Interaktívna tabuľa

Interaktívna tabuľa je elektronické zariadenie, periférne zariadenie počítača, kombinujúce výhody dotykovej obrazovky a videoprojekcie. Je to učebná pomôcka umožňujúca interaktívne pracovať s počítačovým softvérom priamo z prostredia tabule. Možnosť dotýkať sa povrchu dosky a teda priamo zobrazeného objektu slúži k zlepšeniu vnímania a učenia sa, napomáha uplatňovaniu zásady názornosti.

História 
Prvé interaktívne tabule boli navrhnuté pre použitie v kanceláriách. Základom vývoja bol projekt Colab z konca 80-tych rokov minulého storočia. Vznikol z potreby zachytenia a zdieľania informácií z brainstormingov prezentovaných na klasických tabuliach a obrazovkách počítačov. Bolo vytvorené „spolupracujúce laboratórium“ Co-Lab, kde bol vytvorený prvý prototyp tabule, ako aj technológie zdieľania a ukladania písaných informácií. Vedúci projektu Mark Stefik dostal grant ARPA, čo umožnilo projekt zrealizovať. Postavila ho pracovná skupina Xeroxu. Prototypom bolo veľké matné sklo v drevenom ráme. V hornom rohu rámu bolo laserové zariadenie s rotujúcim polygónom, v protiľahlých rohoch boli umiestnené zrkadlá. Pri dotyku povrchu dosky prstom alebo perom bol prerušený laserový lúč, čo umožnilo priebežne vypočítavať súradnice dotykového bodu. Hlavnou myšlienkou zariadenia bolo prepojenie viacerých tabúľ kdekoľvek na svete do telekonferencie s umožnením simultánnej práce.

Myšlienky boli ďalej rozvinuté a využité firmou Xerox Parc, ich tabule pracovali na optickom a ultrazvukovom princípe. Využívali sa v malých skupinách manažérov na stretnutiach pri „okrúhlom stole“.

Ďalšou skupinou vedcov, ktorí prišli s interaktívnym nástrojom brainstormingu, bol kolektív zastúpený Guimbretierom v roku 2001. Snažili sa vytvoriť interaktívnu stenu umožňujúcu vpisovať poznámky rukou a zároveň umožňujúcu zobraziť multimediálne súbory s vysokým rozlíšením - 3D modely, GUI, obrázky. Systém v sebe spájal výhody bielej tabule a grafického používateľského rozhrania, umožňoval užívateľovi pracovať v počítači v ľubovoľných aplikáciách,

V projektoch pokračovala americká spoločnosť SMART Board. V roku 1991 predstavila svoju prvú skutočne interaktívnu tabuľu, ktorá predstavovala veľkorozmerný LCD pripojený k počítaču. V roku 1992 sa spojili s technologickým gigantom Intel, ktorý poskytol finančné prostriedky pre ďalší výskum. Výsledkom bola technológia interaktívnych tabúľ tak, ako je známa dnes. Toto riešenie poskytuje dotykové ovládanie počítačových aplikácií a možnosť písať rukou poznámky do štandardných aplikácií. Na technológiu interaktívnych tabúľ má Smart Board niekoľko patentov.

Zostava interaktívnej tabule 
Interaktívna tabuľa v širšom slova zmysle je súbor elektronických zariadení a softvéru pre počítačové ovládanie, zobrazenie a spracovanie. Základ tvorí počítač, ku ktorému je pripojená veľká interaktívna plocha – samotná tabuľa, umožňujúca snímať polohu pera alebo prsta a dátový projektor alebo iné zobrazovacie zariadenie. Alternatívou je veľkoplošná obrazovka  vybavená dotykovým senzorom alebo prídavným tabletom.
Projektor premieta obraz z počítača na povrch tabule, ktorá zároveň slúži ako ovládač kurzora počítača. Kurzor je ovládaný špeciálnym perom prstom, alebo fixkou so svetlo odrážajúcimi prvkami. Tabuľa je spravidla pripevnená priamo na stenu (ako klasická školská tabuľa), alebo môže byť umiestnená v mobilnom stojane. Pri použití nezávislého snímača polohy pera je možné použiť aj holú bielu stenu.

Interaktívna tabuľa v užšom slova zmysle je veľkorozmerná aktívna zobrazovacia plocha, a zároveň elektronické vstupné zariadenie počítača - ovládač kurzora, na ktorú je dátovým projektorom premietaný obraz. Zdrojom obrazu (okrem obvyklého počítača) môže byť akékoľvek obrazové prezentačné zriadenie, napr. video či DVD prehrávač, televízny signál a pod. Plocha tabule funguje na podobnom princípe ako grafický tablet s absolútnym súradnicovým systémom. Kurzor sa ovláda špeciálnym indukčným perom, dotykom vhodným predmetom (napríklad aj prstom), alebo perom s optickými prvkami. Tabuľa, ako ovládač kurzora, nahrádza ovládanie myšou. V závislosti na použitom softvéri môže používateľ ovládať objekty zobrazené na interaktívnej tabuli rovnakým spôsobom ako počítačovú myšou. Zachované ostávajú všetky výhody počítača, vrátane internetovej konektivity a zobrazenia aktívnych pohyblivých prvkov, vrátane filmov.

Interaktivita spočíva v ovládaní objektov na monitore počítača priamo, pred očami študentov v triede. Interaktivita tabule zahŕňa interakciu obrazu a ovládania, pričom širšie publikum sleduje miesto a spôsob ovládania softvéru (obrazu). Používatelia získavajú možnosť prostredníctvom interaktívnej tabule ovplyvňovať činnosť počítača a v ňom spustené programy. Vďaka obrazu premietanému na interaktívnu tabuľu (teda tam, odkiaľ sa zmeny uskutočňujú) je možné aktuálny stav na výstupe počítača v reálnom čase sledovať. Zariadenie zobrazuje čokoľvek, čo je zobraziteľné monitorom, teda aj napr. internetový prehliadač, grafický softvér a pod.

Výhodou je možnosť uložiť poznámky, texty a obrázky napísané a nakreslené na plochu, ako aj ovládanie počítača (klikanie a presúvanie kurzora), označovanie textu. Väčšina softvéru interaktívnych tabúľ obsahuje aj doplnkové funkcie, ako je napr. rozpoznávanie rukou písaného textu, pravítka, uhlomery, slepé geografické mapy a pod.

Interaktívna tabuľa pracuje s tzv. vrstvami. Vrstva je akoby fólia položená na tabuli, ktorá môže byť plnofarebná (napr. biela), alebo priehľadná – vtedy vidíme softvér bežiaci pod priehľadnou vrstvou – napr. zobrazenú plochu Windows. Vrstvy sa dajú posúvať, vrátiť, uložiť, zväčšiť, spájať a pod.

Interaktívna tabuľa technicky 
Interaktívna tabuľa v užšom slova zmysle je elektronické vstupné zariadenie - ovládač kurzora. Pripája sa k počítaču cez rozhranie USB, FireWire, sériovým portom alebo bezdrôtovo napr. cez WIFI, alebo bluetooth. V operačnom systéme je softvérovým rozhraním pre hardvér tabule jej ovládač (driver). Ovládač transformuje pozíciu pera na pozíciu softvérového kurzora a akcie uskutočnené nástrojom (perom) alebo prstom na signály ekvivalentné s kliknutiami a pohybom myši.

Samotné snímanie polohy pera (prstu) je najčastejšie indukčné (elektromagnetická poloha aktívneho pera), kapacitné (zmena kapacity dotykom prsta, alebo tlakom prsta alebo pera), alebo optické (snímaním prerušenia svetelného lúča, odrazeného svetla od špeciálneho pera, alebo prsta, alebo počítačového vyhodnocovania polohy pera pomocou analýzy obrazu kamery).

V súčasnosti podľa druhu snímania pohybu delíme interaktívne tabule na:
 snímajúce elektrický odpor
 elektromagnetické
 kapacitné
 laserové
 ultrazvukové
 infračervené
 kamerové

Snímanie elektrického odporu 
Zadná plocha tabule je tvorená elektrickými vodičmi umiestnenými v matici pozdĺžne a priečne. Vertikálne a horizontálne elektricky vodivé plochy sú oddelené medzerou. Pri tlaku sa plochy spoja, čím dôjde k uzatvoreniu elektrického obvodu. Veľkosť elektrického odporu závisí na presnej pozícii (X, Y) spojenia plôch. Táto technológia snímania polohy umožňuje použitie stylusu aj prstu. Iným základom tejto technológie sú dve pokovované plochy oddelené separátorom. Pri stlačení vznikne kontakt medzi oboma vodivými vrstvami a z pomeru elektrického odporu ku okrajom tabule je vypočítaná poloha kurzora. Pre aktiváciu bodu na tabuli je potrebný tlak. Na prepojenie vodivých vrstiev možno použiť akýkoľvek predmet - prst, necht, ukazovadlo, stylus - bez elektroniky a pod. Nevýhodou systému je, že povrch tabule musí byť čo najpružnejší – a preto mäkký a málo odolný voči poškrabaniu. Ďalšou nevýhodou je opačne strata pružnosti separátora napr. v dôsledku príliš silného tlaku, čím dôjde ku poškodeniu tabule. Na povrch takéhoto typu tabúľ sa odnímateľne nalepuje priehľadná ochranná fólia umožňujúca popis klasickými mazacími fixkami. Z užívateľského hľadiska je práca s odporovou dotykovou tabuľou veľmi pohodlná a ľahká.

Elektromagnetické (indukčné) snímanie 
Plocha tabule je vytvorená plastovým, alebo keramickým bielym povrchom. Pod ním je uložená sieť tvorená sústavou vodičov. Snímacie pero obsahuje magnetickú cievku. Pero vytvára elektromagnetickú interakciu medzi cievkou a vodičmi tabule. Poloha pozície pera je vypočítaná z veľkosti naindukovaného napätia v konkrétnom vodiči. Pero (stylus) môže byť buď aktívny (batéria) alebo pasívny - tabuľa napája pero spätnou indukciou, alebo je v pere permanentný magnet.

Elektronika interaktívnej tabule zo zmenených hodnôt elektromagnetických veličín vypočíta polohu pera a odovzdáva ju riadiacemu softvéru. Elektromagnetické pero nahrádza počítačovú myš a simuluje jej funkciu. Hrot pera je stlačiteľný a predstavuje ľavé tlačidlo myši, činnosť pravého tlačidla myši je simulovaná tlačidlom na tele pera. Elektronika tabule je schopná rozlíšiť, či sa hrot magnetického pera k tabuli len priblížil, či sa povrchu dotkol, či je stlačený hrot, alebo druhé tlačidlo. Drahšie tabule dokážu vyhodnotiť aj silu prítlaku. Aplikačný softvér zmenu prítlaku môže potom aplikovať napr. na zmenu hrúbky kreslenej čiary. Najrozšírenejším zástupcom takéhoto typu ovládania je firma Promethean Technologies – tabule ActivBoard.

Kapacitné snímanie 
Kapacitné snímanie je založené na zmene kapacity povrchu v mieste dotyku pera, alebo prsta. Snímač je založený na sústave plochých vodičov v ploche tabule, alebo je celá zadná plocha tvorená vodivou plochou. Fólia povrchu tabule predstavuje izolant a prst kapacitný zvod vysokofrekvenčných prúdov. Dotykom prsta s plochou dôjde k miestnej zmene kapacity medzi plochou (vodičom) a prstom (sníma sa len zmena kapacitu v dôsledku zvodu do prsta), alebo medzi dvoma vodičmi zmenou kapacity v dôsledku stlačenia izolantu, ktorý ich oddeľuje – tlakom - prstom, stylusom alebo iným predmetom. Zo zmeny kapacity a vzdialenosti ku okraju tabule sa vypočíta pozícia kurzora.

Táto technológia patrí medzi najodolnejšie. Kapacitný zvod je možné vytvoriť aj cez sklenenú, alebo keramickú platňu, ktorej povrch je takmer nezničiteľný. Funguje na holý prst (vtedy nereaguje na dotyk iného predmetu) alebo na prst aj na stylus, ktorý neobsahuje žiadnu elektroniku. Je možné zosnímať aj čas a plochu kapacitného zvodu, čo sa dá vyhodnotiť ako kliknutie myšou, resp. zmena nástroja – napr. z kresliaceho (prst, stylus) na mazací, ak položíme na povrch dlaň, alebo päsť. Veľkorozmerné tabule tohto typu sú relatívne drahé, a preto sa veľmi nepoužívajú.

Laserové snímanie 
Poloha pera (prsta) je snímaná opticky. Laserové vysielače a snímače sú umiestnené v horných rohoch tabule. Lúče sú za pomoci rotujúcich zrkadiel premietané pred plochu tabule, odrazné plochy stylusu odrážajú lúč do snímačov. Pozícia (X, Y) sa vypočíta trianguláciou. Stylus je pasívny, s reflexnými prvkami, alebo sa ovláda prstom. Tabuľa nie je citlivá na dotyk. Tabuľa obvykle disponuje tvrdým (keramickým alebo oceľovým) povrchom, ktorý sa vyznačuje vysokou životnosťou a odolnosťou.

Ovládanie svetlom 
Pre veľmi veľké tabule, alebo tabule umiestnené na nedostupnom mieste je najvhodnejšie ovládanie laserovým bodom. Tabuľa sa ovláda laserovým ukazovadlom, pričom kliknutie tlačidla je prenášané rádiovo. Plocha je vybavená optickými snímačmi, ktoré vyhodnotia osvetlenie laserovým lúčom.

Ultrazvukové alebo infračervené snímanie aktívneho pera 
V rohoch tabule sú umiestnené ultrazvukové mikrofóny. Pri použití aktívneho stylusu tento vyšle krátky ultrazvukový pulz pomocou piezomeniča. Ultrazvukové mikrofóny umiestnené v rohoch tabule zvuk zachytia a spracujú. Z oneskorenia zvuku v jednotlivých mikrofónoch sa vypočíta poloha stylusu. Inou formou takéhoto snímania je, že tabuľa má po bokoch ultrazvukové meniče, a na druhej ultrazvukové mikrofóny. Stylus je pasívny a po priložení na plochu tabule naruší súvislú plochu vĺn zvuku šíriacu sa ponad sklo. Akustická stopa je vyhodnotená ako poloha kurzora.

Podobne funguje infračervené snímanie – stylus vyšle infračervený svetelný pulz a tento je zachytený v rohoch tabule optickými snímačmi. Oneskorenie pulzu v jednotlivých snímačoch umožňuje vypočítať polohu stylusu. Niekedy sú tieto technológie skombinované – pero vysiela ultrazvukový aj infračervený signál. Poloha sa vypočíta z rozdielu oneskorenia zvuku a svetla vzhľadom ku okraju tabule. Pri ultrazvukovom a infračervenom spôsobe snímania polohy nie je toto závislé od povrchu tabule, preto môže byť tabuľa vyrobená z pevného a odolného materiálu – napr. skla, oceľového plechu, odolného plastu. Povrch však musí byť dokonale rovný, bez výstupkov. Pre zložitosť technológie sa nepoužíva pre tabule veľkých rozmerov, uplatnenie má hlavne pre tabule so zadnou projekciou, kedy musí byť tabuľa priehľadná a preto v nej nesmie byť žiadna elektronika.

Optické snímanie 
V rohoch tabule (alebo aspoň v dostatočnej vzdialenosti od seba) sú umiestnené kamery snímajúce situáciu tesne nad povrchom tabule. Po dotyku prsta (alebo stylusu) s povrchom sa objekt opticky zameria a zo získaných obrazov sa vypočíta poloha kurzora. Táto technológia umožňuje použitie ľubovoľného povrchu a nie je potrebný špeciálny stylus. Zariadenie sa dá upevniť aj na klasickú bielu tabuľu, alebo bielu stenu.

Optické snímanie kamerou 
S výhodou sa používa kombinácia projektor a kamera v jednom tele. Objektív kamery umiestnený vedľa objektívu projektora „pohľadom“ sníma polohu špeciálneho pera s optickými prvkami, alebo sníma svetelný bod, vysielaným perom na tabuľu pri dotyku hrotu pera s povrchom tabule. Nie je pritom potrebná špeciálna plocha tabule. Každá projekčná plocha je zároveň tabuľou. Projektor obsahuje všetky prvky ovládača kurzora, ktoré sa do počítača prenášajú pomocou USB portu. Priekopníkom tohto spôsobu snímania je firma EPSON.

Ak je trieda vybavená iba projektorom a notebookom, existujú aj „vreckové“ (portable) vyhotovenia interaktívnej tabule, spočívajúce v kamerovom snímači a špeciálnom pere, resp. ukazovadle. Inou formou miniatúrnej interaktívnej tabule je prenosné LED projekčné zariadenie prepojiteľné k počítaču pomocou bluetooth, použiteľné aj ako hlasovacie zariadenie – periféria „veľkej“ tabule.

Ovládanie pomocou Wii Remote a Kinect 
Wii Remote (známy aj pod neoficiálnym názvom Wiimote), je primárne ovládač pre hernú konzolu Wii. Hlavným rysom Wii Remote je jeho schopnosť snímania pohybu, ktorá umožňuje používateľovi komunikovať a manipulovať s predmetmi na obrazovke pomocou rozpoznávania gest a pohybu pomocou zabudovaného akcelerometra a optického snímača. Ďalším rysom je jeho rozšíriteľnosť pomocou prídavných zariadení. Základný modul sa vkladá do iných ovládacích hracích zariadení a tým rozširuje ich funkciu. Presnosť snímania pomocou Wii Remote je taká presná, že na tejto báze bol vytvorený nový, relatívne lacný spôsob ovládania interaktívnej tabule - Smoothboard.

Ďalším prvkom založeným na meraní akcelerácie a snímania pohybu je Kinect od Microsoftu, primárne určený pre konzolu X-Box, ku ktorému sa nedávno objavil ovládač pre Windows. Kinect umožňuje ovládať kurzor len pohybmi rúk, a zrejme je len otázkou času, kedy sa táto technológia zabuduje do používania interaktívnych tabúľ.

Referencie

Iné projekty 

Pedagogika
Hardvér
Vstupné zariadenia
Výstupné zariadenia