Без большого преувеличения можно сказать, что устройства связи между человеком и машиной моделируют те или иные реальные предметы. И степень их удобства и "естественности" для разных применений весьма различна.
Дисплей - экран плюс клавиатура - моделирует пишущую машинку. Потому ориентирован на тексты. Действительно, для первичного ввода текста он вполне удобен, при условии, что оператор владеет навыками машинописи. Для редактирования текста это устройство приспособлено гораздо хуже: клавиатура, даже дополненная в качестве указки мышью (или трекболом) не слишком подходящий орган управления для этих целей; к тому-же на экране помещается меньше трети листа и текст становится необозримым. В результате (лично для меня) наилучшим алгоритмом работы с текстом оказался следующий: написать текст от руки на бумаге, набрать, распечатать, внимательно прочитать распечатку и внести исправления от руки, перенести исправления с распечатки в файл, заново распечатать... Здесь машина используется только для ввода и манипуляций с текстом, а фактическое редактирование - с более удобной "твердой копией". (Потому-то безбумажные технологии и потребляют в несколько раз больше бумаги!)
При работе с графикой все проблемы усугубляются. Площадь экрана еще более недостаточна, мышь и клавиатура, как органы управления еще дальше от оптимума. Световой карандаш еще хуже чем мышь, так как служит только указкой, а указывать что-то на экране, то есть вертикальной, довольно высоко расположенной поверхности просто неудобно. Монитор (тот же самый телевизор) вполне годится для просмотра чего угодно, но лучше всего - движущихся изображений, у которых крупные детали более существенны нежели мелкие. У графических объектов, например чертежей, всё в точности наоборот. В результате оказывается, что существующее на настоящий момент интерфейсное устройство наиболее оптимально для динамических видеоигр с не слишком сложным управлением (типа "бродилки-стрелялки").
Наиболее естественным и удобным для работы с текстами, таблицами, графиками, чертежами является интерфейс типа "бумага плюс карандаш". Настоящим ставится цель: создать устройство, наиболее точно воспроизводящее этот интерфейс.
ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА
Интерфейсное устройство состоит из частей, изображающих (моделирующих) бумагу и карандаш, а также управляющей клавиатуры. Оператор держит карандаш в правой руке, как обычную письменную принадлежность и пишет ею по аналогу бумаги. Клавиатура находится у оператора под левой рукой. С её помощью, нажимая или удерживая клавиши, оператор управялет работой карандаша, также, как кнопками мыши.
Карандаш может соединяться гибким слабо пружинящим проводом с основанием. Его габариты - в точности как у любой аналогичной письменной принадлежности. Располагать на самом карандаше какие бы то ни было органы управления нецелесообразно.
Управляющая клавиатура должна включать несколько клавиш - от трех до десяти, распознаваемых на ощупь за счет рельефа поверхности и/или расположения. (Рельеф не желателен, так как способствует загрязнению клавиш.) Для левшей клавиатура может быть перенесена на правую сторону.
Часть моделирующая бумагу, - основная часть интерфейсного устройства, т.к. именно она воспроизводит изображение. В дальнейшем будем называть её "устройством отображения" (УО). УО должно располагаться на поверхности стола или быть встроена в неё. Размер активной части УО, на которой собственно и формируется изображение, должен быть в минимальном варианте равен "11" формату. (Для неграмотных: 11-й формат это А4. Другие чертежные форматы (12, 13, 14... 21, 31, 41... 22, 24, 44... - любые) образуются умножением одной или обоих сторон на соответствующие коэффициенты. Так 12 соответствует А3, 22 - А2 и т.д.) Для промышленного применения может быть созданы УО более крупных чертежных форматов. Поверхность УО должна быть достаточно прочной - устойчивой к механическим воздействиям, царапинам и загрязнению. УО не должно иметь никаких обрамлений, выступающих над уровнем поверхности активной части более чем на два - три миллиметра. Изображение должно формироваться непосредственно на поверхности УО, а не под слоем стекла, как у кинескопа. Минимальный элемент изображения должен иметь размер не более 0.1 миллиметра, рабочий конец карандаша должен иметь сравнимую толщину.
Скорость формирования изображения чем больше тем лучше, но может быть ограничена единицами квадратных сантиметров в секунду. Контраст изображения должен быть достаточно высоким. Цвета желательны, но вполне достаточно черно-белого. Градации яркости желательны, но вполне достаточно бинарного изображения.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.
Для формирования изображения могут быть использованы различные физические принципы. Настоящим предполагается найти или сконструировать химическое вещество - краситель (пигмент), способный находится в двух устойчивых состояниях - окрашенном и не окрашенном. Причем он должен переходить из одного в другое в результате резонансного поглощения света видимого или инфракрасного диапазона. Желательно чтобы переход в окрашенное и не окрашенное состояние вызывался поглощением света разных длин волн. Желательно наличие пигментов трех основных цветов, тогда возможно получение цветного изображения.
Пигмент вносится в состав стекла или пластмассы, из которой делается поверхность УО. Пигменто-содержащую пластмассу можно изготовить в виде пленки. Листы этой пленки - бумага многоразового использования. Для вывода изображения (а также его удаления и редактирования) лист закрепляется на рабочей поверхности УО, а потом снимается и используется обычным образом. Но такая "бумага" будет односторонней.
УО имеет прозрачную (или пигментированную) рабочую поверхность, под которой помещается устройство вывода изображения и устройство слежения за местоположением карандаша. То и другое (это могут быть разные устройства, или одно и то же) представляют из себя источник света требуемых частот (лазер), с отдельным или встроенным устройством управления интенсивностью света (модулятор) и устройство отклонения светового луча (дефлектор). Первое устройство формирует и стирает изображение, второе отслеживает положение кончика карандаша и производит его поиск в случае отрыва и повторного контакта с поверхностью. Изображение формируется на рабочей поверхности УО таким же образом, как изображения в векторных графических дисплеях. Разрешающая способность УО 11_го формата не менее 2000 точек по горизонтали и 3000 точек по вертикали. Точность фокусировки луча и его отклонения должны быть соответствующие.
Если окрашенное состояние пигмента устойчиво - регенерация изображения не требуется и носитель изображения может быть сделан в виде листов. Если оно неустойчиво - требуется постоянная регенерация изображения и пигмент должен быть встроен непосредственно в рабочую поверхность. Пигмент, способный только на переход в окрашенное состояние (а обратный переход - в результате достаточно длительного физического воздействия, например нагревания, ультрафиолетового облучения, и.т.п.), для данного устройства не годится. Но может быть использован для получения твердых копий на "многоразовой бумаге".
Желательно, чтобы УО с носителем изображения в виде отдельных листов могло одновременно выполнять и функции сканера. Если нет, то как минимум оно должно производиться распознавание номера повторно закрепленного листа (выведенного ранее) и автоматическое позиционирование для совмещения изображений в случае неточной его установки. (По реперным меткам на листе.)
Программное обеспечение УО следит за положением кончика карандаша и в зависимости от режимов работы осуществляет окрашивание или стирание в этой точке элементов изображения. УО должен быть снабжен алгоритмами распознавания рукописного текста. В одном из режимов должно производиться распознавание буквы прямо в процессе её написания и замена рукописных букв на "типографские". В связи с (возможно) небольшой скоростью вывода изображения, реализация традиционных элементов "оконного интерфейса" нецелесообразна и нежелательна. Вместо этого каждый отдельный лист можно рассматривать как окно; физическое помещение его на рабочую поверхность УО (при наличии средства опознавания листа) является фактически переключением задач. Но для индикации текущего состояния в верхней части рабочей поверхности УО необходимо иметь дополнительное небольшое поле (на две - три строчки текста) с постоянно закрепленным (или встроенным) носителем изображения.
ЗАДАЧА
Для реализации описанного интерфейса необходимо
1. Найти, синтезировать, изобрести красящее вещество (пигмент) с требуемыми свойствами. Или подобрать другой физический принцип оперативного формирование на поверхности окрашенных и неокрашенных (отражающих и поглощающих свет) областей. С разрешением достаточным для применения в описанном устройстве.
2. Найти (кажется такие уже существуют), изобрести, изготовить элементы оптической системы - лазер на нужные частоты, дающий достаточную интенсивность излучения для инициации фотохимических процессов в пигменте, модулятор к нему, дефлектор, обладающий достаточной точностью, быстродействием и угловым разрешением. А также фотоприемник, с помощью которого предполагается считывать изображение, или как минимум обнаруживать реперные метки, с помощью которых опознаются листы и производится их точная ориентация.