Ratón óptico

Un ratón óptico es un ratón de ordenador que utiliza una cámara en miniatura y un procesamiento de imágenes digitales para detectar el movimiento relativo a una superficie. Las variantes del ratón óptico han sustituido en gran medida al antiguo ratón mecánico y su necesidad de limpieza frecuente.

Los primeros ratones ópticos detectaban el movimiento en superficies preparadas, pero nunca tuvieron una amplia aceptación. El ratón óptico moderno, que utiliza correlación de imágenes digitales y funciona en casi cualquier superficie, fue inventado en 2000 por Gary Gordon , Derek Knee, Rajeev Badyal y Jason Hartlove, y obtuvo 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 los suele llamar ratones ópticos, casi todos los ratones mecánicos seguían el movimiento mediante LED y fotodiodos para detectar cuándo los rayos de luz infrarroja pasaban o no por los agujeros de un par de ruedas codificadoras rotatorias incrementales (una para izquierda/derecha, otra para adelante/atrás), accionadas por una bola de goma. Por lo tanto, la principal distinción de los "ratones ópticos" no es el uso de la óptica, sino la ausencia total de piezas móviles para seguir el movimiento del ratón, empleando en su lugar un sistema completamente de estado sólido.

Los dos primeros ratones ópticos, demostrados por primera vez por dos inventores independientes en diciembre de 1980, tenían diferentes diseños básicos: ^{[2] [3] [4]} Uno de ellos, inventado por Steve Kirsch del MIT y Mouse Systems Corporation , ^{[5] [6]} utilizaba un LED infrarrojo y un sensor infrarrojo de cuatro cuadrantes para detectar líneas de cuadrícula impresas con tinta absorbente de infrarrojos en una superficie metálica especial. Los algoritmos predictivos en la CPU del ratón calculaban 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 de tipo n ( 5  μm ) , ^{[7] [8]} y rastreaba el movimiento de puntos de luz en un campo oscuro de un papel impreso o una alfombrilla de ratón similar. ^[9] Los tipos de ratón Kirsch y Lyon tenían comportamientos muy diferentes, ya que el ratón Kirsch utilizaba un sistema de coordenadas xy integrado en la almohadilla y no funcionaba correctamente cuando se giraba la almohadilla, mientras que el ratón Lyon utilizaba el sistema de coordenadas xy del cuerpo del ratón, como lo hacen los ratones mecánicos.

El ratón óptico que finalmente se vendió con la computadora de oficina Xerox STAR utilizó un método de empaquetado de chip sensor invertido patentado por Lisa M. Williams y Robert S. Cherry del Centro de Microelectrónica de Xerox. ^[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]

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Los ratones ópticos independientes de la superficie modernos funcionan mediante un sensor optoelectrónico (esencialmente, una pequeña cámara de video de baja resolución) para tomar imágenes sucesivas de la superficie sobre la que opera el ratón. A medida que la potencia de procesamiento se hizo más barata, se hizo posible integrar chips de procesamiento de imágenes especiales más potentes en el propio ratón. Este avance permitió al ratón detectar el movimiento relativo en una amplia variedad de superficies, traduciendo el movimiento del ratón en el movimiento del cursor y eliminando la necesidad de una alfombrilla especial para el ratón. Stephen B. Jackson patentó un diseño de ratón óptico independiente de la superficie con luz coherente en Xerox en 1988, a pesar de que nunca se demostró que funcionara. ^[14]

Sin embargo, las invenciones de Xerox nunca fueron explotadas comercialmente de manera 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 usaban tecnología desarrollada por Hewlett-Packard bajo su subsidiaria Agilent Technologies (ver más abajo). Estos ratones funcionaban en casi cualquier superficie y representaban una mejora bienvenida con respecto a los ratones mecánicos, que acumulaban suciedad, trazaban pistas caprichosamente, invitaban a un manejo brusco y necesitaban ser desarmados y limpiados con frecuencia. Otros fabricantes pronto siguieron el ejemplo de Microsoft, incluido Apple para su Pro Mouse , ^[15] usando componentes fabricados por Agilent (una vez que se separaron de HP), y durante los siguientes años los ratones mecánicos se volvieron obsoletos.

La tecnología que sustenta el ratón óptico moderno se conoce como correlación de imágenes digitales , una tecnología iniciada por la industria de defensa para el seguimiento de objetivos militares. En el ratón óptico Lyon de 1980 se utilizó una versión de correlación de imágenes digitales de imagen binaria simple. Los ratones ópticos utilizan sensores de imagen para obtener imágenes de texturas naturales en materiales como madera, tela, alfombrillas de ratón y fórmica . Estas superficies, cuando se iluminan en un ángulo rasante mediante un diodo emisor de luz, proyectan sombras distintivas 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 la distancia que se ha movido el ratón.

Para entender cómo se utiliza el flujo óptico en los ratones ópticos, imagine dos fotografías del mismo objeto, pero ligeramente desfasadas entre sí. Coloque ambas fotografías sobre una mesa de luz para que sean transparentes y deslice una sobre la otra hasta que sus imágenes queden alineadas. La distancia que los bordes de una fotografía sobresalen de la otra representa el desfase entre las imágenes y, en el caso de un ratón óptico de ordenador, la distancia que se ha movido.

Los ratones ópticos capturan mil imágenes sucesivas o más por segundo. Dependiendo de la velocidad con la que se mueva el ratón, cada imagen estará desplazada con respecto a la anterior en una fracción de píxel o en varios píxeles. Los ratones ópticos procesan matemáticamente estas imágenes utilizando correlación cruzada para calcular cuánto se desplaza cada imagen sucesiva con respecto a la anterior. ^{[ cita requerida ]} 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 con una matriz de 18 × 18 píxeles monocromáticos. Su sensor normalmente compartiría el mismo ASIC que el utilizado para almacenar y procesar las imágenes. Una mejora sería acelerar el proceso de correlación utilizando información de movimientos anteriores, y otra mejora sería evitar las zonas muertas cuando se mueve lentamente añadiendo interpolación o saltos de fotogramas. ^{[ cita requerida ]}

El desarrollo del ratón óptico moderno en Hewlett-Packard Co. fue apoyado por una sucesión de proyectos relacionados durante la década de 1990 en HP Laboratories. En 1992, William Holland recibió la patente estadounidense 5.089.712 y John Ertel, William Holland, Kent Vincent, Rueiming Jamp y Richard Baldwin recibieron la patente estadounidense 5.149.980 por medir el avance lineal del papel en una impresora mediante la correlación de imágenes de fibras de papel. Ross R. Allen, David Beard, Mark T. Smith y Barclay J. Tullis recibieron 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 características microscópicas inherentes a la superficie sobre la que se desplaza el sensor de navegación, y el uso de mediciones de posición de cada extremo de un sensor de imagen lineal (de documento) para reconstruir una imagen del documento. Este es el concepto de escaneo a mano alzada utilizado en el escáner portátil HP CapShare 920. Al describir un medio óptico que superaba explícitamente las limitaciones de las ruedas, bolas y rodillos utilizados en los ratones de computadora contemporáneos, se anticipó el mouse óptico. Estas patentes formaron la base de la Patente de EE. UU. 5.729.008 (1998) otorgada a Travis N. Blalock, Richard A. Baumgartner, Thomas Hornak, Mark T. Smith y Barclay J. Tullis, donde la detección de imágenes de características de superficie, el procesamiento de imágenes y la correlación de imágenes se realizaron 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 medio (papel) en las impresoras de gran formato HP DesignJet, se refinó aún más en la Patente de EE. UU. 6.195.475 otorgada 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 de posición óptica en ratones de computadora no solo se beneficia de las reducciones de costos inherentes a la navegación a una resolución más baja, sino que también disfruta de la ventaja de la retroalimentación visual al usuario de 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 de computadora óptico que medía la posición utilizando correlación de imágenes. Algunos trackpads pequeños (como los de los teléfonos inteligentes Blackberry) funcionan como un ratón óptico.

Los ratones ópticos solían utilizar diodos emisores de luz (LED) para la iluminación cuando se popularizaron por primera vez. El color de los LED de los ratones ópticos 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 ilustrado 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 general hasta 2004, tras el desarrollo por parte de un equipo de Agilent Laboratories, Palo Alto, dirigido por Doug Baney de un ratón basado en láser basado en un VCSEL de 850 nm que ofrecía una mejora de 20X en el rendimiento de seguimiento. Tong Xie, Marshall T. Depue y Douglas M. Baney recibieron 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 el ratón láser MX 1000 . Este ratón utiliza un pequeño láser infrarrojo (VCSEL) en lugar de un LED y aumentó significativamente la resolución de la imagen tomada por el ratón. La iluminación láser permitió un seguimiento de la superficie superior en comparación con los ratones ópticos iluminados con 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 presentó ratones con dos láseres para un mejor seguimiento sobre superficies de vidrio y brillantes; los llamaron sensores láser de "campo oscuro". Sin embargo, esto tiene poco que ver con la iluminación de campo oscuro que utilizan 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 pilas) para ahorrar energía siempre que sea posible. Para ello, el ratón atenúa o hace parpadear el láser o el LED cuando está en modo de espera (cada ratón tiene un tiempo de espera diferente). Una implementación típica (de Logitech ) tiene cuatro estados de energía, en los que el sensor recibe pulsos a diferentes velocidades por segundo: ^{[ cita requerida ]}

• 11500: encendido completo, para una respuesta precisa en movimiento, la iluminación parece brillante.
• 1100: condición activa de respaldo mientras no se mueve, la iluminación aparece apagada.
• 110: en espera
• 12: estado de sueño

Se puede detectar movimiento en cualquiera de estos estados; algunos ratones apagan completamente el sensor en el estado de suspensión, y requieren hacer clic en un botón para activarlos.

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, pueden funcionar con dos pilas AA durante un año completo, debido a los bajos requisitos de energía del láser infrarrojo. ^{[ aclaración necesaria ]}

Los ratones diseñados para usarse donde la baja latencia y la alta capacidad de respuesta son importantes, como en los videojuegos , pueden omitir las funciones de ahorro de energía y requerir una conexión por cable para mejorar el rendimiento. Algunos ejemplos de ratones que sacrifican el ahorro de energía a 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 (además de botones y ruedas de desplazamiento); por lo tanto, no requieren mantenimiento más allá de la eliminación de residuos que puedan acumularse debajo del emisor de luz. Sin embargo, por lo general no pueden rastrear superficies brillantes y transparentes , incluidas algunas alfombrillas para ratón, lo que hace que el cursor se desplace de forma impredecible durante el funcionamiento. Los ratones con menor potencia de procesamiento de imágenes también tienen problemas para rastrear movimientos rápidos, mientras que algunos ratones de alta calidad pueden rastrear a una velocidad superior a los 2 m/s .

Algunos modelos de mouse láser pueden rastrear superficies brillantes y transparentes y tienen una sensibilidad mucho mayor.

A partir de 2006, ^[actualizar]los ratones mecánicos tenían requisitos de energía promedio más bajos que sus contrapartes ópticas; la energía utilizada por los ratones es relativamente pequeña y solo 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 en las que no se utilizan alfombrillas para ratón . Dado que los ratones ópticos reproducen el movimiento en función de una imagen que ilumina el LED (o diodo infrarrojo) , el uso de alfombrillas de ratón multicolores puede dar como resultado un rendimiento poco fiable; sin embargo, los ratones láser no sufren estos problemas y seguirán el movimiento en dichas superficies.

• Bola de seguimiento