Un mouse óptico es un mouse de computadora que utiliza una cámara en miniatura y procesamiento de imágenes digitales para detectar el movimiento relativo a una superficie. Las variaciones del mouse óptico han reemplazado en gran medida al antiguo mouse mecánico y su necesidad de limpieza frecuente.
Los primeros ratones ópticos detectaban movimiento en superficies preparadas, pero nunca lograron una amplia aceptación. El ratón óptico moderno que utiliza correlación de imágenes digitales y que funciona en casi cualquier superficie fue inventado en 2000 por Gary Gordon , Derek Knee, Rajeev Badyal y Jason Hartlove, y recibió la patente estadounidense 6.433.780. [1] Su tecnología se explica en una entrevista con uno de sus inventores realizada por el Museo de Historia de la Computación .
Aunque no se les conoce comúnmente como ratones ópticos, casi todos los ratones mecánicos rastreaban el movimiento usando LED y fotodiodos para detectar cuándo los rayos de luz infrarroja pasaban o no a través de los agujeros en un par de ruedas codificadoras rotatorias incrementales (una para izquierda/derecha, otra para para adelante/atrás), impulsado por una pelota de goma. Por lo tanto, la principal distinción de los "ratones ópticos" no es el uso de ópticas, sino su total falta de piezas móviles para seguir el movimiento del ratón, empleando en su lugar un sistema enteramente de estado sólido.
Los dos primeros ratones ópticos, demostrados por primera vez por dos inventores independientes en diciembre de 1980, tenían diseños básicos diferentes: [2] [3] [4] Uno de ellos, inventado por Steve Kirsch del MIT y Mouse Systems Corporation , [5] [6 ] utilizó un LED infrarrojo y un sensor infrarrojo de cuatro cuadrantes para detectar líneas de cuadrícula impresas con tinta absorbente de infrarrojos sobre una superficie metálica especial. Los algoritmos predictivos en la CPU del mouse calcularon la velocidad y la dirección sobre la cuadrícula. El otro tipo, inventado por Richard F. Lyon de Xerox, utilizaba un sensor de imagen de luz visible de 16 píxeles con detección de movimiento integrada en el mismo chip de circuito integrado MOS tipo n ( 5 µm ) , [7] [8] y rastreaba el movimiento de puntos claros en un campo oscuro de un papel impreso o una alfombrilla de ratón similar. [9] Los tipos de mouse Kirsch y Lyon tenían comportamientos muy diferentes, ya que el mouse Kirsch usaba un sistema de coordenadas xy integrado en la almohadilla y no funcionaba correctamente cuando se giraba la almohadilla, mientras que el mouse Lyon usaba el sistema de coordenadas xy del cuerpo del ratón, como lo hacen los ratones mecánicos.
El mouse óptico que finalmente se vendió con la computadora de oficina Xerox STAR utilizó un enfoque de empaquetamiento de chip de sensor invertido patentado por Lisa M. Williams y Robert S. Cherry del Xerox Microelectronics Center. [10]
El diseño de Mouse Systems (Kirsch) fue comercializado y vendido en formato compatible con PC por la propia empresa [11] junto con variantes renombradas para uso OEM con estaciones de trabajo Sun Microsystems [12] y por Data General . [13]
Los ratones ópticos modernos independientes de la superficie funcionan mediante el uso de un sensor optoelectrónico (esencialmente, una pequeña cámara de vídeo de baja resolución) para tomar imágenes sucesivas de la superficie sobre la que opera el ratón. A medida que la potencia informática se hizo más barata, fue posible incorporar chips de procesamiento de imágenes especiales más potentes en el propio ratón. Este avance permitió que el mouse detectara movimiento relativo en una amplia variedad de superficies, traduciendo el movimiento del mouse en movimiento del cursor y eliminando la necesidad de una alfombrilla especial. Stephen B. Jackson en Xerox patentó un diseño de mouse óptico de luz coherente independiente de la superficie en 1988, a pesar de que nunca se demostró que funcionara. [14]
Sin embargo, los inventos de Xerox nunca fueron explotados comercialmente de forma masiva, y los ratones ópticos seguirían siendo esquivos en el mercado de las computadoras personales hasta que Microsoft lanzó el IntelliMouse con IntelliEye e IntelliMouse Explorer en 1999. [15] [16] Estos ratones utilizaban tecnología desarrollada por Hewlett-Packard bajo su filial Agilent Technologies (ver más abajo). Estos ratones trabajaban en casi cualquier superficie y representaban una mejora bienvenida con respecto a los ratones mecánicos, que recogían suciedad, rastreaban caprichosamente, invitaban a un manejo brusco y necesitaban ser desmontados y limpiados con frecuencia. Otros fabricantes pronto siguieron el ejemplo de Microsoft, incluido Apple para su Pro Mouse , [15] utilizando componentes fabricados por Agilent (una vez que se separaron de HP), y durante los siguientes años los ratones mecánicos quedaron obsoletos.
La tecnología subyacente al ratón óptico de ordenador moderno se conoce como correlación de imágenes digitales , una tecnología de la que fue pionera la industria de defensa para el seguimiento de objetivos militares. En el ratón óptico Lyon de 1980 se utilizó una versión simple de imagen binaria de la correlación de imágenes digitales. Los ratones ópticos utilizan sensores de imagen para visualizar texturas naturales en materiales como madera, tela, alfombrillas para ratón y fórmica . Estas superficies, cuando se iluminan en un ángulo rasante mediante un diodo emisor de luz, proyectan sombras distintas que se asemejan a un terreno montañoso iluminado al atardecer. Las imágenes de estas superficies se capturan en sucesión continua y se comparan entre sí para determinar qué tan lejos se ha movido el mouse.
Para comprender cómo se utiliza el flujo óptico en los ratones ópticos, imagine dos fotografías del mismo objeto, excepto que están ligeramente desplazadas entre sí. Coloca ambas fotografías sobre una mesa de luz para hacerlas transparentes y desliza una sobre la otra hasta que sus imágenes se alineen. La cantidad en que los bordes de una fotografía sobresalen de la otra representa el desplazamiento entre las imágenes y, en el caso de un mouse óptico de computadora, la distancia que se ha movido.
Los ratones ópticos capturan mil imágenes sucesivas o más por segundo. Dependiendo de qué tan rápido se mueva el mouse, cada imagen se desplazará de la anterior en una fracción de píxel o hasta varios píxeles. Los ratones ópticos procesan matemáticamente estas imágenes utilizando correlación cruzada para calcular cuánto se desplaza cada imagen sucesiva de la anterior. [ cita necesaria ] La salida del sensor óptico suele ser X, Ycoordenadas delta. Algunos circuitos integrados ópticos también permiten obtener datos de imágenes. Los ratones suelen incorporar algún tipo de sistema de adquisición de imágenes y procesadores DSP para un procesamiento rápido de datos.
Un ratón óptico podría utilizar un sensor de imagen que tenga una matriz de píxeles monocromáticos de 18 × 18 píxeles. Su sensor normalmente compartiría el mismo ASIC que el utilizado para almacenar y procesar las imágenes. Un refinamiento sería acelerar el proceso de correlación mediante el uso de información de movimientos anteriores, y otro refinamiento sería evitar bandas muertas cuando se mueve lentamente agregando interpolación o salto de fotogramas. [ cita necesaria ]
El desarrollo del ratón óptico moderno en Hewlett-Packard Co. estuvo respaldado por una sucesión de proyectos relacionados durante la década de 1990 en los Laboratorios HP. En 1992, William Holland recibió la patente estadounidense 5.089.712 y John Ertel, William Holland, Kent Vincent, Rueiming Jamp y Richard Baldwin obtuvieron la patente estadounidense 5.149.980 por medir el avance lineal del papel en una impresora correlacionando imágenes de fibras de papel. Ross R. Allen, David Beard, Mark T. Smith y Barclay J. Tullis obtuvieron las patentes estadounidenses 5.578.813 (1996) y 5.644.139 (1997) por principios de navegación óptica bidimensional (es decir, medición de posición) basados en la detección y correlación de datos microscópicos. , características inherentes de la superficie sobre la que viajó el sensor de navegación, y uso de mediciones de posición de cada extremo de un sensor de imagen lineal (documento) para reconstruir una imagen del documento. Este es el concepto de escaneo a mano alzada utilizado en el escáner de mano HP CapShare 920. Al describir un medio óptico que superó explícitamente las limitaciones de las ruedas, bolas y rodillos utilizados en los ratones de ordenador contemporáneos, se anticipó el ratón óptico. Estas patentes formaron la base de la patente estadounidense 5.729.008 (1998) concedida a Travis N. Blalock, Richard A. Baumgartner, Thomas Hornak, Mark T. Smith y Barclay J. Tullis, donde se analizan las características de la superficie, la detección de imágenes, el procesamiento de imágenes y la correlación de imágenes. se realizó mediante un circuito integrado para producir una medición de posición. La precisión mejorada de la navegación óptica 2D, necesaria para la aplicación de la navegación óptica a la medición 2D precisa del avance del soporte (papel) en las impresoras de gran formato HP DesignJet, se perfeccionó aún más en la patente estadounidense 6.195.475 concedida en 2001 a Raymond G. Beausoleil , Jr., y Ross R. Allen.
Si bien la reconstrucción de la imagen en la aplicación de escaneo de documentos (Allen et al.) requirió una resolución por parte de los navegadores ópticos del orden de 1/600 de pulgada, la implementación de la medición óptica de la posición en ratones de computadora no solo se beneficia de las reducciones de costos inherentes al navegar a una resolución más baja, pero también disfrutar de la ventaja de la información visual para el usuario sobre la posición del cursor en la pantalla de la computadora. En 2002, Gary Gordon , Derek Knee, Rajeev Badyal y Jason Hartlove obtuvieron la patente estadounidense 6.433.780 [1] por un ratón óptico de ordenador que medía la posición mediante correlación de imágenes. Algunos trackpads pequeños (como los de los teléfonos inteligentes Blackberry) funcionan como un mouse óptico.
Los ratones ópticos a menudo usaban diodos emisores de luz (LED) para iluminación cuando se popularizaron por primera vez. El color de los LED del mouse óptico puede variar, pero el rojo es el más común, ya que los diodos rojos son económicos y los fotodetectores de silicio son muy sensibles a la luz roja. Los LED IR también se utilizan ampliamente. [17] A veces se utilizan otros colores, como el LED azul del V-Mouse VM-101 que se ilustra a la derecha.
Un ratón láser utiliza un diodo láser infrarrojo en lugar de un LED para iluminar la superficie debajo de su sensor. Ya en 1998, Sun Microsystems proporcionó un ratón láser con sus servidores y estaciones de trabajo Sun SPARCstation. [18] Sin embargo, los ratones láser no entraron en el mercado de consumo convencional hasta 2004, tras el desarrollo por parte de un equipo de los Laboratorios Agilent, Palo Alto, dirigido por Doug Baney, de un ratón basado en láser basado en un VCSEL de 850 nm que ofrecía una resolución de 20X. mejora en el rendimiento del seguimiento. Tong Xie, Marshall T. Depue y Douglas M. Baney obtuvieron las patentes estadounidenses 7.116.427 y 7.321.359 por su trabajo en ratones de consumo basados en VCSEL de amplia navegabilidad y bajo consumo de energía. Paul Machin de Logitech , en asociación con Agilent Technologies, presentó la nueva tecnología como mouse láser MX 1000 . Este mouse utiliza un pequeño láser infrarrojo (VCSEL) en lugar de un LED y aumentó significativamente la resolución de la imagen tomada por el mouse. La iluminación láser permitió un seguimiento de la superficie superior en comparación con los ratones ópticos iluminados por LED. [19]
En 2008, Avago Technologies introdujo sensores de navegación láser cuyo emisor estaba integrado en el IC mediante tecnología VCSEL . [20]
En agosto de 2009, Logitech introdujo ratones con dos láseres para rastrear mejor el vidrio y las superficies brillantes; Los denominaron sensor láser "Darkfield". Sin embargo, esto tiene poco que ver con la iluminación de campo oscuro utilizada por los microscopios; según la descripción de Logitech [21] utiliza un segundo láser desde una dirección diferente para una mejor iluminación si detecta un contraste bajo.
Los fabricantes suelen diseñar sus ratones ópticos (especialmente los modelos inalámbricos que funcionan con baterías) para ahorrar energía cuando sea posible. Para hacer esto, el mouse atenúa o hace parpadear el láser o el LED cuando está en modo de espera (cada mouse tiene un tiempo de espera diferente). Una implementación típica (de Logitech ) tiene cuatro estados de energía, donde el sensor pulsa a diferentes velocidades por segundo: [ cita necesaria ]
Se puede detectar movimiento en cualquiera de estos estados; algunos ratones apagan completamente el sensor en el estado de suspensión, lo que requiere hacer clic en un botón para despertarse.
Los ratones ópticos que utilizan elementos infrarrojos (LED o láseres) ofrecen aumentos sustanciales en la duración de la batería en comparación con la iluminación del espectro visible. Algunos ratones, como el ratón láser Logitech V450 de 848 nm, son capaces de funcionar con dos pilas AA durante un año completo, debido a los bajos requisitos de energía del láser infrarrojo. [ se necesita aclaración ]
Los ratones diseñados para usarse donde la baja latencia y la alta capacidad de respuesta son importantes, como al jugar videojuegos , pueden omitir funciones de ahorro de energía y requerir una conexión por cable para mejorar el rendimiento. Ejemplos de ratones que sacrifican el ahorro de energía en favor del rendimiento son el Logitech G5 y el Razer Copperhead.
A diferencia de los ratones mecánicos, cuyos mecanismos de seguimiento pueden obstruirse con pelusa, los ratones ópticos no tienen partes móviles (aparte de botones y ruedas de desplazamiento); por lo tanto, no requieren mantenimiento aparte de eliminar los residuos que puedan acumularse debajo del emisor de luz. Sin embargo, generalmente no pueden rastrear superficies brillantes y transparentes , incluidas algunas alfombrillas de ratón, lo que hace que el cursor se desvíe de forma impredecible durante el funcionamiento. Los ratones con menor poder de procesamiento de imágenes también tienen problemas para rastrear movimientos rápidos, mientras que algunos ratones de alta calidad pueden rastrear a más de 2 m/s .
Algunos modelos de mouse láser pueden rastrear superficies brillantes y transparentes y tienen una sensibilidad mucho mayor.
En 2006, [actualizar]los ratones mecánicos tenían requisitos de energía promedio más bajos que sus homólogos ópticos; La energía utilizada por los ratones es relativamente pequeña y sólo es una consideración importante cuando la energía proviene de baterías , con su capacidad limitada.
Los modelos ópticos superan a los ratones mecánicos en superficies irregulares, resbaladizas, blandas, pegajosas o sueltas y, en general, en situaciones móviles que carecen de alfombrillas para ratón . Debido a que los ratones ópticos generan movimiento basándose en una imagen que ilumina el LED (o diodo infrarrojo) , el uso con alfombrillas de ratón multicolores puede dar como resultado un rendimiento poco confiable; sin embargo, los ratones láser no sufren estos problemas y seguirán dichas superficies.
[Imagen de caja] PC Mouse - Ratón óptico de última generación [..] Mouse Systems Corp