איך זה עובד: עכבר מחשב
אנחנו משתמשים בו כל יום והוא כבר הפך חלק מהיד שלנו, אך האם אנחנו באמת יודעים איך העכבר האופטי עובד? עידו גנדל מסביר
עכבר המחשב הישן, זה עם הכדור שהיה צריך להוציא ולנקות כל פעם, היה הברקה מכנית-הנדסית. הדור הבא של העכברים, האופטיים, נטש, כמו שקורה בכל כך הרבה תחומים אחרים, את הגאונות המכנית והחליף אותה באלקטרוניקה מתקדמת וחכמה לא פחות. השבוע נפרק עכבר אופטי שראה ימים יפים יותר וננסה להבין מה בדיוק הולך שם בפנים.
עוד דברים שעובדים:
נתחיל מקצה הזנב. קצת לפני חיבור ה-USB יש מין עיבוי גלילי, שרואים לעתים קרובות גם בכבלים אחרים שמשרתים ציוד דיגיטלי. אם לעכבר שלכם אין כזה, בוודאי תוכלו למצוא אחד בכבל שמתחבר למסך או למטען. הבליטה הזו מסתירה, מתחת למעטה הפלסטיק, גליל חלול עשוי מהחומר פריט (ferrite). גליל זה מקיף את הכבל ו"סופג" (או בולם) תדרים גבוהים מדי, שנוצרים כתופעת לוואי של שידור הנתונים הרגיל ועלולים להפריע למכשירים רגישים אחרים.
הנתונים שהעכבר משדר למחשב הם דיגיטליים: הביטים 0 או 1 שמיוצגים בעזרת מתחים חשמליים של 0 ו-5 וולט. בעולם מושלם, כל שינוי של המתח היה מתרחש באפס זמן אבל כמו שבטח שמתם לב, העולם אינו מושלם ולכן שינויי המתח מלווים ב"רעשים" מהירים וחדים מאד. הרעשים הללו אינם הרסניים מבחינת המחשב (עובדה שיש הרבה כבלי USB והתקנים בלי הגנה כזו), אך הם יוצרים אות אלקטרומגנטי שעלול להפריע לתקשורת בין התקנים אחרים בסביבה. קצת כמו הגמגום הידוע שעולה ממכשירי הרדיו כאשר סלולרי בקרבת מקום מתחיל לקבל שיחה.
מתחת לכפתורי העכבר מסתתרים לחצנים סטנדרטיים ("סוויצ'ים"), שסוגרים מעגל חשמלי באמצעות כיפוף של לוחית מתכת פנימית זעירה. הכיפוף וההתיישרות המהירים של הלוחית הזו הם שיוצרים את צליל התקתוק האופייני. סוויץ' מאותו סוג תומך מלמטה בציר האופקי של הגלגלת, ונלחץ כאשר מפעילים עליה כוח.
איך המעבד שבעכבר יודע מתי הגלגלת מסתובבת, ולאיזה כיוון? כל גלגלת בה נתקלתי עד כה היתה שייכת לאחד משני סוגים: אלקטרו-מכני: עם מגעים חשמליים על גבי דיסקית מסתובבת, או אופטי: כמו בעכבר שבתמונות כאן, עם גלגל מחורץ שחוסם או מתיר לאור, לחילופין, לעבור בין נורית לחיישן. בשתי הדרכים קל מאד לזהות את עצם הסיבוב ואת מהירותו, באמצעות מדידת הקצב של המגע והניתוק או של האור והחושך. אבל איך מזהים את הכיוון?
מכיוון שלא יכולתי לבדוק את העניין בעכבר שבתמונות בלי לגרום לו נזק בלתי הפיך, לא אדבר כאן על מה שקורה בו ספציפית אלא על העיקרון. העיקרון ברוב המקרים הוא ביצוע של שתי מדידות בעזרת שני חיישנים. נניח שיש לנו מקור אור אחד, ושני חיישנים צמודים, אחד מימין ואחד משמאל. נניח גם ששן ארוכה של גלגל שיניים מגיעה וחולפת, בכיוון השעון, בין החיישנים לבין מקור האור. השן תסתיר את האור קודם כל לחיישן השמאלי, ומיד אחריו לחיישן הימני. אילו הגלגל היה מסתובב נגד כיוון השעון, החיישן הימני היה מרגיש בשינוי לפני השמאלי.
מדידה מדויקת של הפרשי הזמנים בין המדידות של החיישנים מאפשרת למיקרו-מעבד של העכבר לקבוע את כיוון הסיבוב של הגלגלת. אפרופו, מדובר כאן על אור אינפרה-אדום, שלא מפריע ולא מופרע על ידי מקורות אור נראה בעכבר ובסביבתו.
וכעת אנחנו מגיעים ללב של העכבר: המצלמה. כן, בתוך כל עכבר אופטי (וגם עכברי לייזר), מתחת לכיסוי מגן פלסטי, מסתתרת מצלמה זעירה עם רזולוציה שנמדדת במאות פיקסלים ורגישות לגווני אפור בלבד. המצלמה הזו מצלמת את פני השטח שמתחת לעכבר מאות או אלפי פעמים בשניה, ובכל פעם, השבב שמנהל את העכבר משווה את התמונה הנוכחית לקודמת ובודק, בשיטות מתמטיות, אם התמונה החדשה "מוזזת" ביחס לקודמת, ואם כן, לאיזה כיוון ולאיזה מרחק. זהו חישוב נטו, בלי טריקים מכניים או אופטיים בדרך, והתוצאות שלו נשלחות דרך כבל ה-USB למחשב. הטריקים שבכל זאת קיימים בעכבר האופטי הם אלה שמטרתם לתת למצלמה את תנאי הצילום הטובים ביותר, ובכך להבטיח תוצאות מדויקות ככל האפשר.
ראשית, מכיוון שהעכבר עובד בדרך כלל על משטחים חלקים יחסית, הוא חייב להיות רגיש מאד לפגמים זעירים בפני השטח. כדי להבליט את הפגמים האלה, נורית ה-LED הפנימית שבעכבר מאירה את המשטח לא ישר מלמעלה, אלא כמעט מהצד, בזווית קהה. כמו דיונות מדבריות שמטילות צל ארוך בשעת השקיעה, כך כל בליטה או שקע זעירים במשטח העכבר יוצרים ניגודיות גבוהה בתמונה שנקלטת במצלמה, ובעקבותיה פענוח מדויק יותר של התנועה. הנורית הזו היא כמעט תמיד אדומה, לא כי זה יפה אלא כי המצלמה רגישה במיוחד לאור אדום (זוכרים את מסנני ה-IR במצלמות הדיגיטליות?).
ככל הנראה, ייצור של מעגל מודפס עם נורית LED בדיוק בזווית הנכונה זה עסק לא פשוט, ולכן ברוב העכברים הנורית דווקא מקבילה למשטח או ניצבת לו. מה שמוביל את האור למקום ולזווית הנכונים זו מנסרה פלסטית שקופה במיקום אסטרטגי, ש"שוברת" את גלי האור ומכוונת אותם. המנסרה פחות יעילה, כמובן, מסיב אופטי או מראות, וחלק מהאור הולך לאיבוד – אלא שהרוב מגיע בכל זאת לאן שצריך. אותה חתיכת פלסטיק כוללת גם, בדרך כלל, עדשה קבועה זעירה שממוקמת מתחת לחיישן המצלמה.
כפי שהזכרתי באחד הטורים הקודמים, עוצמת ההארה של הנורית הזו נחלשת כאשר העכבר לא מזהה תנועה במשך שניה או שתיים (ההחלשה מושגת באמצעות הפחתת קצב ההבהוב של הנורית, שנשאר גבוה מכפי שעין מסוגלת לקלוט). הטענה הנפוצה היא שההחלשה נועדה לחסוך חשמל, אך זו טענה מופרכת למדי לאור העובדה שבעכברים רבים יש נורית שלמה נפרדת, שמאירה בעוצמה גבוהה כל הזמן, ולמטרות דקורציה בלבד! ייתכן שהחיסכון האמיתי הוא בהאטה של קצב הדגימה של המצלמה עצמה, מה שחוסך אנרגיה של עיבודים מיותרים, והחלשת הנורית היא רק תופעת לוואי של ההאטה הזו.
