Интерактивные доски изнутри

Пользователей вместо самих компьютеров все больше начинает интересовать их продуктивное использование, что предполагает грамотный выбор и эффективное применение самых разнообразных периферийных устройств. Наш журнал уделяет этому много внимания, но некоторые виды устройств тем не менее остаются за кадром. Стремясь восполнить пробелы, в статьях раздела "Сумма технологий" мы рассказываем о принципах работы различных устройств. В этот раз речь пойдет об интерактивных досках. Интерактивной доске прочат роль чудо-прибора, который вместе с проектором и специальным ПО должен вывести наше образование из затяжного кризиса. Идея в том, чтобы с помощью информационных технологий сделать работу преподавателей творческой и увлекательной, увеличить эффективность обучения школьников и студентов, повысить производительность труда преподавателей и, как следствие, повысить оплату их труда. Но образованием дело не ограничивается: интерактивные доски весьма эффективны и в бизнесе. Интерактивная доска - это основной элемент интерактивной системы, состоящей из проектора, компьютера, драйвера интерактивной доски и специализированного ПО. Весь комплекс предназначен для работы с материалом, представленным в цифровом виде.

В работе доски обычно используются два режима: мыши и аннотаций. В первом случае доска лишь налаживает взаимодействие пользователя с ОС, заменяя мышь, во втором маркер используется по прямому назначению, т. е. для письма и рисования. Заметим, что графический редактор для этого не обязателен: программа рисует прямо на том фоне, который есть на экране, будь то картинка "обоев", слайды PowerPoint, окна прикладных программ и т. д.

Срок службы интерактивной доски превышает пять, а то и десять лет. Конструкция обычно чрезвычайно надежная и вандалоустойчивая. С компьютером устройство соединяется посредством COM- или USB-порта, реже через беспроводной интерфейс. Питание поступает от сетевого блока питания или непосредственно от компьютера по USB-кабелю.

Большинство интерактивных досок после монтажа проектора требует калибровки. Калибровка выполняется с помощью специальной утилиты, которая выводит перекрестья по углам и в центре экрана, после чего просит пользователя нажать маркером в этих точках. Весь процесс обычно не превышает 5 мин. Если взаимное расположение доски и проектора не изменилось, повторная калибровка не потребуется.

Классификация интерактивных досок

Интерактивные доски делятся на два класса в зависимости от расположения проектора: с фронтальной и обратной проекцией. Доски с фронтальной проекцией распространены наиболее широко, хотя и обладают очевидным недостатком: докладчик может загораживать собой часть изображения. Чтобы этого не было, проектор подвешивают под потолком как можно ближе к доске, объектив наклоняют вниз, а возникающие трапециевидные искажения компенсируют с помощью системы цифровой коррекции. Доски с обратной проекцией, где проектор находится позади экрана, существенно дороже и занимают в аудитории больше места, чем доски с прямой проекцией. Поскольку экран работает на просвет, возможны проблемы с видимостью изображения под большими углами.

В последнее время на рынке появились специальные модели проекторов с короткофокусным объективом, предназначаемые для работы с интерактивными досками. Изготовители досок все чаще предлагают готовые комплексы, в состав которых входят доски и прикрепленные к ним сверху на штанге короткофокусные проекторы.

Используемые в интерактивных досках технологии подразделяются на четыре основных типа.

Сенсорная аналого-резистивная технология

Аналогово-резистивная доска - многослойный "пирог", покрытый износостойким полиэфирным пластиком с матовой поверхностью и широким углом рассеяния света. Поверхность достаточно мягкая для того, чтобы немного прогибаться при нажатии. Внутри пирога размещены два листа из гибкого резистивного материала, разделенные воздушной прослойкой. Эта прослойка образуется благодаря тому, что поверхность одного резистивного листа покрыта большим количеством миниатюрных изолирующих выступов. В случае досок обратной проекции резистивные слои выполняются из прозрачного материала - оксида индия и олова.

По сторонам к резистивным листам подключены полосные электроды: у одного листа по бокам, у другого - снизу и сверху. При нажатии поверхность доски прогибается, резистивные листы соприкасаются в точке нажатия. Встроенные электронные коммутаторы подключают электроды A и B к источнику постоянного напряжения, замыкают электроды C и D между собой и подключают их к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП). На его выходе появляется код, определяющий вертикальную координату. Затем схемы перекоммутируются так, чтобы напряжение подавалось на электроды C и D, а снималось с электродов A и B. В этот момент АЦП регистрирует код, соответствующий горизонтальной координате.

Описанная технология получила название четырехпроводной. Помимо нее существуют пяти- и восьмипроводная аналого-резистивные технологии, позволяющие устранить зависимость точности измерения координат от состояния верхних гибких слоев структуры и увеличивить долговечность сенсорной системы.

Разрешение аналого-резистивной интерактивной доски измеряется тысячами точек по горизонтали и вертикали. Например, разрешение широко распространенных интерактивных досок SMARTboard канадской компании SMART Technologies 4000x4000, а Webster американской фирмы PolyVision - 8000x8000. Учитывая разрешение типового проектора (1024x768) этого вполне достаточно.

Электронные схемы аналого-резистивной доски обычно выдают около 80 пар координат в секунду. Правда, скорость реакции интерактивной системы в целом ограничена не только этим показателем, но и механическими свойствами (вязкостью) используемого в доске гибкого пластика, быстродействием ее электронных схем и производительностью компьютера. Практика показывает, что в целом реакция системы достаточно оперативная для большинства образовательных задач.

Для работы с сенсорной аналого-резистивной доской не обязательно иметь специальные маркеры и, хотя в комплекте поставки могут быть разноцветные маркеры и ластик, можно пользоваться пальцем или указкой. Именно это обусловило самое важное преимущество досок данного типа для сферы образования - невозможность сорвать занятие, спрятав маркер или питающую его батарейку. При использовании сухих маркеров аналого-резистивная доска позволяет переводить в электронную форму материал урока, проводимого традиционным образом.

Несмотря на применение мягкой многослойной структуры, аналого-резистивные доски работают в течение многих лет, не теряя качества и надежности. Основная угроза для поверхности - случайное применение фломастеров, после которого пластик бывает трудно отмыть. Кроме того, преподаватель и ученики у доски должны быть внимательными, чтобы не прислоняться и не нажимать на поверхность плечом, локтем, запястьем и т. д.

Интерактивные доски, использующие аналого-резистивную технологию, выпускают компании Egan TeamBoard, Interactive Technologies, PolyVision, SMART Technologies.

Электромагнитная технология

При использовании электромагнитной технологии интерактивная доска имеет твердую поверхность. Внутри слоистой структуры находятся регулярные решетки из часто расположенных вертикальных и горизонтальных координатных проводников. Электронное перо (маркер) с катушкой индуктивности на кончике, которое может быть активным или пассивным, наводит электромагнитные сигналы на координатных проводниках, номера которых определяют местоположение кончика пера. Активное перо питается от батарей или получает энергию по проводу, которым привязано к доске, пассивное работает от наводимого в катушке напряжения. Перо в некоторых моделях способно различать градации силы нажатия, что удобно для применения в программах рисования. Кончик пера может располагаться на некотором удалении от поверхности (не более 10 мм), благодаря чему на доски можно навешивать плакаты и работать поверх них. Помимо маркеров изготовитель может предлагать электронный ластик.

Электромагнитные доски обычно откликаются на действия пользователя несколько быстрее, чем аналого-резистивные. Скорость выдачи информации у них 100-120 пар координат в секунду, а следовательно, время реакции системы ограничивается только производительностью компьютера. Технология изначально разрабатывалась для дигитайзеров, а потому внутренняя разрешающая способность системы (1000-2000 линий на дюйм и выше) избыточна для решаемых доской задач. В рекламных целях производители указывают в проспектах именно внутреннюю разрешающую способность, хотя в компьютер доска передает "загрубленную" информацию с разрешением не более 200 линий на дюйм. Электромагнитные доски не чувствительны к нажатию рукой и другими предметами, а маркеры для них обычно имеют кнопки мыши.

Электромагнитные интерактивные доски выпускают компании GTCO CalComp, Promethean, ReturnStar, Sahara Interactive.

Лазерная технология

Лазерная технология интерактивных досок потребовала для своей разработки немалого искусства. В систему входят два инфракрасных лазерных угломера, обычно располагаемых сверху по углам доски. Угломер работает довольно просто: вращающееся с постоянной угловой скоростью зеркало направляет ИК-луч так, чтобы он, подобно антенне радара, из одной точки сканировал всю поверхность доски. Лучи ИК-лазеров отражаются от "воротничка" маркера и регистрируются фотодатчиками. Система запоминает угол поворота зеркала в момент фиксации отраженного блика. Затем на основании расстояния между угломерами и значений углов встроенный микропроцессор вычисляет координаты кончика пера. Работать пальцем или обычным маркером с лазерной интерактивной доской не получится - нужен специальный маркер, который для уменьшения ошибок позиционирования желательно держать перпендикулярно поверхности доски. Информация о нажатии на кнопки посылается в систему посредством ультразвука (для этого электронный маркер оснащается батарейкой) или сигнала какого-либо другого вида. Маркеры разного цвета и электронный ластик система различает по оптическим свойствам отражающего "воротничка".

Основное достоинство технологии в том, что сама доска может быть сделана из любого материала, хоть толстого стального листа. Принципиальный недостаток лазерной технологии - докладчик может случайно перекрыть луч лазера, в результате чего процесс измерения координат нарушается. На лазерную доску можно вешать плакаты и работать поверх них.

Лазерные интерактивные доски наиболее дороги в производстве. Их выпускает, насколько нам известно, только одна компания - PolyVision.

Ультразвуковая/инфракрасная технология

Система, запатентованная под названием eBeam, использует различие в скорости распространения световых и звуковых волн. Электронный маркер испускает одновременно и ИК-свет, и ультразвук. Размещенные по углам доски ИК-датчик и ультразвуковые микрофоны принимают сигналы, и встроенная электронная система по разности времени их прихода вычисляет координаты маркера. Скорость выдачи информации - около 80 пар координат в секунду.

Электронный маркер работает от батарейки, как и электронный ластик. Основной недостаток ультразвуковой/инфракрасной технологии тот же, что у электромагнитной и лазерной - необходимо использовать специальный электронный маркер. На случай, когда нужно "оцифровать" традиционную презентацию или лекцию, проводимую с использованием маркерной доски, предлагаются специальные насадки для обычных маркеров.

Интерактивные доски с использованием ультразвуковой/инфракрасной технологии выпускают компании Hitachi, Panasonic и ReturnStar.

Поскольку набор ультразвуковых микрофонов и ИК-датчиков с блоком преобразователя не зависит от вида, материала и размеров доски, он может быть исполнен в виде отдельного изделия, которое крепится к любой маркерной доске и настраивается под любые размеры рабочего поля. Подобные решения предлагают компании Emkotech, Luidia, mimio и Quartet.

Программное обеспечение и методология

Программное обеспечение интерактивных досок должно быть доступно не только учителю, но и ученикам, которым нужно дома повторять материал и готовиться по электронному конспекту. При выборе интерактивной доски следует учитывать, что программы, прилагаемые к поставляемым в нашей стране интерактивным доскам, различаются языковой поддержкой, функциональными возможностями, гибкостью интерфейса и другими параметрами.

Принцип работы безбатареечного беспроводного пера

Сетка проводов, расположенная внутри электромагнитной интерактивной доски, служит то излучателем, то приемником слабого высокочастотного электромагнитного поля (режим работы меняется порядка 100 раз в секунду). При излучении поля электрические импульсы поочередно пробегают по проводам сетки. Внутри кончика пера размещен резонансный контур, настроенный на частоту этого поля. В контуре наводятся электрические колебания, фаза которых зависит от местоположения контура относительно координатной сетки. Энергия колебаний (после выпрямления и стабилизации напряжения) питает встроенный в перо микропроцессор.

Последний анализирует показания датчика нажатия на кончик пера и состояние кнопок, после чего формирует сигнал для модулятора, который меняет форму колебаний в контуре в момент, когда перо работает на излучение, а проводная сетка принимает сигнал. Полученный ответный сигнал анализируется микропроцессором доски, который с большой точностью определяет положение пера на поверхности и получает информацию о нажатии на его кнопки и кончик.