Uprzejmie proszę o zaktualizowanie swoich czytników RSS.

Widzenie podczerwieni.

Jednym z głównych elementów konstrukcji ekranu dotykowego jest kamera. Pełni ona kluczową rolę, bo jest głównym i jedynym sensorem w konstrukcji i właśnie dzięki niej to wszystko działa. Światłem używanym w ekranie FTIR (a także w innych typach konstrukcji) jest podczerwień. Dzięki użyciu innego światła niż widzialne możemy nie przejmować się tak bardzo otoczeniem i dzięki temu odfiltrować tylko istotne dla nas informacje. Aby kamera zobaczyła światło widzialne, trzeba ją do tego zmusić i niestety jest to proces nieodwracalny. Polega on na wydłubaniu filtra światła podczerwonego z optyki kamery. Dzięki temu podczerwień będzie docierała do sensora, który jest czuły na światło podczerwone (zazwyczaj w zakresie bliskiej podczerwieni).

Zmuszając kamerę Play Station 3 Eye do zobaczenia podczerwieni kierowałem się tymi filmami: http://vimeo.com/2939528, http://vimeo.com/2975294.

Obraz wyłapany przez kamerę jest analizowany przez oprogramowanie. Aby było to wykonalne, należy odciąć informacje nieistotne, które malowane są na matrycy przez światło widzialne. Potrzebny do tego jest filtr światła widzialnego przepuszczający tylko światło podczerwone. Może on być wykonany z prześwietlonej kliszy fotograficznej lub dyskietki. Oba te rozwiązania nie sprawdziły się w moim przypadku i musiałem użyć filtra fotograficznego przepuszczającego światło o długości 850nm i większej.

Wyświetlanie obrazu.

Źródłem obrazu w ekranach multi-touch może być zarówno projektor, jak i matryca ekranu LCD. Stosując rozwiązanie oparte o ekran LCD uzyskamy dużo lepszą jakość obrazu, ale jest to rozwiązanie dużo droższe. To był główny powód zastosowania przeze mnie projektora jako źródła obrazu. Jako powierzchnię projekcyjną stosuje się zazwyczaj kalkę techniczną, która doskonale spełnia swoje zadanie. Wracając do podstaw działania techniki FTIR, aby światło zostało rozproszone, musimy zadbać o to, by palec miał dobry kontakt ze szkłem akrylowym. Przy zastosowaniu powierzchni projekcyjnej nasz palec przestaje mieć kontakt ze szkłem akrylowym, a kalka techniczna nie umożliwia podczerwieni ucieczki ze szkła akrylowego.  Dlatego stosuje się warstwę pomocniczą (compliant surface), która znajduje się pomiędzy szkłem akrylowym a powierzchnią projekcyjną.

FTIR wraz z warstwą pomocniczą oraz powierzchnią projekcyjną.

Warstwa pomocnicza ma umożliwić podczerwieni wydostanie się ze szkła akrylowego. Materiałem, który najlepiej spełnia to zadanie jest silikon. Po dotknięciu palcem powierzchni projekcyjnej silikon przykleja się do szkła akrylowego. Światło wydostaje się i jest rozpraszane. Po podniesieniu palca silikon odkleja się. Warstwa pomocnicza jest zazwyczaj tworzona poprzez nałożenie bardzo równej i cienkiej warstwy silikonu na kalce technicznej. Opis najlepszej metody  znajduje się w tym wątku na forum NUIGroup. Silikonem, który dał najlepszy rezultat był silikon akwarystyczny (do kupienia w większości sklepów zoologicznych).

Oto zdjęcia gotowej konstrukcji:

Widzicie te piękne podświetlenie opuszków palców? To nie photoshop! Teoria przedstawiona w poprzednim poście okazała się prawdą. Całkowite wewnętrzne odbicie zaszło, a na obrazie kamery można zaobserwować bardzo wyraźnie oświetlone miejsca dotyku palców. Jak do tego doszło?

Aby to zrozumieć,  niezbędne są teoretyczne podstawy, które możecie zdobyć tutaj. Jak wspominałem wcześniej, jestem w trakcie wykonywania interaktywnego stołu z ekranem dotykowym opartym o technologię FTIR. Stół ten składa się z dwóch głównych części: ramy odpowiadającej za równomierne oświetlenie szkła akrylowego oraz podstawy.

Tworząc projekt ramy inspirowałem się działającym rozwiązaniem znalezionym na forum NUIGroup.com (swoją drogą niesamowita kopalnia wiedzy związanej z technologią multi-touch). Schemat ramy przedstawia poniższy przekrój poprzeczny:

Główna rama podtrzymująca całą konstrukcję została wykonana z drewna.  Nałożony na nią kątownik aluminiowy służy za mocowanie diod IR, których zadaniem jest równomierne oświetlenie szkła akrylowego. Dzięki zastosowaniu górnej ramy alumioniowej światło nie wydostaje się nad powierzchnię dotykową. Do oświetlenia szkła użyte zostały 72 diody, rozłożone po 20 na dłuższych bokach i 16 na krótszych. Chodziło o  zachowanie mniej więcej takiego samego odstępu między diodami na każdej ze ścian. Do zasilania diod posłużył zasilacz o napięciu wyjściowym 12V i natężeniu 1A. W związku z tym, że wymaganym napięciem na diodzie jest 1,5V, zostały one zgrupowane w serie po 8 sztuk. Na każdą serię przypada opornik 1Ohm po to, by diody nie przegrzewały się. 9 takich serii zostało zlutowanych równolegle.

W całym procesie tworzenia konstrukcji towarzyszyli i pomagali mi Hałas i Szymon, za co serdecznie im dziękuję.

Jednym z pierwszych poczynionych działań po wykonaniu drewnianej ramy było docięcie kątowników oraz nawiercenie otworów na diody. Następnie kątowniki zostały przymocowane do drewnianej ramy. Tak wyglądała rama na tym etapie:

Następnym etapem było umieszczenie diod  w otworach i lutowanie. Trwało to ładnych parę godzin, podczas których nauczyliśmy się, że 1MOhm  to nie 1Ohm oraz w którym kablu w zasilaczu jest +, a w którym -. Po włożeniu szkła akrylowego do wnętrza ramy, podłączeniu diod i zakryciu konstrukcji aluminiową ramą od góry nadszedł czas testowania. Jeszcze nie do końca zmodyfikowana kamera, czuła na światło podczerwone i widzialne, skierowana została na powierzchnię dotykową. Zasilanie zostało włączone. Emocje sięgnęły nietu. Pierwszy dotyk  i… nic. Miejsce dotyku nawet nie błysnęło. Wtedy nauczyliśmy się, że prąd przez diodę płynie tylko w jedną stronę. Po drobnej modyfikacji mogliśmy się cieszyć zachodzącym efektem całkowitego wewnętrznego odbicia w szkle akrylowym rozpraszanego przez dotyk.

Pora na kilka zdjęć dokumentujących powstawanie ramy:

Rama z przymierzonym szkłem akrylowym.

Zaizolowany aluminowy kątownik. Gotowy do montażu diod.

Zamocowana pierwsza seria diod podczerwonych.

Wszystkie diody zamocowane i zlutowane. Widoczne światło podczerwone z diod łapane przez matrycę aparatu.

Obraz z kamery podczas pierwszych testów.

Rama już ze  szkłem akrylowym prowizorycznie zamocowana do testów.

Rama zamocowana do testów. Pod nią kamera w profesjonalnym statywie.

Rama została ukończona. W następnych postach opisujących tworzenie ekranu postaram się opowiedzieć jak zepsuć kamerkę PlayStation 3 Eye, jak wyświetlić obraz na ekranie i połączyć to wszystko ze sobą tak, żeby tworzyło ekran dotykowy. Pochwalę się także pierwszym filmikiem przedstawiającym ekran w akcji.

Zacznijmy od multi-touch. Temat coraz bardziej popularny. Na blogu Canonical można przeczytać, że pracują oni nad własnym frameworkiem umożliwiającym tworzenie aplikacji multi-touch, który będzie dołączony do Ubuntu. Parę wydań temu, biblioteka QT wprowadziła obsługę tak zwanych touch eventów. Istnieje także kilka wolnych ( od wolności;-) )bibliotek umożliwiających łatwe i przyjemne pisanie aplikacji wspierających multi-touch. Czym to jest i po co nam to? Daje to możliwość bezpośredniej, jednoczesnej interakcji z wieloma obiektami wyświetlanymi na ekranie. Taki sposób interakcji z komputerem jest dużo bardziej intuicyjny i naturalny dla człowieka. Jest przede wszystkim bliższy interakcji z otaczającym nas światem realnym.

Już wiemy dlaczego jest to fajne. Jak to działa? Ekrany dotykowe większych rozmiarów niż te, które znajdują się w urządzeniach mobilnych, można skonstruować na kilka różnych sposobów. Sposoby te opierają się o zjawiska optyczne, różnią się zazwyczaj rodzajem źródła światła oraz ustawieniem wszystkich komponentów. Wszystke te sposoby rozwijane są przez społeczność zebraną wokół NUIGroup.com. Moja konstrukcja opiera się o metodę korzystającą ze zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia – FTIR (Frustrated Total Internal Reflection – Rozproszone Całkowite Wewnętrzne odbicie). Chwilowo opiszę tylko tę metodę.

Dlaczego diament tak pięknie świeci? Całkowite wewnętrzne odbicie jest zjawiskiem zachodzącym dla światła na granicy ośrodków o różnym załamaniu światła. W skrócie – światło padające z ośrodka o większym współczynniku może nie przejść do ośrodka o mniejszym współczynniku jeżeli pada pod większym kątem niż kąt graniczny (wiki dla trochę bardziej dociekliwych). To zjawisko jest podstawą działania światłowodów oraz tej techniki. Odpowiada też za powstawanie refleksów świetlnych w diamencie. W dużym schematycznym uproszczeniu ekran składa się z warstwy szkła akrylowego, diód podczerwonych oraz kamery czułej na światło podczerwone. Komponenty te ułożone są jak na schemacie poniżej.

Diody podczerwone świecą do wnętrza szkła akrylowego przez jego kanty. Szkło akrylowe ma taki współczynnik załamania światła względem powietrza, że światło które wpada do środka nie wydostaje się przez jego powierzchnię. Kamera podczerwona znajduję się pod powierzchnią dotykową i obejmuje ją całym obrazem. W momencie gdy nikt nie dotyka powierzchni szkła akrylowego, obraz z kamery jest czarny, ponieważ światło podczerwone nie wydostaje się przez powierzchnie szkła. W momencie dotknięcia powierzchni dotykowej światło może już przez nią wylecieć ponieważ zmienił się ośrodek. W związku z tym, że palec użytkownika nie jest przezroczysty światło zostaje od niego odbite. Miejsce odbicia światła (jasna plama) jest zauważona przez kamerę podczerwoną. Po odpowiedniej filtracji i analizie obrazu miejsce dotyku na szkle akrylowym może być przeniesione na miejsce dotyku na ekranie. Obraz z kamery po dotyku wygląda następująco.

A gdzie jest obraz, który niewątpliwie kluczowy dla urządzenia mającego być ekranem? Do jego wyświetlania zazwyczaj używany jest projektor, lub matryca z monitora LCD. W przypadku rozwiązania z projektorem, na powierzchni szkła akrylowego znajduje się materiał, który spełnia funkcję ekranu projekcyjnego (może być to na przykład kalka techniczna). Projektor znajduje się za ekranem tak, aby ręka użytkownika nie zasłaniała obrazu.

FTIR ma swoje minusy i plusy tak jak każda inna technika, ale opiszę je w dalszej relacji z tworzenia tej innowacyjnej zabawki.

A teraz pora na filmik znaleziony w sieci pokazujący działający ekran dotykowy oparty o FTIR.

Dzisiaj (wczoraj?) na własnym sprzęcie przekonałem się, że ta metoda działa:-). Opis konstrukcji już niedługo.

Chyba tak się przyjęło, że większość  ludzi mających coś wspólnego z informatyką tytułuje tak swój pierwszy  program / pierwszy string / wpis – Hello World. Nie wyłamując się ze schematów, też postanowiłem tak uczynić.  Wypadałoby zacząć od przedstawienia się. Nazywam się Michał Charmas i pewnie będę informatykiem, a przynajmniej teraz karczuję chaszcze życia, przedzierając się właśnie w tym kierunku. Studiuję informatykę na wydziale MFI (Matematyki, Fizyki i Informatyki) na Uniwersytecie Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie. Postaram się, abyście dowiedzieli się o mnie więcej po drodze, na której niniejszym postem stawiam swój pierwszy krok.

Motywacja.

Niedawno zacząłem pisać licencjat. Teoretycznie miałem na to cały rok, ale kto nie lubi tej presji czasu. Po otwarciu dokumentu rozdzial1.tex trzeba było wydusić z siebie pierwsze zdanie. Po paru minutach intensywnego myślenia, uświadomiłem sobie, że ostatnim dłuższym tekstem, który napisałem było… wypracowanie maturalne.  Postanowiłem coś z tym zrobić. Kolejną motywacją jest prokrastynacja.  Po co robić pracę / program / projekt / cokolwiek co trzeba zrobić, jeśli można strzelić posta na blogu? Motywacją był także fakt, że dwójka znajomych w ostatnim czasie zaczęła przygodę z blogowaniem. W końcu, do postawienia tego pierwszego kroku pchnęła mnie także chęć dzielenia się informacjami.

Informacje, którymi w najbliższym czasie będę się z wami dzielił będą ściśle dotyczyły mojej pracy licencjackiej. Pomimo tego, że studiuję na Uniwersytecie, duża część mojej pracy ma charakter inżynierski. Jestem w trakcie tworzenia własnego ekranu dotykowego (multi-touch) w oparciu o rozwiązanie FTIR, które to będzie tematem następnego posta.

Poza tym, że kroczę taką ścieżką a nie inną, jestem też człowiekiem, który słucha jakiejś muzyki, bywa na koncertach, czasami coś przeczyta lub obejrzy jakiś film. Jest też trochę uzależniony od tępego serialowania. O tym też postaram się wspominać.