Periferie počítačů

Petr Jedlička, Cyril Klimeš, Tomáš Pitner tomas.pitner@mendelu.cz

Cíle přednášky

Poznat škálu vnějších zařízení, bez nichž by počítače byly k ničemu.

Periferie jsou všechny ty klávesnice, myši, monitory, tiskárny atd. — prostě vnější, tedy periferní, okrajová zařízení.

Vnější zařízení

Klávesnice
Polohovací zařízení (tablety, myši, touchpady)
Reproduktory, sluchátka a mikrofony
Webkamery a videokonferenční zařízení
Čtečky a terminály
Tiskárny a 3D tiskárny

Klávesnice

Účel použití

PC	ke stolnímu počítači, tzn. jako jediná
k notebooku	ten má svou vestavěnou, nicméně externí další se hodí: ušetříme vestavěnou a doplníme numerický blok
k tabletu	ten svou nemá a externí klávesnice z něj dělá pracovní nástroj
k televizi	dnes jsou TV inteligentní; na zadávání URL, hledání atd. se hodí

Rozložení, numerická část a touchpad

americká QWERTY, v českém prostředí je běžnější QWERTZ
s využitím klávesy Right-Alt (Right-Option u Mac) lze programovat i psát česky bez přepínání rozložení
numerická část může prodražit, ale vyplatí se
podsvícení lze rovněž doporučit, zejména u NTB, kde nemáme psací stůl

Připojení

USB	Přenos signálu i napájení jedním kabelem
Bluetooth	ideální k NTB, nepotřebuje nic dalšího (NTB má vestavěný BT), jen občas dobít
2.4 GHz	potřebuje adaptér (v ceně), většinou levnější

Mechanické provedení

Membránová: levná; pružné fólie se stiskem promáčknou a propojí za charakteristického "lupnutí"
Mechanická: dražší; skutečné (větší) spínače = pohodlný stisk spínačů, dlouhá životnost

Polohovací zařízení

Pointing device

Umožňuje lidské obsluze udávat polohu (kurzoru myši nebo kreslicího pera) na obrazovce nebo v prostoru: pohybem ruky, očima, částí těla…

Pro různé účely:

od obsluhy počítače výběrem z nabídek až po hry a konstrukci v CAD.
Patří mezi ně myši, touchpady, tablety, dotykové displeje, herní ovladače, pohybové senzory, eye-trackery

Myši

Klasické	úchop rukou shora a posun po stole/podložce
Vertikální	úchop rukou bez kroucení zápěstí (ergonomie)
Trackball myši	ruka ovládá kuličku namísto přesunu celé myši

Kvalita snímání

princip snímání	optické (LED), laserové (zvládne víc povrchů, ale může mít vyšší jitter)
rozhraní	drátové (USB), Bluetooth, 2.4GHz rádio
citlivost	DPI / CPI (Dots / Counts Per Inch)

polling rate	jak často komunikuje myš s počítačem; běžně 125 Hz, herní až 1000 Hz, špičkové modely i 8000 Hz.
max. rychlost	počet inches per second, aby senzor ještě stíhal; běžně: ~30-60 IPS, herní až 650+ IPS.
akcelerace	maximální zrychlení, které senzor zvládne; herní myši: často 30-50 g.

Touchpady

obsluha dotykem jednoho nebo více prstů a posuny (gesta)
možnost stlačení (náhrada kliknutí tlačítka) s haptickou i zvukovou odezvou ("kliknutí")
interní v noteboocích
externí jako alternativa k myši nebo i k tabletu

Tablety

Zde nemyšleno jako samostatně fungující přenosná zařízení typu iPad, nýbrž
speciální polohovací zařízení zejména pro kreslení na počítači bez papíru atd.
Na rozdíl od touchpadu se pro pohyb po tabletu používá speciální pero (stylus).
Stylus má tlakovou citlivost, někdy detekci náklonu, sám má programovatelná tlačítka, někdy umí psát jedním a "gumovat" druhým koncem.

Dotykové obrazovky

Výbava všech tabletů a některých notebooků

Kapacitní	ovládání (holými) prsty nebo stylusem
Rezistivní	lze ovládat i s rukavicemi; pro průmyslové použití

Audio- a videozařízení

Nezbytnost pro telekonferenční a videokonferenční použití
Snímání obrazu, zvuku a reprodukce zvuku
V jednoduchosti lze u notebooku vystačit s vestavěnými reproduktory
Pro speciální účely jako videokonferencing nebo profi natáčení je třeba speciální zařízení

Audiozařízení

Mikrofony
Reproduktory
Sluchátka

Vlastnosti mikrofonů

Technologie snímání	Dynamický, kondenzátorový, páskový, kapacitní-elektretový
Směrová charakteristika	Určuje, z jakého směru mikrofon snímá zvuk nejcitlivěji
Impedance	Ovlivňuje kompatibilitu s předzesilovačem nebo zvukovou kartou (150—600 Ω)
Max. akustický tlak	Nejvyšší hlasitost, kterou mikrofon zvládne bez zkreslení (120—150 dB SPL)

Kvalita mikrofonů

Frekvenční rozsah	20 Hz—20 kHz (běžné), užší u levnějších modelů
Citlivost	výstupní napětí při určité hladině akustického tlaku (např. -42 dBV/Pa)
Poměr signál/šum	Určuje čistotu signálu vzhledem k vlastnímu šumu mikrofonu (např. 80 dB)
Zkreslení	Míra zkreslení signálu při určité hlasitosti (<1 %, ideálně <0.1 %)

Princip elektretového mikrofonu

Uvádíme jako příklad mikrofonu, který je levný, dostatečně kvalitní a umožňuje jednoduché obvodové řešení: ECM.
Elektretový kondenzátorový mikrofon (ECM) funguje na principu elektretu — feroelektrického materiálu, který je trvale elektricky nabitý; díky vysokému elektrickému odporu a stabilitě elektretu zůstává náboj přítomen i stovky let.
Princip činnosti elektretového kondenzátorového mikrofonu spočívá v tom, že membrána funguje jako jedna deska kondenzátoru a zadní deska jako druhá.
Zvukové vlny způsobují kmitání membrány, čímž se mění vzdálenost mezi deskami a tedy i kapacita kondenzátoru.

Konstrukce

Nick Grillone, Applications Engineer, Same Sky: The Complete Guide to Electret Condenser Microphones

Elektrický princip

Obecně na deskách kondenzátoru (tudíž i na elektrodách elektretového mikrofonu) platí: V = Q / C.
Náboj Q zůstává stále stejná a jak se kapacita (C) mění vlivem pohybu membrány, dochází k inverzně úměrné změně napětí (V) na kondenzátoru, což generuje elektrický signál odpovídající zvukovým vibracím.
Toto proměnné napětí je dále přivedeno na tranzistor s řízeným elektrickým polem (FET), který signál zesílí pro lepší přenos.

Reproduktory

Reproduktor je elektricko-akustický měnič, generuje na základě přivedeného signálu akustické vlny = zvuk
Použití je různé: od reproduktorů v telefonech, počítačích, přes kvalitní reprosoustavy až po velmi výkonná zařízení na ozvučení velkých prostor (haly, koncerty)
Musíme tedy rozlišovat, zda myslíme jeden reproduktor nebo celé zařízení (reprosoustavu) na reprodukci zvuku, což je často celá reproduktorová soustava s podpůrnou elektronikou a vhodným akusticko-mechanickým provedením.

Principy reproduktorů

Principů je podobně jako u mikrofonů hodně; nejčastěji jsou vidět:

dynamické	nejběžnější; v různých variantách pro různá zvukovová frekvenční pásma
piezoelektrické	levné, nenáročné, hodí se pro střední a vyšší frekvence (pískání, skřípavý zvuk)

Piezoelektrický reproduktor

Zde pravděpodobně přímo levné repro z digitálních hodinek: Bílý keramický piezoelektrický materiál je vidět připevněný na kovové membráně.

Princip piezo-reproduktorů

Ohýbání keramického piezoelektrického materiálu upevněného na kovové membráně

Obr. 1. Piezo ohýbání

Sluchátka

Slouží k výstupu zvuku podobně jako reproduktor, fungují na stejných principech.
Jsou určeny pro poslech jednomu uživateli a to v různých provedeních: náhlavní, do uší, závěsná za ucho, jako součást telefonního přístroje apod.

Nejčastější: dynamická sluchátka

Podobně jako u reproduktorů:

Cívka, jíž prochází proud reprezentující zvukový signál, se pohybuje v magnetickém poli permanentního magnetu
Pohyh se přenáší na připevněnou membránu, která vytváří akustický tlak a tudíž slyšitelný zvuk.
Velmi výhodné: cívka je lehká a pohyb tudíž nenáročný a ve velkém rozsahu frekvencí

Alternativy

Piezoelektrická: podobně jako u reproduktoru, zvuk vytvářen ohýbáním piezoelektrického (ferroelektrického) materiálu, který je součástí membrány, které vytváří zvuk
Elektrostatická: přivedením vyššího napětí na perforované elektrody, mezi nimiž je dielektrikem izolovaná extrémně tenká vodivá membrána, se elektrostatickou silou vychýlí na jednu či druhou stranu (k jedné či druhé elektrodě). Vyžaduje stále napětí stovek voltů (bias voltage) a speciální zesilovač. Nabízí vysoce kvalitní reprodukci zejména středů a výšek — za cenu nákladnějšího řešení.

Někteří výrobci jsou specializovaní právě na elektrostatická sluchátka: STAX.

Active Noise Control

Aktivní potlačování šumu, zvyšuje kvalitu vnímání zvuku,
zlepšuje srozumitelnost při hovoru/telekonferencích v hlučném prostředí.
ANC funguje na principu aktivního generování antifázového zvuku, který vyruší původní zvenčí přicházející hluk.

Sluchátka ANC fungují nejlépe, když hluk, který se snažíte potlačit, má nízké a stálé frekvence — například vlak, letadlo nebo klimatizace v kanceláři. Příležitostné zvuky, jako je křik nebo štěkot psa však stále uslyšíte. Ani ta nejlepší sluchátka s ANC totiž nejsou bohužel dostatečně rychlá, aby vytvořila antifázový zvuk v reálném čase. [-- popis fy. Sony]

Sluchátka s vestavěnými mikrofony

Kvůli univerzalitě použití pro hovory (handsfree) jde dnes o častou kombinaci: v těle sluchátka nebo na náhlavní sadě je zabudován mikrofon.
Může sloužit současně i pro ANC.

Telekonferenční zařízení

Obr. 2. Jabra Speak 510

Bezdrátový hlasový komunikátor,
propojení přes Bluetooth, dosah až 100 m, indikátor nabití baterie,
nabíjení pomocí USB, výdrž baterie až 15 hodin provozu
všesměrový mikrofon,
čistý zvuk i při nejvyšší hlasitosti,
technologie HD Voice pro křišťálově čisté hovory,

Videozařízení a kombinace

Webkamery (vynecháváme ostatní kamery)
Videokonferenční zařízení

Webkamery

Webkamery jsou kamery stále připojené k počítači nebo přímo vestavěné.
Určené spíše pro videokonferencing než natáčení videí.
Pro videokonference lze použít i kameru z telefonu (může být i kvalitnější).
Pro běžné hovory stačí 1080p / 30 fps, ale pro streamery a obsahové tvůrce je ideální 4K / 60 fps.

Nemáme bohužel prostor věnovat se i kamerám pro jiné účely — průmyslovým, dohledovým, mikroskopovým, pro profesionální natáčení atd.

Vlastnosti kamer (1)

Rozlišení	720p (HD), 1080p (Full HD), 1440p, 4K čím vyšší rozlišení, tím lepší kvalita obrazu, ostrost, velikost dat
Snímková frekvence	30 fps, 60 fps, 120 fps Plynulost videa (více fps = plynulejší obraz)
Zorné pole (FOV)	60°--120° Šířka záběru: širší pro skupiny/osobní pro hovory

Vlastnosti kamer (2)

Autofokus	Automatické ostření na objekt Důležité při pohybu nebo práci s předměty
Světelnost	Citlivost, schopnost snímat za horších světelných podmínek Lepší obraz bez přídavného osvětlení
HDR podpora	Vyvážení světlých a tmavých oblastí Vyšší dynamika obrazu
Další výbava	Vestavěný mikrofon

Příklad: Logitech Webcam C930e

HD rozlišení (1920*1080),
stereomikrofony,
autofokus,
korekce světla

Obr. 3. Logitech Webcam pro běžné kancelářské použití

Videokonferenční technika

Nabízejí výrazně víc než webkamera
Pro využití v rámci celé místnosti, snímání více lidí
Fokus kamery i mikrofonu na hovořící osoby, počítání osob
Panoramatický záběr
Kvalitní zvuk bez ozvěn
Obvykle pevné umístění v kombinaci s velkou obrazovkou

Příklad: Jabra Panacast 50

4 reproduktory, rozpoznají a odstraní zbytkovou ozvěnu a šum;
180° video - tři 13megapixelové kamery, plynulý 180° záběr ve vysokém panoramatickém rozlišení 4K;
Virtuální režisér - aby byli v záběru jen aktivní řečníci;
Bezpečnostní přehled o kapacitě a využití místnosti - Intuitivní software anonymně počítá osoby a okamžitě vás upozorní v případě porušení vámi nastavených směrnic;
Streamování tabule

Obr. 4. Pevné řešení pro kanceláře - Jabra PanaCast 50

Čtečky

čtečky čipů a identifikačních karet
platební terminály
čtečky paměťových karet

Tiskárny

Zde myšlena zařízení pro vytváření 2D obrazu na papíru nebo jiném plochém médiu
3D tisk probereme hned poté

Barevné modely

Pro DTP a tisk v profesionální kvalitě je nezbytné přesně (nikoli jen intuitivně) vědět, jakou barvu máme na mysli.
Mnoho výrobků, vzorů, úředně stanovených obrazů (třeba znaky, vlajky států), loga firem atd. má přesně definované barvy.

CMYK

Z webového prostředí známe identifikaci barev pomocí RGB modelu, každá složka obvykle 8 bitů.
RGB se jako aditivní model principiálně nehodí pro tisk, kde se výsledná barva "odečítá" od bílé: zde jsou vhodnější modely jako CMYK (Cyan-Magenta-Yellow-Black)

Pantone

V prostředí tisku, reklamy a dalšího průmyslu se hodně využívá barevné škály "Pantone" podle společnosti, které ji zavedla.

Technologie tisku

Inkoust	tiskárna využívá přenos malých kapiček tekutého inkoustu na papír
Laser	tiskárna využívá laser a otočná zrcadla pro vytváření obrazu na fotocitlivý válec (mnoho výrobců: HP, Kyocera, Minolta,…)
LED	tiskárna využívá pevné řady LED diod pro vytváření obrazu na fotocitlivý válec (OKI, Lexmark, XEROX)
Termotisk	na speciální termopapír černající při zahřátí; tisková hlava obsahuje malé topné body, které selektivně zahřívají papír.

Princip inkoustového tisku

Tiskárny pro domácí i kancelářský tisk; principem je přenos malých kapiček tekutého inkoustu na papír.

BubbleJet: v tiskové hlavě je malý topný rezistor, který ohřeje inkoust na cca 300 °C, vytvoří bublinu a ta vystřelí kapku inkoustu tryskou na papír (výhoda: levné)
Piezoelektrický: krystal v trysce změní připojením napětí tvar a změna vytlačí přesnou kapku inkoustu na papír bez nutnosti zahřívání (výhoda: širší možnosti inkoustů)

Princip laserového a LED tisku

Tiskárny pro kancelářské a produkční využití; principem je osvit válce a přenos sypkého toneru (barvy).

Osvícení válce pomocí laseru přes zrcátka nebo LED diodami
Osvětlí se jednotlivé body válce podle toho, kde má být toner.
Přenos toneru: na osvětlená místa se elektrostaticky přichytí toner.
Přenos na papír a fixace: toner se přenese na papír a zažehluje se v tavicí jednotce.

Princip termotisku

Tiskárny pro rychlý tisk malých ploch: čárové kódy, štítky, účtenky.

Přímý termotisk: tisková hlava obsahuje topné body, které selektivně zahřívají papír
Termotransferový tisk: tisková hlava zahřívá barevnou voskovou nebo pryskyřičnou pásku (ribbon), která přenáší barvu na médium [téměř jakékoli]

Kritéria volby tiskárny/tiskové technologie

Základní dilema: Vlastnit nebo využívat?
Když vlastnit, tak pro které případy užití?
Sdílená pro všechny nebo lokální?
Co kromě samotné tiskárny potřebuji?

Schopnosti tiskárny

Schopnosti tisku	barva, oboustranný tisk, různá média
Další funkce	skenování, autentizace PIN/kartou na panelu
Objem tisku	měsíční počet stran a barevnost
Přístup vně	mobility a připojení na cloud

Provoz tiskárny

Bezpečnostní požadavky: zabezpečení tiskárny a tiskového systému
Ochrana proti úniku citlivých dat: nepošle sken mimo firmu, nevytiskne bez přítomnosti oprávněného uživatele
Rozpočet na pořízení i provoz: včetně návazného tiskového systému/SW
Ekologické aspekty: spotřeba energie i náplní

Typy tiskáren

Malé tiskárny	většinou domácí použití, inkoustová technologie, velmi levné pořízení, většinou dražší tisk
Fototiskárny	plná barva a bez okrajů, rovněž inkoust
Termotiskárny	černobílý tisk většinou na rolku papíru — platební a pokladní terminály
Multifunkční tiskárny	ve spojení se skenerem, funkce kopírky, dnes velmi běžné (laser evt. inkoust)

Multifunkční tiskárny

Technologicky inkoust (menší) nebo laser (větší)
Tisk, sken, kopie
Připojení k počítačové síti
Většinou výbava v podobě vícero zásobníků papíru a výstupu tisku
Formáty obvykle do velikosti A3 na různá média (papír, polepky, fotopapír, obálky)
Připraveno pro více uživatelů (téměř) současně
Sken z plochy i z podavače listů

Velká multifunkce

LED tiskárna multifunkční, barevná, A3, kopírování a skenování, fax, rychlost černobílého tisku 35 str./min., rychlost barevného tisku 35 str./min., tiskové rozlišení 1200 x 1200 DPI, automatický duplex, DADF skener, displej, USB a LAN

Obr. 5. OKI MC883dnv

"Okolí" tiskárny

Tisk není jen tiskárna jakožto koncové zařízení.
Většinou potřebujeme ještě aspoň printserver ve formě SW nebo appliance (dedikovaného HW).
Většinou preferujeme přístup po počítačové síti: drátové (většinou metalika) i bezdrátové (WiFi)
Někdy se hodí i rozhraní Bluetooth (mobilní, ad-hoc tisk)

Systémy správy tisku

Řízení přístupů na jednotlivé tiskárny: nikoli přímo, ale přes centralizovaný systém správy
Obstarají funkci print serveru: dá se na ně poslat tiskován úloha a úlohy řídit
Kromě řízení přístupu také účtování (accounting) tisku
Pro větší organizace s mnoha uživateli nutnost
Nutnost tam, kde je více tenantů, tedy subjektů zúčtování (třeba klienti v coworkingu)

Technika a dodavatelé

Technicky se jedná o ucelené specializované softwarové systémy často běžící na vyhrazeném počítači (aspoň jako virtual machine)
Dnes běžně součástí dodávek spolu s hardwarem (tiskárnami, sítěmi,…)
Výrazná česká stopa: systémy SAFEQ fy Y-SOFT (Brno, dnes světová firma)

Plottery

Pro tisk či spíše strojní kreslení na velkoplošné formáty
Typicky technické výkresy, mapy, reklama (postery, bannery)
Kombinace velkých rozměrů a stále vysoké přesnosti

Deskový (stolní) plotter

papír se umísťuje celý na kreslicí plochu a
nad ním pojíždí kreslicí pero v osách X-Y
upevnění papíru se děje elektrostaticky
nevýhoda: velká plocha plotteru vzhledem k pevně omezené velikosti papíru

Obr. 6. Deskový plotter

Stojanový plotter

posunuje kreslicí hlavu pouze v jednom směru napříč papírem
v druhém směru s papírem pohyboval válec, což vyžadovalo přesný mechanismus, aby bod s určitými souřadnicemi ležel na stále stejném místě papíru a dalo se navazovat kresbu

Obr. 7. Stojanový plotter Gerber

Technologie kreslení (1)

Perový

kreslí se perem (s tekutou náplní/inkoustem) upevněným v kreslicí hlavě
lze řešit vícebarevné kreslení — hlava si vezme jiné pero

Tužkový

barevné tužky s možností různé tloušťky tuhy

Inkoustové (tryskové)

de facto velká inkoustová tiskárna
podobné možnosti, barvy, nutnost použití vhodného papíru
obsluhují se nějakou formou printer control languages (PCL)

Řezací plotter (vyřezávací)

místo pera vybaveny vyřezávacím nožem
materiálem je dvojvrstvá fólie: spodní vrstva = pevný nosný materiál, který není vyřezávacím nožem proříznut, na něm je přilepena prořezávaná samolepicí vrchní vrstva

Obr. 8. Řezací plotter

3D-tisk

3D tisk je proces výroby trojrozměrného předmětu pomocí 3D tiskárny nebo pera.
Principielně jde o postupné přidávání materiálu, až se vytvoří požadovaný tvar.
Tím se tisk zásadně liší od obrábění, kde se materiál odebírá.
3D tisk se může provádět dle 3D modelu výrobku nebo z 3D skenu.

Model

U klasického 2D tisku stačí jako předloha rastr nebo řádky s písmenky nebo posloupnost příkazu v podporovaném Printer Control Language
U 3D tisku je třeba 3D model, z něhož se dá "kreslit" po vrstvách

Procesy a materiály pro 3D tisk

3D printing processes

Na další kapitolu: Počítače pro řízení technologických procesů

HTML · Slides · PDF | Přehled předmětu