2Technológie riadenia systému

Technológie používané na riadenie systému sa môžu líšiť v závislosti od oblasti, v ktorej sa používajú. Pre rôzne riadenie systému (navigácia gestami, hlasová navigácia, ovládanie/sledovanie očami atď.) sa používa aj iný hardvér.

Hardvér používaný pri rozpoznaní gest:

Dotykové obrazovky

Vo všeobecnosti môžeme rozlíšiť dva typy dotykových obrazoviek: odporovékapacitné.

Odporová dotyková obrazovka sa skladá z niekoľkých vrstiev, z ktorých pružné plastové a sklenené vrstvy sú dve dôležité elektricky rezistentné vrstvy.

Obe vrstvy sú navzájom oproti sebe a medzi nimi je tenká medzera. Keď na vonkajšom povrchu zatlačí špička prstov alebo hrotu, obe fólie sa stretnú. Ide o mieru odporu oboch vrstiev na mieste kontaktu a presné meranie dotykovej polohy.

Výhody odporovej dotykovej obrazovky:

  • Vysoká odolnosť voči prachu a vode
  • Najlepšie sa používajú prstami, rukou v rukavici alebo perom
  • Najvhodnejšie na rozpoznávanie rukopisu

Nevýhody odporovej dotykovej obrazovky:

  • Nie je príliš citlivá, musíte tlačiť silnejšie
  • Slabý kontrast, pretože má ďalšie odrazy od extra vrstvy materiálu umiestneného na obrazovke
  • Nepodporuje multi-dotykovosť (multi-touch)
image
Odporová dotyková obrazovka

Kapacitná dotyková obrazovka sa skladá tiež z dvoch oddelených vrstiev skla, ktoré sú potiahnuté vodičom ako je oxid indinového cínu (Indium Tin Oxide ITO).

Ľudské telo je elektrický nábojový vodič. Keď sa prst dotýka skla kapacitného povrchu, zmení lokálne elektrostatické pole. Systém nepretržite sleduje pohyb každého malého kondenzátora, aby zistil presnú oblasť, na ktorej sa prst dotkol obrazovky.

Výhody kapacitnej dotykovej obrazovky:

  • Keďže kapacitná dotyková obrazovka má namiesto plastu sklenú vrstvu, vyzerá jasnejšie a ostrejšie
  • Vysoko citlivá na dotyk a nepotrebuje pero (stylus)
  • Podporuje multi-dotykovosť (multi-touch)

Nevýhody kapacitnej dotykovej obrazovky:

  • Pretože technológia závisí od vodivosti ľudského tela, nefunguje ak má používateľ rukavice
  • Vzhľadom na komplexnú štruktúru sú pomerne drahé
  • Sklo je náchylnejšie na poškodenie alebo rozbitie
image
Kapacitná dotyková obrazovka

Sledovanie pohybu očí a rozhranie mozog-počítač

Sledovanie pohybu očí je proces merania miesta pohľadu, pohybu očí vzhľadom na polohu hlavy a zorného poľa.

Systémy sledovania očí sú založené na snímaní pohybu oka resp. oboch očí väčšinou pomocou kamier. Na základe snímok sa odhaduje miesto pohľadu. Kamery snímajú oči zvyčajne s frekvenciou 30 Hz (základné kamery na bežné použitie) - 1200 Hz (výskumné účely). V podstate existujú dve základné konštrukcie systémov sledovania pohybu očí - mobilný variant, kde sú kamery namontované na okuliare alebo sú zabudované do HMD (head mounted display), alebo pevný variant, kde sú kamery umiestnené v zariadení pod obrazovkou/monitorom. Okrem vyššie uvedených kamier na snímanie oka sa v mobilnom variante používa aj kamera, ktorá zachytáva prostredie a umožňuje mapovať polohu pohľadu na okolitý obraz.

image
Princíp mobilného monokulárneho sledovača očí, zorné pole je sledované inou kamerou ako pozícia oka.

Rozhranie mozog – počítač (Brain Computer Interface - BCI) je technológia, ktorá umožňuje komunikáciu medzi ľudským mozgom a externým systémom (zvyčajne počítač). BCI môže označovať technológiu, ktorá číta signály z mozgu do externého systému a/alebo technológiu, ktorá vysiela signály do mozgu.

Pri ovládaní zariadení je primárnym záujmom čítať signály z mozgu a interpretovať úmysel používateľa. Vysielanie signálov do mozgu môže byť použité ako spätnoväzbový kanál. Technológia BCI na vysielanie signálov do mozgu môže používať napr. transkraniálnu magnetickú stimulácia (TMS) [7]. TMS je neinvazívny prístup, pri ktorom sa meniace magnetické pole používa na vyvolanie elektrického prúdu v cieľovej oblasti mozgu prostredníctvom elektromagnetickej indukcie. Technológia BCI na čítanie signálov mozgu väčšinou používa elektroencefalografiu (EEG) - elektrické signály vytvorené neurónmi sú zachytené na koži cez lebku pomocou elektród, ktoré sú zvyčajne pozlátené alebo mokré. Systémy BCI typicky používajú 2 elektródy (jednoduchšie BCI zariadenia určené na zábavu), resp. 4 až 256 (výskumné účely). Dôležitá časť zachytených signálov (mozgových vĺn) leží vo frekvenčnom pásme 2 Hz-30 Hz a je veľmi slabá (2-30 mV) - musí byť zosilnená. Tento frekvenčný rozsah je rozdelený medzi viaceré frekvenčné pásma, nazývané beta, theta atď. ... Prítomnosť energie v týchto pásmach môže naznačovať rôzne situácie. Závisí aj od miesta merania. Napríklad delta vlny sú od 1 po 4 Hz, snímajú sa v čelnej časti a pre dospelých sú prítomné vo viacerých spánkových štádiách. Alfa vlny sú v pásme 7 Hz až 13 Hz, snímajú sa na zadných oblastiach hlavy po oboch stranách, objavujú sa pri zatvorení očí a pri relaxácii a zanikajú pri otvorení očí alebo psychickej námahe. Mí vlny sú v pásme od 8 Hz do 13 Hz, objavujú sa na sensorimotorickej (SMR) kôre (stredná horná časť na pokožke hlavy na oboch stranách) a sú prítomné počas motorických akcií alebo dokonca pri predstave motorickej činnosti. Jedným z problémov je, že pri BCI sú zachytávané aj myo-signály (signály generované kvôli pohybom svalov), ktoré sú silnejšie ako EEG signály, 10-300mV. Na ich oddelenie je potrebné signál spracovať. Existujú tiež systémy, ktoré sú založené na myo-signáloch, napr. signály sú snímané na zápästí alebo predlaktí a slúžia na zachytenie gest. Systémy založené na myo-signáloch sa väčšinou zameriavajú na použitie v neuroprotetických riešeniach. Špeciálnym prípadom myo-grafie je okulografia (zachytenie signálov z očných pohybových svalov). Tieto systémy sú teraz vo veľkej miere nahradené vyššie uvedenými systémami sledovania očí založenými na snímaní oka pomocou kamery.

image
Poloha meracích bodov pre snímanie EEG signálu pre BCI: a) umiestnenie SMR kortexu (červená - motorická časť, modrá - senzorická časť) b) systém umiestnenia elektród 10/20 c) umiestnenie elektród pri Emotiv EPOC BCI zariadení

Mikrofóny

Mikrofón premieňa akustické vlny na elektrický signál. Membrána reaguje na zvukové vlny vibráciou, ktorá generuje elektrické impulzy príslušnej intenzity. Existuje množstvo metód na realizáciu takéhoto zariadenia, napr. použitím kondenzátora, dynamiky magnetického poľa, piezoelektrického javu, či dokonca lasera. Mobilné telefóny zvyčajne využívajú mikrofóny s elektretovým alebo MEMS (MicroElectrical-Mechanical System) jadrom.

Kondenzátorový mikrofón

Dve napájané platne medzi sebou držia napätie, čím vytvárajú kondenzátor. Jedna z platní predstavuje membránu, ktorá sa pohybuje v závislosti od prichádzajúcich akustických vĺn. Tento pohyb mení napätie na kondenzátore a vytvára tak elektrický signál.

image
Principiálna schéma kondenzátorového mikrofónu

Keďže je tento mikrofón citlivejší než napr. dynamický mikrofón, využíva sa najmä v nahrávacích štúdiách. Je vhodný na nahrávanie hudobných nástrojov.

Mikrofón vyžaduje napájanie.

Elektretový mikrofón je technologickým vylepšením kondenzátorového mikrofónu, pretože je odolnejší. Elektretové mikrofóny sa v súčasnosti využívajú vo väčšine mobilných zariadení.

Dynamický mikrofón

K membráne mikrofónu je pripevnená cievka navinutá okolo permanentného magnetu. Tlak pôsobiaci na membránu núti cievku pohybovať sa pozdĺž magnetu, čím sa generuje elektrický prúd.

image
Principiálna schéma dynamického mikrofónu

Dynamický mikrofón je menej citlivý, takže je vhodný na nahrávanie živého spevu z pódia.

Medzi ďalšie technológie zachytávania zvuku patrí karbónová, piezoelektrická, pásiková, MEMS, tekutinová či laserová.

V závislosti od tvaru základných súčiastok môže mať mikrofón v rôznych uhloch od zdroja zvuku rôznu citlivosť. Najčastejšia charakteristika je srdcová, pri ktorej mikrofón zachytáva zvukové vlny spredu, no nezachytáva ich odzadu. Medzi ďalšími charakteristikami môžeme spomenúť všesmerovú, dvojsmerovú alebo smerovú.

image
Príklady smerových charakteristík citlivosti mikrofónov. A. Všesmerová (guľová). B. Srdcová (kardioidná). C. Dvojsmerová (osmička). D. Smerová

Kombináciou viacerých mikrofónov (napr. umiestnených v rade) môžeme vytvoriť mikrofónové pole. Toto pole vie lepšie zacieliť na vybranú oblasť a potlačiť nepotrebné oblasti. Dôležitou vlastnosťou mikrofónového poľa je schopnosť odhadnúť smer, z ktorého prichádza hlas hovoriaceho. Toto umožňuje lepšie smerovanie prvkov multimediálneho systému.