從機械到觸控 滑鼠工作原理全面解析-滑鼠,原理 ——快科技(驅動之...

2021-01-10 快科技

一直以來,滑鼠作為我們最頻繁接觸的電腦輸入設備之一,似乎並沒有受到人們過多的關注。眾所周知在早幾年,大多數用戶都只願意在滑鼠身上花費不超過20元投資,當然此種情況今天已難得一見,應用的進步讓人們對滑鼠開始提出更多的要求,包括舒適的操作手感、靈活的移動和準確定位、可靠性高、不需經常清潔,滑鼠的美學設計和製作工藝也逐漸為人所重視。

現如今的滑鼠已經呈多元化發展趨勢,從機械滑鼠、光電滑鼠、雷射滑鼠到前不久最新推出的觸控式滑鼠等,都擁有各自的用戶群體。可以說,在滑鼠漫長發展的四十年裡,我們也在經歷著從簡單操作到愉悅觸摸的非凡感受。

★世界上第一款滑鼠

滑鼠的英文原名是「Mouse」,這是一個很難以翻譯的單詞,很多人對於這個詞有很多的理解,比如「滑鼠」、「電子鼠」等。滑鼠是一種移動光標和實現選擇操作的計算機輸入設備。隨著「所見即所得」的環境越來普及,使用滑鼠的場合越來越多。它的基本工作原理是:當移動滑鼠器時,它把移動距離及方向的信息轉換成脈衝送到計算機,計算機再把脈衝轉換成滑鼠器光標的坐標數據,從而達到指示位置的目的。


世界第一款滑鼠


世界第一款滑鼠

1968年12月9日,全世界第一個滑鼠誕生於美國加州史丹福大學,它的發明者是Douglas Englebart博士。Englebart博士設計滑鼠的初衷就是為了使計算機的操作更加簡便,來代替鍵盤那繁瑣的指令。他製作的滑鼠是一隻小木頭盒子,工作原理是由它底部的小球帶動樞軸轉動,並帶動變阻器改變阻值來產生位移信號,信號經計算機處理,屏幕上的光標就可以移動。自此,滑鼠和PC就結下了那種難以用言語表達的不解之緣。這款滑鼠的鼻祖與今天的滑鼠結構大不相同,甚至還需要外置電源給他供電才能正常工作。

世界上第一款滑鼠的問世,證明了電腦輸入設備進入了一個新的時代,以至滑鼠成為現如今不可或缺的電腦外設產品。

機械滑鼠工作原理


微軟經典的歪把子機械滑鼠

 機械滑鼠主要由滾球、輥柱和光柵信號傳感器組成,是通過移動滑鼠,帶動膠球,膠球滾動又磨擦滑鼠內分管水平和垂直兩個方向的柵輪滾軸,驅動柵輪轉動。柵輪輪沿為格柵狀。緊靠柵輪格柵兩側,一側是一紅外發光管,另一側是紅外接收組件。紅外接收組件為一三端器件,其中包含甲乙兩個紅外接收管。在水平和垂直柵輪夾角正對方向有一壓緊輪,它使膠球無論向何方向滾動都始終壓緊在兩個柵輪軸上。


機械滑鼠內部構造


機械滑鼠工作原理圖

通過ps/2 口或串口與主機相連。接口使用四根線,分別為電源 , 地,時鐘和數據。正常工作時,滑鼠的移動轉換為水平和垂直柵輪不同方向和轉速的轉動。柵輪轉動時,柵輪的輪齒周期性遮擋紅外發光管發出的紅外線照射到接收組件中的甲管和乙管,從而甲和乙輸出端輸出電脈衝至滑鼠內控制晶片。由於紅外接收組件中甲乙兩管垂直排列,柵輪輪齒夾在紅外發射與接收中間的部分的移動方向為上下方向,而甲乙接收管與紅外發射管的夾角不為零,於是甲乙管輸出的電脈衝有一個相位差。


機械滑鼠工作原理圖

滑鼠內控制晶片通過此脈衝相位差判知水平或垂直柵輪的轉動方向,通過此脈衝的頻率判知柵輪的轉動速度,並不斷通過數據線向主機傳送滑鼠移動信息,主機通過處理使屏幕上的光標同滑鼠同步移動。

顯而易見,這種機械滑鼠的精度受到了桌面光潔度、採樣精度等多方面因素的制約,因此並不適合在高速移動或者大型遊戲中使用。不過,由於這種第一代機械滑鼠出現的時候,大部分PC的系統軟體和操作軟體都只是剛剛開始使用GUI,因此這個矛盾並不突出。

機械滑鼠由於滑鼠內的滾球很容易髒,滾球髒後,導致滑鼠丟幀,因此需要經常清理以及滑鼠的DPI較低而且是固定的,很不便於用戶使用。

光電滑鼠工作原理


最經典的光電滑鼠-微軟IE3.0

機械滑鼠的推出使得眾多電腦外設發明家將滑鼠的研究作為重點工程,而機械滑鼠在發展到一定時期,其諸多缺陷使得專家們開始尋求突破點,1999年,微軟生產出世界上第一個光學滑鼠產品,其中包括IntelliMouseExplorer。IntelliMouseOptical和wheelMouseOptical。光學滑鼠的誕生也成為自20世紀60年代滑鼠誕生以來,在滑鼠技術上取得的最大進步。


光電滑鼠內部構造


光電滑鼠的工作原理圖


光電滑鼠內部結構圖

光電滑鼠的工作原理是:在光電滑鼠內部有一個發光二極體,通過該發光二極體發出的光線,照亮光電滑鼠底部表面(這就是為什麼滑鼠底部總會發光的原因)。然後將光電滑鼠底部表面反射回的一部分光線,經過一組光學透鏡,傳輸到一個光感應器件(微成像器)內成像。這樣,當光電滑鼠移動時,其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。


發光二極體


光學引擎


光學透鏡組件


控制晶片

最後利用光電滑鼠內部的一塊專用圖像分析晶片(DSP,即數字微處理器)對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理,通過對這些圖像上特徵點位置的變化進行分析,來判斷滑鼠的移動方向和移動距離,從而完成光標的定位。

現在看來,微軟不光是一個軟體的帝國,同時也是硬體先驅者。就在它推出的光學滑鼠進入市場以後,憑藉低廉的成本受到全球用戶的高度認可,並且在之後的五、六年裡,一度風靡全球,尤其是微軟IntelliMouseExplorer光學引擎的出現,在其優良的性能基礎上,當時湧現出不少優質經典光學滑鼠,我們熟知的微軟IE3.0滑鼠便是其中之一,直到現在,仍然受到很多CS玩家的狂熱追捧。

光電滑鼠可以說是滑鼠發展歷程中的最重要的一部分,但是光電滑鼠的兼容性不高,適應程度遠遠不如雷射滑鼠。

光電滑鼠必須依賴反射板,它的位置數據完全依據反射板中的網格信息來生成,倘若反射板有些弄髒或者磨損,光電滑鼠便無法判斷光標的位置所在。倘若反射板不慎被嚴重損壞或遺失,那麼整個滑鼠便就此報廢。

雷射滑鼠工作原理

2004年,世界第一款雷射滑鼠同時誕生了,它便是羅技推出的MX1000雷射無線滑鼠,至此,雷射滑鼠的風潮開始興起,光學滑鼠的地位開始岌岌可危,並流失部分用戶。由於羅技MX1000同時也是一款無線滑鼠,因此,無線滑鼠在04年後開始頻繁進入市場。


世界第一款雷射滑鼠-羅技MX1000滑鼠

雷射滑鼠其實也是光電滑鼠,只不過是用雷射代替了普通的LED光.好處是可以通過更多的表面,因為雷射是 Coherent Light(相干光),幾乎單一的波長,即使經過長距離的傳播依然能保持其強度和波形;而LED 光則是Incoherent Light(非相干光)。


雷射滑鼠工作原理

雷射滑鼠傳感器獲得影像的過程是根據,雷射照射在物體表面所產生的幹涉條紋而形成的光斑點反射到傳感器上獲得的,而傳統的光學滑鼠是通過照射粗糙的表面所產生的陰影來獲得。因此雷射能對表面的圖像產生更大的反差,從而使得「CMOS成像傳感器」得到的圖像更容易辨別,提高滑鼠的定位精準性。


微軟的藍影技術


雙飛燕的賽雷射技術


羅技的無界技術


新貴的九九過界技術

在雷射技術的基礎上,各大廠商又推出了類似的不同技術,比如微軟在2008年推出的藍影技術、雙飛燕在2006年推出的賽雷射技術、羅技在2009年推出的無界技術以及新貴在2010年推出的九九過界技術等等。

雷射技術可以說是目前比較完美的技術,雷射技術的產品擁有超強的兼容性,使用起來非常方便。

多點觸控滑鼠工作原理

多點觸控 (又稱多重觸控、多點感應、多重感應,英譯為Multitouch或Multi-Touch)是採用人機互動技術與硬體設備共同實現的技術,能在沒有傳統輸入設備(如:滑鼠、鍵盤等。)下進行計算機的人機互動操作。多點觸摸技術,能構成一個觸控螢幕(屏幕,桌面,牆壁等)或觸控板,都能夠同時接受來自屏幕上多個點進行計算機的人機互動操作。

首先,我們從已經深入大家生活的MP3、手機的觸控螢幕講起。包括比較高端的多點觸控屏,大部分IT產品採用的是電容式觸控螢幕,和更早期的電阻式觸控螢幕相比,電容式觸控螢幕的市場前景更加廣闊。

電容式觸控螢幕是一塊四層的複合玻璃屏,玻璃屏的內表面和夾層各塗有一層ITO(納米銦錫金屬氧化物,具有很好的導電性和透明性)。


市場常見的電容式觸控螢幕

屏幕四個角上引出四個電極,當手指觸摸在金屬層上時,由於人體電場,用戶和觸控螢幕表面形成以一個耦合電容,對於高頻電流來說,電容是直接導體,於是手指從接觸點吸走一個很小的電流。

這個電流分從觸控螢幕的四角上的電極中流出,並且流經這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比,控制器通過對這四個電流比例的精確計算,得出觸摸點的位置。


蘋果出品的全球首款多點觸控滑鼠


雷柏T1多點觸控滑鼠

2009年蘋果公司推出了全球首款多點觸控滑鼠,然而進入2010年國內外設廠商雷柏推了國內第一款多點觸控式滑鼠-雷柏T1滑鼠,這也預示著多點觸控滑鼠將會成為未來的主流。

多點觸控技術是一項新的滑鼠技術,觸控技術的發展勢頭近幾年可以說是非常的迅猛,但由於存在操作延遲、工作效率低等根本問題,短期內還不能夠起到替代鍵鼠產品的作用。但是已經有鍵鼠外設廠商行動起來,開發出了結合觸控技術的新產品。而鍵鼠外設的未來發展,還是需要廠商們開動腦筋,依靠自己的研發實力闖出一片天地。

總結:

從機械滑鼠、光電滑鼠、雷射滑鼠到現在多點觸控式滑鼠,滑鼠經歷過了幾十年的發展歷程,如今,2.4GHz無線技術儼然成為最主流的、最受人歡迎的無線技術,而2.4GHz無線滑鼠成為越來越多的本本用戶首選對象。

至此,滑鼠格局已經出現轉變,廠商們在滑鼠市場推廣方面已經根據用戶開始進行市場細分化,遊戲滑鼠、辦公滑鼠、筆記本滑鼠均有了新定義和新的市場範疇,其性能和功能都發生著巨大變化。

而從目前的情況來看,越來越多的採用藍牙技術和多點觸控技術的滑鼠產品出現在外設市場裡,不過由於存在一些根本問題,短期內多點觸控式技術還不能夠起到替代鍵鼠產品的作用。相信在不久的將來它們都會成為外設的主流產品。

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