ตัวแสดงผลอักษรเบรลล์

บทนำ

อักษรเบรลล์ (Braille code) เป็นตัวอักษรสำหรับผู้พิการทางสายตาซึ่งถูกพัฒนาขึ้นในปี ค.ศ. 1921 โดยครูตาบอดชาวฝรั่งเศสชื่อ หลุยส์ เบรลล์ (Louis Braille) อักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ ประกอบด้วยปุ่มนูนเล็กๆ จำนวน 6 ปุ่มวางตัวในลักษณะต่างๆ กันไปตามรหัสที่กำหนดขึ้นใช้แทนตัวอักษรปกติ หรือ สัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ และวิทยาศาสตร์ หรือสัญลักษณ์อื่นๆ รูปที่ 1 แสดงตำแหน่งของปุ่มนูนซึ่งกำกับด้วยตัวเลข 1 ถึง 6  สำหรับระบบอักษรเบรลล์ที่กำหนดใช้แทนพยัญชนะ สระและวรรณยุกต์ไทยแสดงในรูปที่ 2 และ 3 ส่วนอักษร ตัวเลขและเครื่องหมายต่าง ๆ ในภาษาอังกฤษแสดงดังรูปที่ 4 ซึ่งจะเห็นได้ว่าสัญลักษณ์บางตัวต้องใช้อักษรเบรลล์ประกอบกันถึง 3 เซลล์
 

 
รูปที่่่่่ 1 ตำแหน่งของปุ่มนูนในอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 

      รูปที่ 2 อักษรเบรลล์ที่กำหนดใช้แทนพยัญชนะไทย          รูปที่ 3 อักษรเบรลล์ที่กำหนดใช้แทนสระและวรรณยุกต์ไทย

                

รูปที่ 4 อักษรเบรลล์ที่กำหนดใช้แทนอักษรในภาษาอังกฤษ ตัวเลข และเครื่องหมายต่าง ๆ

การบันทึกและแสดงผลอักษรเบรลล์แบบดั้งเดิมทำได้โดยการใช้ดินสอ (Stylus) กดลงบนด้านหลังของกระดาษให้เกิดรอยบุ๋มในตำแหน่งที่กำหนดด้วยช่องว่างบนแผ่นสเลต (Slate) เมื่อพลิกด้านหน้าของกระดาษกลับขึ้นมาจะได้ปุ่มนูนของอักษรเบรลล์ตามต้องการ การใช้งานระบบอักษรเบรลล์แบบนี้ผู้ใช้ต้องฝึกฝนจนชำนาญเนื่องจากการเขียนให้เกิดปุ่มนูนบนกระดาษจะกลับด้านกันกับการอ่านอักษรผ่านสัมผัสที่ปลายนิ้ว รูปที่ 5 แสดงอุปกรณ์ที่ใช้เขียนอักษรเบรลล์บนกระดาษและการอ่านอักษรเบรลล์ด้วยสัมผัสที่ปลายนิ้ว

รูปที่ 5 ดินสอและสเลตสำหรับการบันทึกอักษรเบรลล์ลงบนกระดาษ และการอ่านอักษรเบรลล์ผ่านปลายนิ้วสัมผัส

แม้ว่าผู้พิการทางสายตาจะสามารถเข้าถึงข้อมูลผ่านการอ่านอักษรเบรลล์บนกระดาษแล้วก็ตาม แต่การบันทึกอักษรเบรลล์บนกระดาษจะสิ้นเปลืองพื้นที่การจัดเก็บและจุดอักษรเบรลล์อาจลบเลือนไปได้ง่าย อีกทั้งกระดาษยังอาจได้รับความเสียหายจากสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม ในขณะที่ข้อมูลข่าวสารในปัจจุบันได้เปลี่ยนรูปแบบไปจัดเก็บและเผยแพร่ในรูปแบบอิเล็กทรอนิกส์ผ่านระบบอินเตอร์เน็ต ส่งผลให้การเข้าถึงข้อมูลของผู้พิการทางสายตาถูกจำกัดลง ดังนั้นเทคโนโลยีเพื่อช่วยเหลือผู้พิการ (Assistive Technologies) จึงได้เข้ามามีบทบาทสำคัญในการสื่อสารของผู้พิการมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยตัวอักษรบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ จะถูกส่งผ่านมายังแผงแสดงผลอักษรเบรลล์แบบปรับเปลี่ยนปุ่มนูนได้ (Refreshable Braille Display) ตามลักษณะของข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งถูกจัดเก็บในหน่วยความจำคอมพิวเตอร์แทนการสร้างปุ่มนูนบนแผ่นกระดาษ สำหรับกลไกขับเคลื่อนจุดปุ่มนูนภายในแผงแสดงผลอักษรเบรลล์เชิงพาณิชย์ในปัจจุบันนิยมใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric) สร้างเป็นคานขนาดเล็ก คานดังกล่าวสามารถโค้งตัวเพื่อดันแท่งปุ่มนูนที่ปลายคานขึ้นไปได้ รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างภายในและกลไกการขับเคลื่อนปุ่มนูนซึ่งมีราคาประมาณ 50 ดอลลาร์สหรัฐ ต่อ 100 ชิ้น (http://www.piezo.com) นั่นคือแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน จะมีต้นทุนกลไกขับเคลื่อน 3 ดอลลาร์สหรัฐ ทั้งนี้ซึ่งยังไม่รวมถึงต้นทุนของอุปกรณ์อื่นๆ ในการเชื่อมต่อกับระบบคอมพิวเตอร์ รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างแผงแสดงผลอักษรเบรลล์เชิงพาณิชย์ขนาด 80 เซลล์ ซึ่งมีราคาจำหน่ายในประเทศไทยมากกว่าสองแสนบาทต่อเครื่อง ด้วยราคาระดับนี้ โรงเรียนสอนคนตาบอดจึงสามารถจัดหามาให้นักเรียนทั้งหมดร่วมกันใช้งานได้เพียงเครื่องเดียวเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ การวิจัยและพัฒนาแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ในปัจจุบัน จึงมุ่งเน้นไปที่การประดิษฐ์แผงแสดงผลอักษรเบรลล์ที่มีกลไกขับเคลื่อนจุดปุ่มนูนที่มีต้นทุนต่ำลงจนผู้พิการทางสายตาโดยทั่วไปสามารถซื้อหามาใช้งานได้ 

      

รูปที่ 6 กลไกขับเคลื่อนปุ่มนูนภายในแผงแสดงผลอักษรเบรลล์เชิงพาณิชย์แบบคานเพียโซอิเล็กทริก (http://www.kscitech.com/BC/)
 

รูปที่ 7 แผงแสดงผลอักษรเบรลล์เชิงพาณิชย์ (http://www.braillenet.org)
 

แผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขับเคลื่อนโดยแรงดันลม (Pneumatic Braille display)

กลไกขับเคลื่อนปุ่มนูนในแผงแสดงผลอักษรเบรลล์อีกแบบหนึ่งที่ได้มีการวิจัยและพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง และมีศักยภาพเชิงพาณิชย์ในราคาที่ต่ำกว่าระบบขับเคลื่อนแบบคานเพียโซอิเล็กทริก จะใช้หลักการสร้างแรงดันลมอัดเพื่อดันให้จุดปุ่มนูนยกตัวขึ้น โดยมีวาล์วทำหน้าที่ควบคุมการเปิด-ปิดแรงดันของลมอัด จุดปุ่มนูนที่รับแรงดันลมอัดแล้วยกตัวขึ้นมีทั้งที่เป็นแผ่นพอลิเมอร์บางและเป็นแท่งวัสดุแข็ง รูปที่ 8 แสดงหลักการขับเคลื่อนปุ่มนูนแบบแผ่นพอลิเมอร์บางด้วยไมโครวาล์ว ข้อได้เปรียบของวิธีการนี้คือ กลไกที่ควบคุมการแสดงผลจะไม่ได้รับแรงกระทำจากนิ้วมือโดยตรงและยังสามารถสร้างจุดนูนได้ตามระดับแรงดันลมที่ป้อนเข้าไป แต่จำเป็นต้องติดตั้งถังลมหรือปั๊มลมไว้กับชุดแสดงผลตลอดเวลา อีกทั้งต้องใช้วาล์วควบคุมการป้อนแรงดันลมอัดเพื่อควบคุมปุ่มนูนแต่ละปุ่มแยกจากกัน ซึ่งสำหรับแผงแสดงผลขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูนต้องใช้วาล์วควบคุมถึง 6 ตัว ซึ่งถ้าใช้วาล์วเปิด-ปิดลมอัดตามปกติจะทำให้ส่วนควบคุมการทำงานของแผงแสดงผลมีขนาดใหญ่มาก อย่างไรก็ตามการแก้ปัญหานี้สามารถทำได้โดยควบคุมแรงดันลมอัดด้วยไมโครวาล์วแทนวาล์วขนาดใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบัน คณะผู้วิจัยได้ทดสอบสร้างจุดปุ่มนูนแบบนี้และทดสอบการใช้งานแล้วพบว่า แผ่นพอลิเมอร์บางที่ต้องพองตัวเป็นปุ่มนูนอาจฉีกขาดได้ง่ายถ้าความดันของลมอัดมากเกินไป ดังนั้นจึงต้องจัดให้มีช่องระบายความดันของลมอัดสำหรับจุดปุ่มนูนแต่ละจุด นอกจากนี้ความยืดหยุ่นของแผ่นพอลิเมอร์บางอาจทำให้การรับรู้ด้วยสัมผัสที่ปลายนิ้วไม่ชัดเจนนัก

รูปที่ 8 หลักการสร้างปุ่มนูนโดยป้อนแรงดันลมผ่านไมโครวาล์วเพื่อให้แผ่นพอลิเมอร์บางพองตัว
 

การพัฒนาแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขับเคลื่อนโดยแรงดันลมชนิด 1 ปุ่มนูน ซึ่งผลิตด้วยเทคนิคซินโครตรอนเอกซ์เรย์ลิโธกราฟฟี

จากข้อเสียของจุดปุ่มนูนซึ่งเกิดจากการอัดความดันให้แผ่นพอลิเมอร์บางพองตัว ที่ได้มีผู้รายงานไว้ในวารสารวิชาการเกี่ยวกับการฉีกขาดเสียหายง่ายและการรับรู้จากสัมผัสที่ปลายนิ้วซึ่งไม่ชัดเจนนัก ได้มีผู้เสนอแนวทางป้องกันการฉีกขาดเสียหายด้วยการสร้างช่องทางระบายความดันลมส่วนเกินให้กับจุดปุ่มนูนทุกปุ่มแต่ยังไม่มีผู้ใดได้การดำเนินการข้อเสนอดังกล่าวแต่อย่างใด เพื่อแก้ปัญหาสองประการข้างต้นคณะผู้วิจัยจึงได้คิดค้นจุดปุ่มนูนแบบใหม่ที่มีการระบายแรงดันส่วนเกินในตัวเอง โดยออกแบบจุดปุ่มนูนให้เป็นแท่งทรงกระบอกที่วางอยู่บนฐานวงกลม รวมเป็นแท่งคล้ายตะปู ซึ่งฐานวงกลมจะทำหน้าที่รับแรงดันลมให้แท่งทรงกระบอกยกตัวขึ้น ส่วนแท่งทรงกระบอกเมื่อยกตัวขึ้นจะสามารถรับรู้ได้ด้วยปลายนิ้วสัมผัสได้อย่างชัดเจนเนื่องจากมีลักษณะเป็นแท่งแข็งและมีขอบตัดและมีผนังตั้งตรงในแนวดิ่ง การสร้างแท่งปุ่มนูนลักษณะนี้สามารถทำได้โดยใช้แสงซินโครตรอนย่านรังสีเอกซ์ซึ่งมีพลังงานและอำนาจทะลุทะลวงสูงฉายลงบนพอลิเมอร์ไวแสง SU-8 เพื่อกำหนดให้เกิดเป็นรูปร่างแท่งทรงกระบอกที่มีผนังตั้งตรงและมีความหนาได้ถึง 1000 ไมโครเมตร รูปที่ 9 แสดงตัวอย่างโครงสร้างแท่งพอลิเมอร์ ที่ผลิตขึ้นด้วยเทคนิคซินโครตรอนเอกซ์เรย์ลิโธกราฟฟี สำหรับจุดปุ่มนูนแบบใหม่ ที่คณะผู้วิจัยได้คิดค้นขึ้นสามารถอธิบายหลักการทำงานได้ดังรูปที่ 10 รูปด้านซ้ายแสดงองค์ประกอบของจุดปุ่มนูนซึ่งมีลักษณะคล้ายลูกสูบทรงกระบอกบรรจุอยู่ภายในกระบอกสูบ ระหว่างแท่งลูกสูบและกระบอกสูบมีระยะห่างเล็กน้อยเพื่อลดแรงเสียดทานขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นและลง ระยะห่างนี้ทำหน้าที่เป็นช่องระบายความดันลมของจุดปุ่มนูนไปในตัวอีกด้วย ในรูปด้านขวา เมื่อป้อนแรงดันลมให้ลูกสูบ แรงกระทำที่จานรับแรงดันด้านล่างจะดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ขึ้นไปด้านบนจนกระทั่งจานกลมติดกับผิวด้านล่างของแผ่นรับการสัมผัส เมื่อหยุดป้อนแรงดันลมให้แก่จุดปุ่มนูน แท่งลูกสูบจะเคลื่อนที่กลับลงมาด้วยแรงโน้มถ่วง หรือด้วยแรงดึงกลับของสปริงที่ติดตั้งเพิ่มเข้าไปให้การเคลื่อนที่ลงของแท่งลูกสูบรวดเร็วยิ่งขึ้น

                                                      รูปที่ 9                                             รูปที่ 10          

เพื่อเป็นการพิสูจน์กลไกพื้นฐานของแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ที่จะสร้างขึ้น จึงได้เริ่มจากชนิด 1 ปุ่มนูนก่อน  โดยสร้างให้มีลักษณะเป็นทรงกระบอกตัน 2 ชั้น ด้านล่างมีสปริงทางกลขนาดเล็กยึดตรึงแท่งพอลิเมอร์รูปทรงกระบอกไว้กับที่ แท่งทรงกระบอกนี้สวมอยู่ภายในกระบอกกลวง ในลักษณะลูกสูบสวมอยู่ภายในกระบอกสูบ ด้วยระยะห่าง 50 ไมโครเมตร รูปที่ 11 

รูปที่ 11 กระบวนการสร้างแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ชนิด 1 ปุ่มนูน
 

หลังจากนั้นแท่งปุ่มนูนจะถูกทำให้หลุดเป็นอิสระจากฐานรองและนำมาสวมประกอบกับแผ่นหน้าสัมผัสที่มีรูกลวงรูปทรงกระบอกดังรูปที่ 12 (ก) แล้วทำการทดสอบการเคลื่อนที่ขึ้น-ลงและความสามารถในการต้านทานแรงกดจากปลายนิ้วสัมผัสเมื่อป้อนแรงดันลมอัดค่าต่าง ๆ กัน ดังรูปที่ 12 (ข) เพื่อหาแรงดันลมอัดที่ต้องใช้ในการต้านทานแรงกดจากการสัมผัสที่รับรู้ได้อย่างชัดเจน จากผลการทดลองดังรูปที่ 13 พบว่าแท่งปุ่มนูนที่สวมอยู่ในกระบอกสูบด้วยระยะห่าง 50 ไมโครเมตร ซึ่งได้รับแรงดันลมอัด 109.48 kPa จะสามารถต้านทานแรงกดเทียบเท่ากับการยกน้ำหนัก 10 กรัมค้างไว้ได้โดยผู้สัมผัสจุดปุ่มนูนยังคงรับรู้การนูนได้อย่างชัดเจน

รูปที่ 12 (ก) แท่งปุ่มนูนพร้อมสปริงดึงกลับที่หลุด (ข) การทดสอบการต้านแรงกดด้วยปลายนิ้วสัมผัส



รูปที่ 13 ความสามารถต้านแรงกดของจุดปุ่มนูนภายใต้แรงดันลมระดับต่าง ๆ ที่ได้รับ
 

การพัฒนาแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขับเคลื่อนโดยแรงดันลมขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน ซึ่งผลิตด้วยเทคนิคซินโครตรอนเอกซ์เรย์ลิโธกราฟฟี

การพัฒนาขั้นต่อมาเป็นการออกแบบและสร้างจุดสัมผัสครบทั้ง 6 จุดเพื่อให้ครบเป็นอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ โดยมีองค์ประกอบหลักสามส่วนได้แก่ แผ่นรับสัมผัส (แผ่นผิวเรียบพร้อมกระบอกสูบของจุดปุ่มนูน 6 ช่อง) แผงปุ่มนูน (แท่งปุ่มนูนพร้อมฐานรับแรงดันลมพร้อมสปริงดึงกลับเชื่อมต่อกัน 6 ชุด) และแผ่นประกบหลัง (แผ่นผิวเรียบใช้ปิดกระบอกสูบด้านหลังพร้อมรูป้อนอากาศอัด 6 รู สำหรับขับเคลื่อนแต่ละปุ่มนูน) ดังรูปที่ 14 (บน) ขนาดของจุดปุ่มนูนที่ใช้เป็นไปตามมาตรฐานอักษรเบรลล์ดังแสดงในรูปที่ 14 (ล่าง)

รูปที่ 14 (บน)  องค์ประกอบของแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน

รูปที่ 15 ขั้นตอนการสร้างแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน

รูปที่ 17 แสดงผลอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน ที่เชื่อมต่อกับท่อป้อนลมแล้ว

ระบบควบคุมแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน

เมื่อได้แผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูนแล้ว จึงได้พัฒนาต้นแบบระบบควบคุมแผงแสดงผลซึ่งบังคับให้แต่ละจุดปุ่มนูนแสดงผลตามอักษรเบรลล์อินพุต ในปัจจุบันได้พัฒนาระบบควบคุมต้นแบบที่ยังมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับขนาดของตัวแผงแสดงผล แต่ขนาดของระบบควบคุมการแสดงผลสามารถย่อส่วนลงได้ในอนาคตซึ่งจะได้ดำเนินการทีละขั้นตอนเป็นลำดับไป ระบบควบคุมในชั้นนี้ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดและควบคุมแรงดันลมอัด (Air compressor) วาล์วเปิดปิดลมอัด (Pneumatic valve) แผงแสดงผลอักษรเบรลล์ ไมโครคอมพิวเตอร์ และวงจรขับวาล์วลมอัด ดังรูปที่ 18 และ 19
 

รูปที่ 18 แผนผังระบบควบคุมแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน
 

รูปที่ 19 ระบบแสดงผลอักษรเบรลล์ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน แสดงผลตัวอักษรช่วงระยะเวลาละ 1 เซลล์
 

กระบวนการควบคุมการแสดงผลอักษรเบรลล์เริ่มจากการที่โปรแกรมภาษา MATLAB บนไมโครคอมพิวเตอร์ส่งอักขระ ASCII ภาษาไทยหรือภาษาอังกฤษ ไปยังวงจรขับวาล์วลม ผ่านระบบสื่อสารอนุกรม RS-232 ในขณะนี้ได้เขียนโปรแกรมให้ระบบรับอักขระจากแป้นพิมพ์แล้วส่งไปแสดงผลที่แผงอักษรเบรลล์ แต่ในอนาคตสามารถเชื่อมต่อเพื่อรับอักขระจากแหล่งอินพุตอื่น ๆ เช่นจากโปรแกรมเวิร์ดโพรเซสเซอร์หรือเว็บบราวซ์เซอร์ได้โดยผ่านการส่งข้อมูลแบบอนุกรม อักขระที่วงจรขับวาล์วลมได้รับมาจากไมโครคอมพิวเตอร์จะถูกไมโครคอนโทรลเลอร์แปลให้เป็นชุดสถานะเปิด/ปิดของวาล์วลม 6 ตัว ตามลำดับหมายเลขจุดปุ่มนูน 1 – 6 ที่ตรงกับลักษณะการนูนของจุดปุ่มนูนทั้ง 6 จุดสำหรับอักขระนั้น ๆ สำหรับอักขระที่แทนด้วยอักษรเบรลล์ขนาด 2 เซลล์ขึ้นไป จะใช้วิธีแสดงผลเซลล์แรกก่อน เมื่อผ่านการหน่วงเวลาระยะหนึ่งไปแล้วจึงแสดงผลเซลล์ที่เหลือถัด ๆ ไป  สถานะเปิด/ปิดของวาล์วลมจะควบคุมให้มีการปล่อย/ปิดกั้นลมอัดที่มีความดัน 30 psi จากปั๊มลมผ่านสายยางขนาดเล็กป้อนไปขับจุดปุ่มนูนให้แสดงผลตรงกับอักษรเบรลล์ให้นูนขึ้นหรือยุบลงต่อไป

เมื่่อทดสอบการทำงานของระบบควบคุมแผงแสดงผลพบว่าให้ระบบที่พัฒนาขึ้นสามารถแสดงผลได้อย่างถูกต้องตรงตามที่ออกแบบ รูปที่ 20 แสดงลักษณะของจุดปุ่มนูนทั้งหก จุดขณะแสดงผลอักขระ “ต” จากการสัมผัสแผงแสดงผลสามารถรับรู้อักษรที่ต้องการสื่อออกมาได้อย่างชัดเจน

รูปที่ 20 การแสดงอักษร “ต” บนแผงแสดงผลอักษรเบรลล์ ขนาด 1 เซลล์ 6 ปุ่มนูน
 

การแสดงผลของอักษรเบรลล์

https://www.youtube.com/watch?v=uT0TsPNcbE8