Хордовая клавиатура: устройство ввода и история развития

Введение

Компьютерное устройство ввода

Аккордная клавиатура (также называемая аккордным набором клавиш или клавиатурой с аккордами) – это компьютерное устройство ввода, позволяющее пользователю вводить символы или команды, формируемые одновременным нажатием нескольких клавиш, подобно игре аккорда на пианино. Большое количество комбинаций, доступных при небольшом количестве клавиш, позволяет вводить текст или команды одной рукой, оставляя другую свободной. Дополнительным преимуществом является возможность встраивания такого устройства в компактные приборы (например, карманный компьютер или руль велосипеда), которые не могут вместить клавиатуру стандартного размера. Аккордная клавиатура без корпуса, обычно предназначенная для использования в руке, называется кейером. Дуглас Энгельбарт представил аккордный набор клавиш как компьютерный интерфейс в 1968 году на демонстрации, часто называемой "Матерью всех демонстраций".

Принципы работы

Каждый ключ сопоставляется с числом, а затем может быть сопоставлен с соответствующей буквой или командой. Нажав две или более клавиш одновременно, пользователь может генерировать множество комбинаций. В оригинальной схеме Энгельбарта использовались пять клавиш: 1, 2, 4, 8, 16. Клавиши были сопоставлены следующим образом: a = 1, b = 2, c = 3, d = 4 и так далее. Если пользователь нажимает клавиши 1 и 2 одновременно, а затем отпускает их, к сумме 1 и 2 добавляется 3, и поскольку C – третья буква алфавита, появляется буква "c". В отличие от аккорда на пианино, аккорд распознается только после того, как все клавиши или кнопки мыши отпущены. С тех пор как Энгельбарт представил этот набор клавиш, было разработано несколько различных конструкций, основанных на аналогичных концепциях. В качестве простого примера, каждый палец может управлять одной клавишей, соответствующей одному биту в байте, так что, используя семь клавиш и семь пальцев, можно ввести любой символ в наборе ASCII, если пользователь сможет запомнить двоичные коды. Благодаря небольшому количеству необходимых клавиш, аккордирование легко адаптируется от настольных компьютеров к мобильным устройствам. Практические устройства обычно используют более простые аккорды для часто используемых символов (например, Baudot) или могут иметь способы облегчить запоминание аккордов (например, Microwriter), но применяются те же принципы. Эти портативные устройства впервые стали популярными с развитием движения носимых компьютеров в 1980-х годах. Тэд Старнер из Технологического института Джорджии и другие опубликовали многочисленные исследования, показывающие, что двухручной аккордный ввод текста был быстрее и давал меньше ошибок, чем на клавиатуре QWERTY. В настоящее время стенографические машины удерживают рекорд по самой быстрой скорости ввода текста. Многие стенографисты могут достигать скорости 300 слов в минуту. Однако стенографистам обычно требуется три года обучения, чтобы достичь профессионального уровня скорости и точности.

История

Самая ранняя известная аккордная клавиатура была частью станции оператора телеграфа "пять игл", спроектированной Уитстоном и Куком в 1836 году, в которой любые две из пяти игл могли указывать влево или вправо, чтобы обозначать буквы на сетке. Она была разработана для использования необученными операторами (которые определяли, какие клавиши нажимать, глядя на сетку), и не использовалась там, где были доступны обученные операторы телеграфа. Первое широкое распространение аккордной клавиатуры получила в стенотипической машине, используемой судебными репортерами, изобретенной в 1868 году и до сих пор находящейся в употреблении. Вывод стенотипа изначально представлял собой фонетический код, который впоследствии требовалось транскрибировать (обычно тем же оператором, который создал исходный вывод), а не произвольный текст — программное обеспечение для автоматического преобразования сейчас широко распространено. В 1874 году был разработан пятибитный телеграфный код Бодо и соответствующая 5-клавишная аккордная клавиатура для использования оператором, формирующим коды вручную. Код оптимизирован для скорости и низкого износа: аккорды выбирались таким образом, чтобы наиболее часто используемые символы использовали самые простые аккорды. Однако операторы телеграфа уже использовали пишущие машинки с клавиатурами QWERTY для "копирования" полученных сообщений, и в то время было более целесообразно создать пишущую машинку, которая могла бы автоматически генерировать коды, чем обучать их использованию нового устройства ввода. Некоторые ранние перфораторы использовали клавиатуру с 12 обозначенными клавишами для пробивания правильных отверстий в бумажных картах. Числа от 0 до 9 представлялись одним проколом; 26 букв представлялись комбинациями двух проколов, а символы — комбинациями двух или трех проколов. Шрифт Брайля (система письма для слепых) использует 6 или 8 тактильных "точек", из которых формируются все буквы и цифры. Когда Луи Брайль изобрел его, он изготавливался с помощью иглы, последовательно протыкающей все необходимые точки в картонном листе. В 1892 году Фрэнк Хейвен Холл, руководитель Института образования слепых штата Иллинойс, создал машинку "Холл Брайль", которая была похожа на пишущую машинку с 6 клавишами, по одной для каждой точки в ячейке Брайля. Perkins Brailler, впервые изготовленный в 1951 году, использует 6-клавишную аккордную клавиатуру (плюс пробел) для вывода шрифта Брайля и был очень успешен как доступный продукт для массового рынка. Брайль, как и Бодо, использует цифровой символ и символ смены регистра, который может быть повторен для фиксации смены регистра, чтобы уместить цифры и прописные буквы в 63 кода, которые предлагают 6 бит. После Второй мировой войны, с появлением электроники для чтения аккордов и поиска в таблицах "кодов", почтовые сортировочные отделения начали изучать хордические решения, чтобы иметь возможность нанимать людей, отличных от обученных и дорогостоящих машинисток. В 1954 году была открыта важная концепция: хордическое производство легче освоить, когда производство выполняется при отпускании клавиш, а не при их нажатии. Исследователи IBM изучали аккордные клавиатуры как для пишущих машин, так и для ввода данных на компьютере еще в 1959 году, с идеей, что это может быть быстрее, чем слепой набор текста, если некоторые аккорды будут использоваться для ввода целых слов или частей слов. Дизайн 1975 года, разработанный сотрудником IBM Нэтом Рочестером, имел 14 клавиш, которые были углублены по краям, а также сверху, так что один палец мог нажимать на две соседние клавиши для дополнительных комбинаций. Их результаты были неубедительными, но исследования продолжались по крайней мере до 1978 года. Дуг Энгельбарт начал экспериментировать с наборами клавиш для использования с мышью в середине 1960-х годов. В знаменитой демонстрации 1968 года Энгельбарт представил компьютерный человеческий интерфейс, который включал в себя клавиатуру QWERTY, мышь с тремя кнопками и набор клавиш с пятью клавишами. Энгельбарт использовал набор клавиш левой рукой, а мышь — правой, чтобы набирать текст и вводить команды. Кнопки мыши отмечали выбор и подтверждали или отменяли команды. Пользователи из Исследовательского центра по расширению возможностей Энгельбарта в SRI овладели мышью и набором клавиш. В 1970-х годах финансирование, которое группа Энгельбарта получала от Агентства передовых исследовательских проектов (ARPA), было сокращено, и многие ключевые члены команды Энгельбарта пошли работать в Xerox PARC, где они продолжили экспериментировать с мышью и набором клавиш. Наборы аккордных клавиш использовались в Xerox PARC в начале 1980-х годов вместе с мышью и графическими интерфейсами на рабочих станциях Xerox Star и Alto. Однокнопочная версия мыши была включена в Apple Macintosh, но Стив Джобс решил не включать аккордный набор клавиш. В начале 1980-х годов исследовательские лаборатории Philips в Редхилле, Суррей, провели краткое исследование небольших, дешевых клавиатур для ввода текста по телефону. Одно из решений использовало сетку из шестиугольных клавиш с символами, выгравированными в углублениях на клавишах, которые находились либо в центре клавиши, либо на границе двух клавиш, либо в месте соединения трех клавиш. Нажатие на одно из углублений приводило к одновременному нажатию либо одной, либо двух, либо трех шестиугольных кнопок, образуя аккорд, уникальный для этого символа. При такой компоновке клавиатура с девятью кнопками с тремя рядами из трех шестиугольных кнопок могла быть установлена на телефоне и могла генерировать до 33 различных символов. Выбирая широко разнесенные клавиши, можно было использовать одно углубление в качестве клавиши "смены регистра", чтобы обеспечить ввод как букв, так и цифр. С одиннадцатью клавишами в компоновке 3/4/4 можно было расположить 43 символа, позволяя представлять текст в нижнем регистре, цифры и умеренное количество знаков препинания, а также функцию "смены регистра" для доступа к прописным буквам. Хотя это имело преимущество в том, что могло использоваться необученными пользователями с помощью "печати вслепую" и требовало на одно переключение клавиши меньше, чем обычная 12-кнопочная клавиатура, оно имело недостаток в том, что для нажатия некоторых символов требовалось в три раза больше усилий, чем для других, что затрудняло достижение какой-либо скорости с этим устройством. Это решение до сих пор существует и предлагается, в частности, компаниями Fastap и Unitap, и коммерческий телефон был произведен и продвигался в Канаде в 2006 году.

The earliest known chord keyboard was part of the "five needle" telegraph operator station, designed by Wheatstone and Cooke in 1836, in which any two of the five needles could point left or right to indicate letters on a grid. It was designed to be used by untrained operators (who would determine which keys to press by looking at the grid), and was not used where trained telegraph operators were available. The first widespread use of a chord keyboard was in the stenotype machine used by court reporters, which was invented in 1868 and is still in use. The output of the stenotype was originally a phonetic code that had to be transcribed later (usually by the same operator who produced the original output), rather than arbitrary text—automatic conversion software is now commonplace. In 1874, the five bit Baudot telegraph code and a matching 5 key chord keyboard was designed to be used with the operator forming the codes manually. The code is optimized for speed and low wear: chords were chosen so that the most common characters used the simplest chords. But telegraph operators were already using typewriters with QWERTY keyboards to "copy" received messages, and at the time it made more sense to build a typewriter that could generate the codes automatically, rather than making them learn to use a new input device. Some early keypunch machines used a keyboard with 12 labeled keys to punch the correct holes in paper cards. The numbers 0 through 9 were represented by one punch; 26 letters were represented by combinations of two punches, and symbols were represented by combinations of two or three punches. Braille (a writing system for the blind) uses either 6 or 8 tactile 'points' from which all letters and numbers are formed. When Louis Braille invented it, it was produced with a needle holing successively all needed points in a cardboard sheet. In 1892, Frank Haven Hall, superintendent of the Illinois Institute for the Education of the Blind, created the Hall Braille Writer, which was like a typewriter with 6 keys, one for each dot in a braille cell. The Perkins Brailler, first manufactured in 1951, uses a 6 key chord keyboard (plus a spacebar) to produce braille output, and has been very successful as a mass market affordable product. Braille, like Baudot, uses a number symbol and a shift symbol, which may be repeated for shift lock, to fit numbers and upper case into the 63 codes that 6 bits offer. After World War II, with the arrival of electronics for reading chords and looking in tables of "codes", the postal sorting offices started to research chordic solutions to be able to employ people other than trained and expensive typists. In 1954, an important concept was discovered: chordic production is easier to master when the production is done at the release of the keys instead of when they are pressed. Researchers at IBM investigated chord keyboards for both typewriters and computer data entry as early as 1959, with the idea that it might be faster than touch typing if some chords were used to enter whole words or parts of words. A 1975 design by IBM Fellow Nat Rochester had 14 keys that were dimpled on the edges as well as the top, so one finger could press two adjacent keys for additional combinations. Their results were inconclusive, but research continued until at least 1978. Doug Engelbart began experimenting with keysets to use with the mouse in the mid 1960s. In a famous 1968 demonstration, Engelbart introduced a computer human interface that included the QWERTY keyboard, a three button mouse, and a five key keyset. Engelbart used the keyset with his left hand and the mouse with his right to type text and enter commands. The mouse buttons marked selections and confirmed or aborted commands. Users in Engelbart's Augmentation Research Center at SRI became proficient with the mouse and keyset. In the 1970s the funding Engelbart's group received from the Advanced Research Projects Agency (ARPA) was cut and many key members of Engelbart's team went to work for Xerox PARC where they continued to experiment with the mouse and keyset. Keychord sets were used at Xerox PARC in the early 1980s, along with mice, GUIs, on the Xerox Star and Alto workstations. A one button version of the mouse was incorporated into the Apple Macintosh but Steve Jobs decided against incorporating the chorded keyset. In the early 1980s, Philips Research labs at Redhill, Surrey did a brief study into small, cheap keyboards for entering text on a telephone. One solution used a grid of hexagonal keys with symbols inscribed into dimples in the keys that were either in the center of a key, across the boundary of two keys, or at the joining of three keys. Pressing down on one of the dimples would cause either one, two or three of the hexagonal buttons to be depressed at the same time, forming a chord that would be unique to that symbol. With this arrangement, a nine button keyboard with three rows of three hexagonal buttons could be fitted onto a telephone and could produce up to 33 different symbols. By choosing widely separated keys, one could employ one dimple as a 'shift' key to allow both letters and numbers to be produced. With eleven keys in a 3/4/4 arrangement, 43 symbols could be arranged allowing for lowercase text, numbers and a modest number of punctuation symbols to be represented along with a 'shift' function for accessing uppercase letters. While this had the advantage of being usable by untrained users via 'hunt and peck' typing and requiring one less key switch than a conventional 12 button keypad, it had the disadvantage that some symbols required three times as much force to depress them as others which made it hard to achieve any speed with the device. That solution is still alive and proposed by Fastap and Unitap among others, and a commercial phone has been produced and promoted in Canada during 2006.

Стандарты

Исторически клавиатуры Бодо и Брайля были стандартизированы в определенной степени, но они не способны воспроизвести полный набор символов современной клавиатуры. Брайль наиболее близок к этому, поскольку был расширен до восьми бит. Единственный предложенный современный стандарт, GKOS (или Global Keyboard Open Standard), способен поддерживать большинство символов и функций, встречающихся на компьютерной клавиатуре, однако не получил значительного коммерческого развития. Тем не менее, приложение клавиатуры GKOS доступно для iPhone с 8 мая 2010 года, для Android с 3 октября 2010 года и для MeeGo Harmattan с 27 октября 2011 года.

Стенография

Стенографические машины, иногда используемые судебными репортёрами, используют аккордовую клавиатуру для представления звуков: на стандартной клавиатуре буква U представляет звук и слово «you», а триграф KAT — звук и слово «cat». Стенографическая клавиатура имеет чёткий порядок: в KAT буква K, расположенная слева, обозначает начальный звук. Буквы P, S и T, которые часто используются в начале и в конце слов, доступны с обеих сторон клавиатуры: POP — это аккорд из трёх клавиш, использующий обе клавиши P.

Дизайн с открытым исходным кодом

Существует несколько открытых исходных кодов конструкций клавишных наборов, таких как pickey – PS/2 устройство на основе микроконтроллера PIC; spiffchorder – USB-устройство на основе семейства микроконтроллеров Atmel AVR; FeatherChorder – BLE-аккордер на основе Adafruit Feather, универсальной платы, включающей микроконтроллер, совместимый с Arduino; а также драйвер клавиатуры GKOS для Linux и библиотека Gkos для плат Atmel/Arduino с открытым исходным кодом. Plover – это бесплатная, кроссплатформенная программа с открытым исходным кодом, предназначенная для использования технологии стенографии в реальном времени не только профессиональными стенографистами, но и любителями, использующими всё – от профессиональных машин Stenotype до недорогих игровых клавиатур NKRO. Она доступна для Linux, Windows и macOS. Joy2chord – это драйвер аккордовой клавиатуры для Linux. С помощью файла конфигурации любой джойстик или геймпад можно превратить в аккордовую клавиатуру. Такая философия дизайна была выбрана для снижения стоимости создания устройств и, как следствие, упрощения доступа к освоению аккордовых клавиатур. Макросы и несколько режимов также легко реализуются с помощью драйвера, работающего в пользовательском пространстве.

Коммерческие устройства

Одним из примеров минимальной хордической клавиатуры является клавиатура Half Qwerty, разработанная Эдгаром Матиасом и описанная в патенте примерно в 1992 году. Она генерирует буквы отсутствующей половины, когда пользователь одновременно нажимает клавишу пробела и зеркальную клавишу. В 1993 году на INTERCHI была опубликована работа Матиаса, Маккензи и Бакстона, показавшая, что люди, уже умеющие печатать вслепую, могут быстро восстановить 50–70% своей скорости набора текста двумя руками. Эта потеря в скорости учитывается в вышеупомянутом обсуждении. Данная технология реализована в двух популярных мобильных телефонах, каждый из которых оснащен программным обеспечением для устранения неоднозначности, позволяющим пользователям избегать использования пробела. "Мультиамбические" клавиатуры для использования с носимыми компьютерами были изобретены в Канаде в 1970-х годах. Мультиамбические клавиатуры похожи на хордические, но без самой клавиатуры – клавиши сгруппированы в компактный блок для удержания в руке, а не для размещения на плоской поверхности. Хордические клавиатуры также используются как портативные двухручные устройства ввода для людей с нарушениями зрения (в сочетании с дисплеем Брайля с автоматической перезагрузкой или синтезатором речи). Такие клавиатуры используют минимум семь клавиш, каждая из которых соответствует отдельной точке Брайля, за исключением одной клавиши, выполняющей функцию пробела. В некоторых приложениях пробел используется для создания дополнительных аккордов, позволяющих пользователю выполнять команды редактирования, такие как перемещение курсора или удаление слов. Важно отметить, что в системах Брайля для компьютеров используется не 6, а 8 точек, что позволяет пользователю, помимо прочего, различать строчные и прописные буквы, а также определять положение курсора. Поэтому большинство современных хордических клавиатур для ввода Брайля имеют не менее девяти клавиш. Пользователи смартфонов могут использовать сенсорные хордические клавиатуры как альтернативный способ ввода текста. Благодаря небольшому количеству клавиш, кнопки можно сделать большего размера и удобнее для нажатия на маленьком экране. Наиболее часто используемые буквы не всегда требуют использования аккордов, как, например, в оптимизированных раскладках клавиатуры GKOS (приложение для Android), где для двенадцати наиболее часто используемых символов требуются только отдельные клавиши. Компания CharaChorder продает устройства для ввода с использованием аккордов. Их первое коммерчески доступное устройство – CharaChorder One, имеющее разделенную конструкцию, каждая часть которой оснащена 9 переключателями, которые можно перемещать в пяти направлениях (вверх, вниз, влево, вправо и нажать), в отличие от обычных клавиатур. Это устройство позволяет вводить текст как с использованием аккордов, так и традиционным способом. Набор слов, которые можно вводить аккордами, может динамически изменяться пользователем в реальном времени, но по умолчанию включает 300 наиболее распространенных слов английского языка. Эта функция позволяет потенциально достигать очень высокой скорости набора текста, настолько высокой, что основателю компании запретили участвовать в онлайн-конкурсах по набору текста. Кроме того, компания выпускает Charachorder Lite с более традиционным дизайном клавиатуры. Производитель утверждает, что пользователи CharaChorder One могут достигать скорости 300 слов в минуту, а пользователи Charachorder Lite – 250 слов в минуту.

One minimal chordic keyboard example is Edgar Matias' Half Qwerty keyboard described in patent circa 1992 that produces the letters of the missing half when the user simultaneously presses the space bar along with the mirror key. INTERCHI '93 published a study by Matias, MacKenzie and Buxton showing that people who have already learned to touch type can quickly recover 50 to 70% of their two handed typing speed. The loss contributes to the speed discussion above. It is implemented on two popular mobile phones, each provided with software disambiguation, which allows users to avoid using the space bar. "Multiambic" keyers for use with wearable computers were invented in Canada in the 1970s. Multiambic keyers are similar to chording keyboards but without the board, in that the keys are grouped in a cluster for being handheld, rather than for sitting on a flat surface. Chording keyboards are also used as portable but two handed input devices for the visually impaired (either combined with a refreshable braille display or vocal synthesis). Such keyboards use a minimum of seven keys, where each key corresponds to an individual braille point, except one key which is used as a spacebar. In some applications, the spacebar is used to produce additional chords which enable the user to issue editing commands, such as moving the cursor, or deleting words. Note that the number of points used in braille computing is not 6, but 8, as this allows the user, among other things, to distinguish between small and capital letters, as well as identify the position of the cursor. As a result, most newer chorded keyboards for braille input include at least nine keys. Touch screen chordic keyboards are available to smartphone users as an optional way of entering text. As the number of keys is low, the button areas can be made bigger and easier to hit on the small screen. The most common letters do not necessarily require chording as is the case with the GKOS keyboard optimised layouts (Android app) where the twelve most frequent characters only require single keys. The company CharaChorder commerially sells chorded entry devices. Their first commercially available device is the CharaChorder One, which features a split design with each having access to 9 switches that can be moved in five directions (up, down, left, right, and pressed) in contrast to typical keyboards. This device allows for both chorded entry as well as traditional character entry. The set of words that can be chorded can be dynamically changed by the user in real time, but by default includes the 300 most common words in the English language. This chorded entry feature allows for potentially extremely fast typing speeds, so much so the founder of the company has been banned from online typing competitions. Additionally, they create the Charachorder Lite with a more traditional keyboard design. The manufacturer claimed that users of the Charachorder One can reach speeds of 300 words per minute, while users of the Charachorder Lite can reach 250 words per minute.

Исторические

WriteHander, 12-клавишная аккордная клавиатура от компании NewO, появилась в 1978 году в журнале ROM Magazine, раннем журнале, посвященном приложениям для микрокомпьютеров. Другой ранней коммерческой моделью был шестикнопочный Microwriter, разработанный Сай Эндфилдом и Крисом Рэйни, и впервые поступивший в продажу в 1980 году. Микропись – это система аккордного набора, основанная на наборе мнемонических правил. Она была разработана исключительно для правшей. В 1982 году компания Ergoplic Kebords Ltd, израильский стартап, основанный израильским исследователем с обширным опытом в разработке интерфейсов «человек-машина», представила 8-клавишную аккордную клавиатуру Octima. Клавиатура имела 8 клавиш, по одной на каждый палец, и 3 дополнительные клавиши для ввода цифр, знаков препинания и выполнения управляющих функций. Клавиатура была полностью совместима с клавиатурами IBM PC и AT, а также имела версию для Apple IIe. Комбинации клавиш были основаны на мнемонической системе, что обеспечивало быстрое и легкое обучение слепому набору. Пользователь мог достичь скорости набора, сопоставимой со скоростью рукописного текста, всего за несколько часов. Уникальная конструкция также снижала нагрузку на кисти рук (синдром карпального канала) и позволяла работать с клавиатурой дольше, чем с традиционными моделями. Она поддерживала несколько языков, включая английский, немецкий, французский и иврит. BAT – это 7-клавишное устройство размером с руку от Infogrip, которое продается с 1985 года. Оно предоставляет по одной клавише для каждого пальца и три для большого пальца. Предназначено для руки, не использующей мышь, в полном соответствии с видением Энгельбарта.