人机交互课件第3章 交互设备2

1、3.1.4 指点输入设备指点输入设备指点设备常用于完成一些定位和选择物体的交互任务。物体可能处于一维、二维、三维或更高维的空间中，而选择与定位的方式可以是直接选择，或通过操作屏幕上的光标来完成。1 鼠标鼠标 1963年，美国科学家Douglas Englebart发明了鼠标器（如图3-7左）。他最初的想法是为了让计算机输入操作变得更简单、容易。第一只鼠标器的外壳是用木头精心雕刻而成的，整个鼠标器只有一个按键，在底部安装有金属滚轮，用以控制光标的移动。1984年，苹果公司把经过改进的鼠标器安装在Lisa微电脑上，从而使鼠标器声名显赫，它与键盘一道成为电脑系统中必备的输入装置。 鼠标的分类1）机械

2、式鼠标(半光学鼠标)工作原理：在机械式鼠标底部有一个可以自由滚动的球，在球的前方及右方装置两个支成90度角的编码器滚轴，移动鼠标时小球随之滚动，便会带动旁边的滚轴，前方的滚轴记录前后滑动，右方的滚轴记录左右滑动，两轴一起移动则代表非垂直及水平方向的滑动。编码器由此识别鼠标移动的距离和方位，产生相应的电信号传给电脑，以确定光标在屏幕上的正确位置。 鼠标的分类2）光电式鼠标 工作原理:利用一块特制的光栅板作为位移检测元件，光栅板上方格之间的距离为0.5mm。鼠标器内部有一个发光元件和两个聚焦透镜，发射光经过透镜聚焦后从底部的小孔向下射出，照在鼠标器下面的光栅板上，再反射回鼠标器内。当在光栅板上移动

3、鼠标器时，由于光栅板上明暗相间的条纹反射光有强弱变化，鼠标器内部将强弱变化的反射光变成电脉冲，对电脉冲进行计数即可测出鼠标器移动的距离。 鼠标与计算机的接口串行接口设计(梯形9针接口)；随着PC机器上串口设备的逐渐增多，串口鼠标逐渐被采用新技术的PS/2接口鼠标所取代(小圆形接口)；随着即插即用概念的提出，使得采用USB接口的鼠标成为主流；而对于一些有专业要求的用户而言，采用红外线信号来与电脑传递信息的无线鼠标也成为一种专业时尚。鼠标的按键从按键而言，依次经历了两键、三键时代。随着INTERNET的普及，人们发现，在鼠标上加上一个小小的轮轴更便于浏览网页，这样，又出现了滚轮鼠标，目前的鼠标以三

4、键滚轮鼠标为主（如图3-7右）。虽然鼠标的发展速度和其他输入设备相比似乎慢了许多，但是鼠标对计算机操作带来的巨大便利，决定了其在短时间内是难以被完全替代的。2 光笔 光笔是一种较早用于绘图系统的交互输入设备，它能使用户在屏幕上指点某个点以执行选择、定位或其他任务。光笔和图形软件相配合，可以在显示器上完成绘图，修改图形和变换图形等复杂功能。 光笔的形状和普通钢笔相似，它由透镜、光导纤维、光电元件、放大整形电路和接触开关组成（如图3-11）。光笔的的原理图光电转换放大整形开关电路光孔触钮开关导线透镜组光导纤维笔体输出信号光笔的优缺点 光笔的优点不需要特殊的显示屏幕，与触摸屏的设备相比较，价格便宜许

5、多；在一些不适宜使用鼠标的地方，可以起到替代作用。光笔的缺点手和笔迹可能将遮挡屏幕图像的一部分；会造成手腕的疲劳；光笔不能检测黑暗区域内的位置；会因房间背景光的影响，光笔产生误读现象。3 控制杆 控制杆很适宜于跟踪目的（即追随屏幕上一个移动的目标）的原因是移动对应的光标所需的位移相对较小，同时易于变换方向。 控制杆的移动导致屏幕上光标的移动。根据两者移动的关系，可以将其分为两大类：位移定位和压力定位。对于位移定位的游戏杆，屏幕上的光标依据游戏杆的位移而移动 4 触摸板（Touchpad） 触摸板能够在一定的区域内（通常是5075毫米长度）感应接触，将这种接触信号转发给计算机处理。目前，触摸板已

6、应用到笔记本电脑上，可以替代鼠标。触摸板通过电容感应来获知用户的手指移动情况，对手指热量并不敏感。 同鼠标相比，触摸板的使用更加灵活，在使用过程中，通过更多的配置，可以得到更强的功能。 5 触摸屏 触摸屏作为一种特殊的计算机外设，提供了一种简单、方便、自然的人机交互方式，在某些应用中，可以代替鼠标或键盘。触摸屏目前主要应用于公共信息的查询，如电信、税务、银行、电力等部门的业务查询，城市街头的信息查询。此外还可以应用于工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学等方面。触摸屏的分类可以把触摸屏分为四种：电阻式电容感应式红外线式（图3-12）表面声波式。每一类触摸屏都有其各自的优缺点。 红外

7、线式触摸屏及相关技术参数原理：红外线 屏幕类型：平面 分辨率（dpi）：16001200 尺寸（英寸）：19 透光率：92% 感应力度：可感知100g触摸力触摸屏及相关技术参数6 手写液晶屏 手写液晶屏是液晶矩阵显示技术和高灵敏度电磁压感技术的完美结合，可以在屏幕上直接用压感笔实现高精度的选取、绘图、设计制作。液晶屏幕上除了具备一般的液晶显示屏的特征以外，在最上面还附有一层特制保护层，确保在书写过程中，屏幕保持平整不变形，液晶原来的画质毫不受损，同时具有高耐久性。 7 眼动跟踪系统 眼动跟踪系统允许用户仅仅通过凝视的手段来控制计算机选择物体。目前来看，眼动跟踪系统需要利用较为复杂的硬件设备以及

8、软件算法。 眼动跟踪系统工作原理首先，用四个L形的红外线发光器，在眼睛里产生一些亮点；然后利用一个广角摄像头获取脸部图像，快速确定眼睛的位置，再利用一个视野较小，分辨率较高的摄像头拍摄眼睛的高分辨率图像；最后，分析眼睛的图像,计算瞳孔中心和亮点的位置，通过计算瞳孔中心和亮点确定的矢量，确定视线方向。3.2 输出设备 显示器是计算机的重要输出设备，是人机对话的重要工具。它的主要功能是接收主机发出的信息，经过一系列的变换，最后以光的形式将文字和图形显示出来。在交互的计算机系统中，没有显示器的情况是非常少见的，只出现在某些非传统的应用中。 位图显示 光栅扫描型（Raster scan）显示器，以点阵

9、形式表示图形，采用专门的帧缓冲区存放点阵，缓冲区按照矩形网格排列，每个网格点对应显示器上的一个象素。由视频控制器负责刷新扫描，当扫描到显像管表面时，根据对应的缓冲区中的值，显示不同的灰度和颜色（如图3-15），此类显示技术称为位图（Bitmap）显示。 位图与光栅显示 帧缓冲存储器CRT光栅电子枪寄存器1DAC屏幕坐标系光栅显示器的图形表现能力，是通过光栅图形元素来实现的。为此建立了以屏幕分辨率为基础的二维图形整数坐标系，称为屏幕坐标系。它的垂直方向为Y轴，水平方向为X轴，原点在屏幕的左上角，单位为象素的直径（即点距）。 1 显示器类型 1）阴极射线管（）阴极射线管（CRT）显示器）显示器 结

10、构偏转的电子束荧光屏水平偏转板 垂直偏转板灯丝 阴极聚焦系统 加速系统电平控制器 当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束，经强度控制、聚焦和加速后变成细小的电子流，再经过偏转线圈的作用向正确目标偏离，穿越荫罩的小孔或栅栏，轰击到荧光屏上的荧光粉发出光线。 彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。1 显示器类型2）液晶显示器液晶显示器在充电条件下，液晶能改变分子排列，继而造成光线的扭曲或折射液晶显示器工作原理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。 LCD比CRT显示器具有更好的图像清晰度，画面稳定性和更低的功率

11、消耗，但液晶材质粘滞性比较大，图像更新需要较长响应时间，因此不适合显示动态图象1 显示器类型3）等离子显示器 诞生于二十世纪60年代，它采用等离子管作为发光材料，1个等离子管负责一个像素的显示：等离子管内的氖氙混合气体在高压电极的刺激下产生紫外线，紫外线照射涂有三色荧光粉的玻璃板，荧光粉受激发出可见光 。2 显示器的主要指标 扫描方式：隔行扫描，逐行扫描 刷新频率：指屏幕刷新的速度。刷新频率越低，图像闪烁和抖动得就越厉害，当采用75HZ以上的刷新频率时可以基本消除闪烁。 点距：同一像素中两个颜色相近的磷光体之间的距离。点距越小，显示出来的图像越细腻。 分辨率：屏幕上水平和垂直方向所显示的点数。

12、 最大亮度：屏幕显示白色图形时白块的最大亮度 对比度：先是画面或字符与屏幕背景底色的亮度之比，对比度越大，越清晰。3 显卡显卡工作原理图RAMDAC：数模转换器GPU是显卡的“心脏”，也就相当于CPU在电脑中的作用，它决定了该显卡的档次和大部分性能，同时也是 2D显示卡和3D显示卡的区别依据 图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器3.4.3 数字纸 数字纸是一种仍处于试验阶段的显示技术。数字纸是一种薄的，柔软的介质，如同一般的计算机屏幕一样，可以利用电子仪器在上面书写，不同的是，即使没有了能量，它也能保存已经书写的内容。 有若干技术应用于数字纸的研究。其中之一是将介质的表面布满小的球体，一面

13、是黑色的，另一面是白色的。电子进入介质后，会使得小球旋转，呈现出黑色或白色。当电子信号消失后，小球保持其最后的朝向。目前的数字纸的分辨率可以到达100dpi，并可以显示不同的灰度和颜色。 3.2.2 打印机 打印机 打印机是目前非常通用的一种输出设备，其结构可分为机械装置和控制电路两部分。 常见的有针式、喷墨、激光打印机三类。 打印分辨率、速度、幅面、最大打印能力等是衡量打印机性能的重要指标。三维打印机 三维打印机是快速成型（Rapid Prototyping,RP）的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维模型，把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层

14、层堆积叠加形成三维实体 。3.2.3 语音交互设备 语音作为一种重要的交互手段，日益受到人们的重视。人们可以使用固定电话或移动电话以及PC、PDA和其它智能设备通过语音识别、语音合成等交互技术，以及语音浏览、智能信息处理技术等实现访问互联网，实现个人服务和商业服务的语音应用。在美国、日本，语音互联已成为简易终端接入互联网的主要方式之一。对于语音的交互，耳机、麦克风以及声卡是最基本的设备。 1 耳麦 1.耳机及指标耳机结构：q耳机结构可以分为封闭式、开放式、半开放式三种频响范围：q耳机能够放送出的频带的宽度，国际电工委员会IEC581-10标准中高保真耳机的频响范围应当能够包括50Hz到1250

15、0Hz之间 灵敏度q指在同样响度的情况下，需要输入功率的大小，灵敏度越高所需要的输入功率越小1 耳麦1.耳机及指标阻抗q是耳机交流阻抗的简称，台式机或功放、VCD、DVD、电视等器械上，常用到的是高阻抗耳机，各种便携式随身听，例如CD、MD或MP3，一般会使用低阻抗耳机 谐波失真q是一种波形失真，在耳机指标中有标示，失真越小，音质也就越好。一般的耳机应当小于或略等于0.5%。1 耳麦2.麦克风及指标耳机佩戴有麦克风。为了过滤背景杂音，达到更好的识别效果，许多麦克风采用了NCAT（Noise Canceling Amplification Technology）专利技术。 NCAT技术结合特殊机

16、构及电子回路设计以达到消除背景噪音，强化单一方向声音（只从配戴者嘴部方向）的收录效果，是专为各种语音识别和语音交互软件设计的，提供精确音频输入的技术，采用NCAT/NCAT2技术的麦克风会着重采集处于正常语音频段（介于350Hz-7000Hz）的音频信号，从而降低环境噪音的干扰。 1 耳麦微软设计的Game Voice可以方便地实现同时与多个人对话，与不同的个人对话，以及通过语音命令控制游戏的功能 。Game Voice2 声音合成设备-声卡 声卡的功能是一种安装在计算机中的最基本的声音合成设备，是实现声波数字信号相互转换的硬件，可把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声

17、器、扩音机、录音机等声响设备，完成对声音信息进行录制与回放 。声卡的结构声卡可分为模数、数模转换电路两部分:模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采集到的模拟声音信号转换为计算机能处理的数字信号；而数模转换电路负责将计算机使用的数字声音信号转换为耳机、音箱等设备能使用的模拟信号。 2 声音合成设备-声卡声卡拥有的接口：LINE OUT（或者SPK OUT）q用于连接音箱耳机等外部扬声设备，实现声音回放；MIC IN qOUTMIC IN用于连接麦克风，实现录音功能；LINE IN qLINE IN则是把外部设备的声音输入到声卡中游戏杆（外部MIDI设备接口）2 声音合成设备-声卡与声卡相关的重

18、要概念 声音的采样q采样的位数v决定了声音采集的质量。采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度，这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音也越真实。v16位声卡能将声音分为64K个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，造成较大的信号损失 q采样的频率v采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高则声音的还原就越真实越自然。在当今的主流声卡上，采样频率一般分为22.05KHz、44.1KHz、48KHz三个等级 2 声音合成设备-声卡声道数声音在录制过程中被分配到两个独立的声道，从而达到了很好的声音定位效果，用户可以清晰地分辨出各种乐器来自的方向，从而使音乐更富想象力，更加接近于临场感受。 四声道环绕音频技术较好实现了三维音效，四声道环绕规定了4个发音点：前左、前右，后左、后右，听众则被包围在这中间。 MIDI（Musical Instrument Digital Interface ）文件MIDI文件是一种描述性的“音乐语言”，非常小巧，它将所要演奏的乐曲信