kann jedoch auch verwendet werden, um echte dreidimensionale Positionen zu bestimmen. 4.4.5.2 BewertungVorteile:
Nachteile:
4.4.6 Maus-SchnittstellenDie ersten Mäuse besaßen noch kaum Intelligenz und lieferten daher ihre Drehgebersignale mit TTL-Pegel direkt ab. Sie benötigten dazu vier Signal- und zwei Versorgungsleitungen und konnten den auswertenden Prozessor ganz schön in Atem halten.Später entstanden dann eine Vielzahl von Firmenstandards (Sun, Atari, Apple, IBM-PS2, usw.) nach dem Motto: Jedem Computer seine eigene Maus-Rasse. Sie übertrugen die Daten seriell, unterschieden sich aber sonst in allen nur denkbaren Aspekten: Steckertyp, Steckerbelegung, Protokoll und Datenformat. Im PC-Bereich haben sich inzwischen drei Schnittstellenrassen ziemlich durchgesetzt, USB ist als vierte am Kommen. Auch die meisten Rollkugeln und Touchpads verwenden diese Quasi-Standards. Die wichtigsten Eigenschaften wie Datenformat und Steckerbelegung sind in Tab. 4-1 zusammengestellt. 4.5 AbsolutpositionUnter diesem Oberbegriff kann man einige in Aufbau und Funktion sehr unterschiedliche Geräte zusammenfassen. Alle gemeinsam haben sie, dass sie die gewünschten Positionen direkt eingeben und deshalb für jeden unterscheidbaren Positionswert einen eigenen internen Zustand definieren müssen. Meist sind sie daher aufwändiger herzustellen als Relativpositionsgeber.Die wichtigsten Vertreter sind Potentiometer-Joystick, Lichtgriffel, Touchscreen und Digitalisiertablett. 4.5.1 Potentiometer-JoystickDieses Gerät ähnelt äußerlich dem schon beschriebenen Tasten-Joystick. Allerdings werden hier durch die Auslenkungen des Steuerhebels in x- und y-Richtung die Achsen von zwei Potentiometern betätigt. Die abgegriffenen Spannungen werden zum Rechner übertragen und analog-digital gewandelt. Der Steuerhebel kann in jeder (Raum-) Winkelstellung stehenbleiben und definiert dadurch eine bestimmte kombinierte Einstellung zweier Werte. Die Rückmeldung kann z.B.über eine Bildschirmposition oder über zwei Digitalanzeigen erfolgen.Um annehmbare Auflösungen zu erreichen, sind neben einer feinfühligen Bedienung präzise Mechanik und aufwändige Potentiometer erforderlich. Auch die Sicherung gegen versehentliche Betätigung und Einstellungsänderungen durch Erschütterung können ein Problem darstellen. Diese Joysticks sind deshalb nur in wenigen Spezialanwendungen zu finden. Meist sind sie in Bedienpulte eingebaut. Bei Spezialtypen werden statt der Potentiometer auch Dehnungsmessstreifen als Positionsgeber eingesetzt. 4.5.2 LichtgriffelDieses Gerät gibt es ebenfalls schon ziemlich lange. Es ist nur einsetzbar in Verbindung mit Anzeigegeräten auf der Basis von Kathodenstrahlröhren.Es besteht aus einem Stift, der über ein Kabel an eine Auswerteeinheit oder direkt an den Rechner angeschlossen ist. An der Spitze des Stifts befindet sich ein Fotoempfänger. Wird dieser nahe an die Bildröhre gehalten, sendet er einen elektrischen Impuls aus, wenn der Abtastlichtstrahl der Röhre auf ihn trifft. Durch Auswertung der seit Bildanfang abgelaufenen Zeit kann die absolute Position am Bildschirm bestimmt werden. Zur sicheren Funktion muss entweder die Helligkeit des Bildschirms so eingestellt werden, dass auch die dunkelsten Bereiche eine genügende Helligkeit aufweisen, oder es muss jedes n-te Bild hellgetastet werden. 4.5.3 TouchscreenDiese Geräte können die Berührung eines Bildschirms mit dem Finger direkt in Positionswerte umsetzen. Es gibt dafür (mindestens) fünf sehr unterschiedliche Technologien und leider keine deutsche Bezeichnung. Die folgenden Überschriften sind deshalb eigene Wortschöpfungen.Zur Texteingabe eignen sich Touchscreens kaum, sie sind jedoch gut geeignet zur Menuauswahl in Umgebungen, in denen man keine getrennten Eingabegeräte verwenden möchte. Ihre Auflösung ist den Abmessungen eines Fingers angepasst und deshalb meist relativ gering. Alle Varianten, die mit einer Glasplatte als Träger arbeiten, können größer sein als der eigentliche Bildschirm und im Außenbereich feststehende Bedien- und Anzeigeelemente enthalten. 4.5.3.1 BildschirmfolieAufbauEin Folientastfeld, das einschließlich Leiterbahnen nur aus transparenten Materialien besteht, kann direkt vor einen Bildschirm montiert werden, ohne die Anzeigefunktion wesentlich zu beeinträchtigen. Es gibt gewölbte Ausführungen für Kathodenstrahlröhren und ebene für alle anderen Anzeigetechnologien. Ferner unterscheidet man zwischen reinen Folienausführungen, die direkt auf den Bildschirm geklebt werden, und robusteren, aber auch teureren Typen mit Glasscheibe, die man getrennt montiert.FunktionsprinzipMan unterscheidet zwischen "4-Draht"- und "5-Draht"-Ausführungen. Beide Typen verwenden zwei leitfähige (transparente) Schichten, die durch (ebenfalls transparente) Abstandshalter getrennt sind. Eine Schicht ist auf der tragenden Glasplatte, die zweite auf der darüberliegenden Kunststofffolie aufgebracht.Bei der 4-Draht-Technik enthält die untere Folie zwei x-Elektroden am linken und rechten Rand, die obere Folie zwei y-Elektroden am oberen und unteren Rand. x- und y-Position werden nacheinander bestimmt. Zuerst wird an die x-Elektroden eine Spannung angelegt. Hat die y-Schicht an einer Stelle Kontakt zur x-Schicht, bildet sie den Abgriff eines Spannungsteilers. Der entsprechende Wert wird an einer y-Elektrode gemessen, die andere bleibt dabei offen. Danach wird mit vertauschten Rollen die y-Position gemessen. Es bereitet technische Schwierigkeiten, eine wirklich homogene Leiterschicht auf eine dünne Folie aufzubringen, die noch dazu ihre Eigenschaften über die volle Lebensdauer nicht verändern soll. Bei der 5-Draht-Technik sind deshalb beide Elektrodenpaare auf der (stabilen) unteren Schicht aufgebracht. Die obere "Folienschicht" dient nur als Messabgriff. Ihre Eigenschaften sind deshalb unkritisch. Um Kurzschluss zu vermeiden, benötigt man hier jedoch Mindestabstände zwischen x- und y-Elektroden. Es entsteht ein relativ breiter Randbereich, der nicht zur Positionsbestimmung genutzt werden kann. Außerdem müssen die Messwerte aufwändig linearisiert werden. Problematik
Vorteile
4.5.3.2 LichtvorhangDiese Anordnung besteht aus einem Netz von Lichtschranken, deren Sender an einer Seite des Bildschirms (z.B. links und oben) angeordnet sind und meist infrarotes Licht parallel zur Bildschirmoberfläche zu den gegenüberliegenden Empfängern ausstrahlen.Bei den Sendern handelt es sich in der Regel um Infrarot-Emitter in Leuchtdiodenform, bei den Empfängern um spektral auf die Sender abgestimmte Fotodioden oder -transistoren. In der einfachsten Betriebsart werden alle Sender gleichzeitig angesteuert. Bedingt durch relativ weite Sende- und Empfangskegel, durch mangelnde Justierung, unterschiedliche Kennlinien und Alterungseigenschaften wird die Auswertung problematisch. Je weiter der Finger, der den Lichtstrahl unterbricht, von der Empfängerseite entfernt ist, desto schwieriger wird die Unterscheidung von Licht, Halbschatten und Schatten. Es ist deshalb beinahe selbstverständlich, dass man die Sender im Multiplex ansteuert und nach jeder Aktivierung eines Senders nur den genau gegenüberliegenden Empfänger auswertet. Durch zusätzliche Interpolation erreicht man Auflösungen in der Größenordnung des Abstands benachbarter Sender oder Empfänger. Verwendet man statt des Fingers ein Hilfsmittel (etwa einen Bleistift) muss dieses so dick sein, dass es zumindest einen Lichtkegel beträchtlich schwächt. Vorteile:
Nachteile:
4.5.3.3 OberflächenwellenDas Funktionsprinzip ist ähnlich wie beim Lichtvorhang. Die optischen Sender sind ersetzt durch Ultraschall-Lautsprecher, die optischen Empfänger durch Ultraschall-Mikrofone. Die Schallwellen werden von den seitlichen Wänden reflektiert. Je nach Position des Fingers gibt es unterschiedliche Verzögerungs- und Absorptionsmuster, die ausgewertet werden können.4.5.3.4 Druck-ScreenEine Platte aus Spezialglas ist in einem Montagerahmen vor einem Bildschirm montiert. Zusammen mit vier Piezo-Drucksensoren an den Ecken der Vorrichtung ergibt sich eine recht robuste Anordnung zur Auswahl von Menu-Optionen.Bei einem Fingerdruck auf die Trägerplatte werden die Unterschiede der vier empfangenen (Analog-)Signale zu einer resultierenden Position ausgewertet. Unterschiedlich starker Druck an einer Stelle darf das Auswerteergebnis dabei nicht verfälschen. Abweichungen der Empfindlichkeiten und Nichtlinearitäten der Kennlinie müssen ebenso kompensiert werden wie Verspannungen durch die Montage der Trägerplatte. Zweckmäßigerweise werden deshalb bei der Inbetriebnahme in einem Lernvorgang ("Teach-in") charakteristische Parameter ermittelt und im Rechner abgespeichert. Erschwert wird die Auswertung noch dadurch, dass der Spitzendruck nicht plötzlich angelegt wird, sondern für Rechnerverhältnisse "ewige" Anstiegs- und Abfallzeiten hat. Man wertet deshalb den Maximalwert eines Berührvorgangs aus, der für geeignete Anwendungen auch noch eine dritte Koordinate, etwa als Höhen- oder Intensitätsinformation liefern kann. 4.5.3.5 KapazitätsbelagDie Trägerplatte ist mit einer (ladungsspeichernden) kapazitiven Schicht versehen, bestehend aus einem transparenten Metallfilm und einer dünnen Glasdeckschicht; die vier Ecken enthalten Elektroden. Ein berührender Finger zieht je nach Position unterschiedliche Ströme von diesen Elektroden. Daran angeschlossene Schwingkreise werden verstimmt. Aus den unterschiedlichen Verstimmungen kann die Position bestimmt werden. Kapazitive Touch-Screens sind robust, langlebig und absorbieren nur wenig Licht. Sie können allerdings im Normalfall nur mit dem nackten Finger bedient werden.4.5.4 Digitalisiertablett4.5.4.1 DefinitionDigitalisiertabletts oder Grafiktabletts waren neben den Lichtgriffeln die wichtigsten Geräte zur Eingabe von Positionen, bevor die Mäuse dieses Feld eroberten. In der angelsächsischen Literatur wurde früher zwischen den kleinen, niedrig auflösenden "graphic tablets" und den großen, hochauflösenden "digitizers" unterschieden. Inzwischen sind diese Geräte jedoch in allen Größen verfügbar und die Bezeichnungen verwischen sich.4.5.4.2 BedeutungManche der einstigen Aufgaben werden inzwischen von Maus und Scanner ergonomischer oder wirtschaftlicher erledigt. Für drei prinzipielle Anwendungsfälle sind jedoch Digitalisiertabletts nach wie vor unverzichtbar:
4.5.4.3 BedienungAuf die flache, rechteckige Oberfläche des Tabletts wird eine graphische Vorlage oder ein Menublatt aufgespannt. Mit einem Aufnahmeteil ("Abtaster"), das von Hand über die Fläche bewegt wird, werden dann einzelne Positionen oder Kurven zur Eingabe bestimmt.Ein Digitalisierstift hat etwa die Form eines Kugelschreibers ("Stylus", "Pen"). Er wird mit der Spitze auf die Eingabeposition gesetzt. Durch Drücken wird ein Auslösekontakt in der Stiftspitze betätigt. Bei manchen Stiften kann man durch Auswertung der Stiftneigung und des Aufsetzdrucks weitere Funktionen verwenden, mit denen man am Bildschirm z.B. Linienbreite oder Farbintensität in bis zu 1024 Stufen beeinflussen kann. Eine Fadenkreuzlupe ("Puck", "Cursor"), angebracht an einem mausähnlichen Kästchen, ist für schnelle Eingabefolge ergonomisch ungünstiger, erlaubt aber wesentlich genauere Positionsbestimmungen. Zur Auslösung zusätzlicher Funktionen sind im Kästchen Tasten untergebracht. Für verschiedene Anwendungszwecke sind Lupen mit wenigen (ca. 3..5) und mit vielen (ca. 12..20) Tasten gebräuchlich. Die meisten Tabletts erlauben mehrere Eingabearten, die am Tablett selbst oder ferngesteuert angewählt werden können. Point ModusBeim Antippen des Stifts oder beim Betätigen der entsprechenden Taste der Lupe wird jeweils ein Koordinatenpaar ausgegeben.Anwendung:
Stream-ModusEs werden laufend Koordinaten aufgenommen und übertragen. Die maximale Übertragungsrate liegt zwischen 50 und 200 Koordinatenpaare pro Sekunde. Sie hängt ab vom Übertragungsformat (binär oder ASCII), von der Baudrate (üblich bis zu 19200 Bd) und vom Gerätetyp.Anwendungen:
Switch-Stream-Modus ("Track")Koordinatenpaare werden ständig übertragen, solange die Drucktaste im Stift oder die entsprechende Taste der Lupe betätigt bleibt.Inkremental- (Delta-, Maus-, Shift- ) ModusEin neues Koordinatenpaar wird nur übertragen, wenn der x-Wert oder der y-Wert einen voreingestellten Abstand zum vorher übertragenen Wert überschreitet.Remote Trigger (Request Modus)Das Tablett überträgt jeweils ein Koordinatenpaar an den Rechner, wenn es durch ein Triggersignal dazu aufgefordert wird.4.5.4.4 Aufbau, FunktionDie meisten Grafiktabletts verwenden eines der drei folgenden Funktionsprinzipien:Beim magnetostriktiven Typ werden in x- und y-Richtung jeweils eine Vielzahl von Drähten gespannt. An einem Ende jedes Drahtes ist eine Sendespule angebracht, die von Wechselstrom durchflossen wird und ein Magnetfeld erzeugt. Dieses bewirkt dann mechanische Spannungswellen, die mit Schallgeschwindigkeit (in Eisen ca. 5000 m/s) in den Drähten entlanglaufen. Umgekehrt erzeugen die mechanischen Spannungen wieder ein Magnetfeld, das in einer Spule, die im Stift oder in der Fadenkreuzlupe angebracht ist, einen Strom induziert. Die Laufzeit bzw. Phasenverschiebung ist ein Maß für die Entfernung des Empfängers von den Sendespulen. Es handelt sich um das älteste der beschriebenen Verfahren. Theoretisch lassen sich hohe Auflösungen bis zu 1/1000 Zoll erreichen. Herstellung und Pflege sind jedoch sehr aufwändig. Beispielsweise müssen mechanische Vorspannung und Vormagnetisierung der Drähte regelmäßig justiert werden. Auch ist die Anordnung empfindlich gegen Störungen durch externe Magnetfelder und ist selbst gefährlich für magnetfeldempfindliche Gebilde wie z.B. Disketten. Das neuere Verfahren der elektromagnetischen Induktion ist dem magnetostriktiven in der möglichen Auflösung und im Herstellungsaufwand vergleichbar. Es verwendet ebenfalls eine Vielzahl von Drähten in x- und y-Richtung. Diese werden nacheinander mit Stromimpulsen versorgt, eine Spule im Stift oder in der Lupe dient als Empfänger. Durch Auswertung der Signale benachbarter Drähte kann die exakte Position durch Interpolation berechnet werden. Dieser Typ von Tablett ist jedoch wartungsfrei und störunempfindlicher. Durch weitere Maßnahmen wurde die Grundfunktion verbessert:
Die folgende Liste enthält die gebräuchlichsten Tablett-Größen. Angegeben sind links die amerikanischen und rechts die entsprechenden europäischen Typen:
4.5.4.5 SonderausführungenKabellose AbtasterBei Tabletts vom magnetostriktiven Typ sind Sender- und Empfängerspulen im Tablett angeordnet. Ein Permanentmagnet im Stift oder in der Lupe stört das wandernde Magnetfeld. Durch Auswertung der Störung wird die Abtasterposition ermittelt.Bei elektromagnetischen Typen senden Stift oder Lupe hochfrequente Signale, die von den Drähten im Tablett empfangen werden. Dabei liefern diejenigen Drähte die höchste Amplitude, die dem Abtaster am nächsten sind. Um ohne eigene Stromversorgung im Stift auszukommen, wird ein ähnliches Prinzip angewendet wie bei Transpondern : Das Tablett erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld, dem der Abtaster über Antennen die nötige Energie entziehen kann, wenn er sich nahe genug über der Tablettoberfläche befindet. Auch Zusatzfunktionen (Auslösetaste, Druck, Neigung, virtueller Radiergummi) können durch den im Abtaster eingebauten Chip realisiert werden, indem die abgestrahlten Schwingungen mit entsprechenden Daten moduliert werden. Transparente TablettsBei elektromagnetischenTypen werden dünne Drähte in transparentes Material eingebettet. Bei elektrostatischen Typen wird transparentes Elektrodenmaterial verwendet.Flexibles TablettDie Tablettfläche besteht aus einem flexiblen Material. Nur die Auswerteelektronik ist in einem starren Kästchen untergebracht. Zum leichteren Transport lässt sich das Tablett aufrollen.4.5.4.6 SchnittstelleDie meisten Tabletts werden hardwaremäßig über eine serielle Schnittstelle nach RS232C (V.24 / V.28) angeschlossen. Als Steckverbindung wird der 25 pol. Sub-D-Typ der Norm verwendet. Dabei ist der Rechner als DTE (Data Terminal Equipment) mit Stiftstecker, das Tablett als DCE (Data Communication Equipment) mit Buchsenstecker konfiguriert.Die Anschlussbelegung entspricht dem Standard (Tab. 4-2). Das Tablett benötigt eine eigene Stromversorgung. Bei den Datenformaten gibt es eine Unzahl von firmenspezifischen Festlegungen. Die meisten Tabletts bieten jedoch wahlweise auch eines oder mehrere der folgenden weitverbreiteten Summagraphics-Formate (s. Tab. 4-2)
4.5.4.7 SoftwareBefehlssatzZur Steuerung des Tabletts kommen an der Schnittstelle zwischen Treiber und Tablett meist herstellerspezifische und kaum standardisierte Befehlssätze zum Einsatz. Tab. 4-3 zeigt ein Beispiel. Die Befehle bestehen meist aus wenigen Bytes und dienen zur Einstellung von Parametern, zur Ablaufsteuerung und zur Diagnose.Programmierschnittstelle "WinTab"An der Schnittstelle zwischen Anwendung und Treiber gibt es inzwischen (zumindest für Windows) einen weitverbreiteten Standard "WinTab", der eine Sammlung von Funktionen und Botschaften als API ("Application Programming Interface") zur Verfügung stellt (s. Tab. 4-4). WinTab vereinfacht die Treiberentwicklung beträchtlich. Waren früher n * m Treiber erforderlich für n Anwendungen und m Tabletttypen, reduziert sich jetzt die Anzahl auf n + m.Über WinTab kann eine Anwendung auf ein oder mehrere Positionseingabegeräte zugreifen. Diese haben mindestens folgende gemeinsame Eigenschaften:
Die Anwendungen richten dann pro Gerät einen oder mehrere Bereiche ("Kontext", engl. "Context") ein, über die sie ihre spezifische Verwendung der Geräte definieren. Im einfachsten Fall können auch vordefinierte Kontexte verwendet werden. Die Anwendung muss für jeden Kontext ein Windows-Handle einrichten, das zum "Besitzer" ("Owner") des Kontexts wird. Die Schnittstelle kann in zwei Betriebsarten betrieben werden:
Es gibt drei Kontexttypen:
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Dateneingabe |