Device to assist the visually impaired in reading printed or scanned

Device to assist the visually impaired in reading
printed or scanned documents
Luis Rodolfo Rebouças Coutinho
Universidade Estadual do Ceará
UECE
Fortaleza, Ceará, Brasil
[email protected]
Abstract — Individuals with visual impairment have their
ability to access information limited by the lack of mass literature
in Braille. This paper presents an embedded application to aid
the visually impaired that allows reading and writing printed
and/or digitized documents. The solution, designated
PORTÁCTIL, is a device composed of five modules: (1)
electromechanical Braille cells, (2) hand motion sensor, (3)
processing unit, (4) wireless communication and (5) power
supply. The text, locally stored or received by wireless
communication, is translated to Braille and displayed following
the movement of the hand of the reader. Thus, reading occurs in
the same way as in books written in Braille. The device is
powered by rechargeable batteries and is capable of receiving
texts from smartphones and tablets through Bluetooth. Some
prototypes were built and tested by several visually impaired
users. The adaptation was very good as well as the acceptance.
Properties such as weight / volume, energy consumption and
performance were evaluated and are given in the full text.
Keywords – Aplicações embarcadas; Acessibilidade; Bluetooth;
Braille; Portáctil.
I. INTRODUÇÃO
Os indivíduos portadores de deficiência visual têm sua
possibilidade de comunicação, interação e autonomia pessoal
limitada pela falta de literatura massificada em Braille, a qual,
por sua vez, é limitada por questões econômicas.
Sem ferramentas de acesso à informação, o desempenho
intelectual e profissional de pessoas com baixa ou nenhuma
visão fica seriamente comprometido, estabelecendo-se uma
silenciosa segregação educacional, cultural e social.
A restrição no acesso ao conhecimento produz a exclusão
social, laboral e educacional do indivíduo de qualquer classe
social ou condição econômica. Para estas pessoas, o
corriqueiro ato de ler uma revista, um jornal, ou ainda, estudar
um livro técnico é uma atividade hercúlea, e tais indivíduos
são segregados de oportunidades de crescimento e realização
pessoal.
Anaxágoras Maia Girão, João Batista Bezerra Frota,
Elias Teodoro Silva Júnior
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do
Ceara - IFCE
Fortaleza, Ceará, Brasil
[email protected], [email protected],
[email protected]
Neste contexto surgiram equipamentos para o auxílio de
deficientes visuais que permitem a leitura e escrita de
documentos impressos e digitalizados, empregando
tecnologias inovadoras que permitem maior inclusão de
indivíduos portadores de deficiências visuais.
O presente artigo descreve uma aplicação embarcada,
denominada
PORTÁCTIL,
capaz
de
reproduzir
mecanicamente os símbolos do sistema Braille em um
equipamento portátil, a partir dos caracteres de um texto
convencional. Tal texto, armazenado em sua memória ou
transferido em tempo real por Bluetooth, pode já estar
disponível em forma eletrônica ou ter sido obtido pelo
reconhecimento de caracteres em livros comuns, através de
um smartphone ou tablet.
O restante deste trabalho está organizado da seguinte
forma: A seção 2, trabalhos relacionados, apresenta outras
aplicações embarcadas com o mesmo objetivo de oferecer
tradução para o Braille em tempo real. A seção 3, descrição do
Portáctil, fornece a visão geral da proposta, mostrando outros
componentes de se conectam ao dispositivo. A seção 4,
arquitetura do Portáctil, traz os detalhes das partes que
integram o dispositivo Portáctil e suas características de
projeto. Os processos para leitura e escrita em Braille pelo
usuário são apresentados na seção 5. A seção 6 descreve a
apresentação final numa perspectiva de produto e a seção 7 faz
uma avaliação das propriedades finais desse protótipo. As
conclusões e perspectivas de continuação do trabalho são
mostradas na seção 8.
II. TRABALHOS RELACIONADOS
A temática da acessibilidade tem trazido cada vez mais
desafios aos pesquisadores. Em se tratando de deficientes
visuais, a utilização de áudio livros tem sido considerada uma
alternativa válida para assistir culturalmente esse público.
Entretanto, o pequeno volume de publicações desse tipo de
livro somado à necessidade e importância da alfabetização dos
deficientes visuais tornam imperativa a utilização do padrão
Braille [1].
Nesse diapasão existem várias propostas que buscam
atender à demanda por tecnologias de escrita em Braille. A
maioria das soluções tem em comum um dispositivo
eletromecânico capaz de produzir símbolos Braille por
comando elétrico. Tal dispositivo será chamado, neste artigo,
de cela Braille.
O Top-Braille [18], mostrado na Fig. 1, tem a forma
similar a um mouse de computador, sendo igualmente leve
(120g), e é equipado com: uma mini câmera, um sistema de
reconhecimento de caracteres, uma única cela Braille
eletromecânica e um sistema de baterias que lhe permite 6
horas de autonomia.
Ao passá-lo por cima de um texto impresso, a câmera
reconhece o que está escrito, fazendo com que o dispositivo
reproduza o seu respectivo valor em áudio e em Braille. O
Top-Braille permite, ainda, a transferência e o armazenamento
de textos para uma leitura futura. Entretanto, usuários
entrevistados relataram que encontraram bastante dificuldade
de utilizar o Top-Braille, pois não conseguiam focar a câmera
em uma única linha de texto.
Várias pesquisas recentes visam ao desenvolvimento de
celas Braille a partir de diversos materiais e conceitos, tais
como: eletrodos constituídos de polímeros de carbono em gel
[2]; estimulação direta, através de eletrodos, dos receptores
táteis da mão [3]; materiais foto sensíveis [4]; atuador
piezelétrico associado a um sistema mecânico massa-mola [5]
ou a um mecanismo amplificador hidráulico [6] e um micro
sistema pneumático [7]. O presente trabalho, entretanto, não se
propõe a aprimorar a técnica de exibição dinâmica do símbolo
Braille.
Por fim, devemos citar alguns trabalhos recentes que
buscam melhores soluções para o problema de identificação
de caracteres por imagem ou por sensores [9], visando à
digitalização de livros tanto em texto convencional (caracteres
alfanuméricos) [13] [14], quanto em idiomas de maior
complexidade, a exemplo do árabe [15], chinês [16] e
tailandês [17], e, até mesmo, de livros já impressos em Braille
[9][10][11][12].
A proposta do PORTÁCTIL é oferecer um acessório para
smartphones ou tablets. O aproveitamento da capacidade
computacional desses equipamentos, bem como de suas
interfaces, oferece menor custo e aumenta a portabilidade do
conjunto. Além disso, são utilizadas de uma a três celas para
reproduzir o símbolo Braille. Isso decorre do fato de que, no
alfabeto Braille, existem símbolos numéricos e matemáticos
que utilizam até três caracteres. Estas celas são um importante
fator no custo final do dispositivo, devendo a sua quantidade
ser reduzida ao máximo.
III. DESCRIÇÃO DO PORTÁCTIL
Figura 1: Top Braille.
Outro conceito bastante difundido é o de fazer uma linha
eletrônica em Braille, procurando reproduzir o formato dos
livros convencionais. Nesse caso, o leitor desliza seu dedo
sobre a linha, que se mantém estática. A linha Braille Pronto é
um desses modelos [18], sendo oferecida como uma
plataforma portátil e multifuncional para escrita e leitura de
textos em Braille. O equipamento (Fig. 2) possui 18 celas
Braille eletromecânicas, um sintetizador de voz, suporte a
cartões de memória para expansão, autonomia de 20 horas,
pesa 450g e possui conectividade através dos padrões USB,
Bluetooth e Serial [18]. Entretanto, soluções de linha em
Braille apresentam um volume maior (Linha Pronto: 170 x 90
x 32 mm), além da dependência de um computador pessoal.
No PORTÁCTIL, a navegação no texto a ser lido se dá
pela captura do movimento da mão do leitor, a exemplo do
que acontece com um mouse. Usualmente, o leitor move seu
dedo indicador ao longo da linha em Braille e vai
reconhecendo, pelo tato, os caracteres. Ao perceber o
movimento da mão do leitor, o PORTÁCTIL exibe na(s)
cela(s) Braille o caractere equivalente, como se o mouse
estivesse se movendo sobre uma linha virtual.
A Fig. 3 mostra uma perspectiva do sistema proposto, onde
o PORTÁCTIL é representado pelo bloco "Display Braille".
Figura 3. Visão geral de utilização do projeto.
Na Fig. 3, o tablet está no controle de todo o sistema. Ele
interage com o conjunto de duas formas distintas:
Figura 2: Exemplo de linha Braille.
1. Recebendo do usuário comandos e configurações tais
como: modos de escrita e leitura, acesso ao sistema de
arquivos, quantidade de celas Braille ativas, distância
percorrida pelo sensor de movimento para causar uma
mudança na informação do Display etc.
módulo de comunicação Bluetooth AUBTM-22 (Fig. 5) foi
utilizado para permitir essa comunicação [21]. O módulo, por
sua vez, comunica-se com o microcontrolador (item b na Fig.
7) do projeto por uma conexão UART-TTL (mostrada em
detalhes no diagrama da Fig. 6).
2. Interagindo com o bloco “Display Braille”, enviando-lhe
os caracteres a serem lidos pelo usuário e parâmetros de
configuração, além de receber informações tais como: estado
da bateria e distância percorrida.
A interação tablet – Livro (Fig. 3) representa o processo de
obtenção do conteúdo que será lido pelo usuário. Isso pode se
dar de duas formas: download do texto via rede sem fio (WIFI) ou aplicando um software OCR (Optical Character
Recognition) sobre uma imagem de texto capturada pela
câmara fotográfica. O software que gerencia a captura da
imagem e sua conversão em texto é parte integrante do
aplicativo de gerenciamento do PORTÁCTIL.
O bloco chamado de Display Braille na Fig. 3 pode ser
subdividido conforme mostra a Fig. 4. Nessa subdivisão
surgem os blocos Display Eletromecânico (que tem por função
reproduzir fisicamente a simbologia Braille), o hardware de
controle e a interface de comunicação com o tablet. Esses dois
últimos blocos serão detalhados na seção a seguir.
Figura 5: Módulo AUBTM-22 [21].
O Hardware do protótipo proposto contém outras quatro
partes, mostradas na Fig. 7 e descritas abaixo.
•
Sistema de Alimentação (a) – responsável por prover
tensões adequadas aos periféricos utilizados, bem
como carregar a bateria do equipamento;
•
Sistema de Navegação (c) – responsável por detectar o
movimento da mão do leitor;
•
Sistema de Sinalização (d) – responsável por alertar o
usuário sobre o estado do equipamento, como bateria
em nível crítico de tensão, pareamento ocorrido com
sucesso ou fim de um parágrafo do texto;
•
Cela Braille (e) – responsável pela função do Display
Eletromecânico mostrado na Fig. 4.
Figura 4. Diagrama de blocos do Hardware.
IV. METODOLOGIA DE PROJETO
O projeto foi desenvolvido seguindo os princípios do
desenvolvimento ágil aplicado a sistemas embarcados [24]
[25] utilizando, como estratégia de planejamento das iterações,
bem como de suas subdivisões, a metodologia ROPES [26]
(Rapid Object-Oriented Process for Embedded Systems),
segundo a visão de processo harmônico (Harmonic/ESW
Process) [24].
Cada uma das partes da arquitetura, descrita na seção a
seguir, foi desenvolvida em ciclos paralelos de
desenvolvimento iterativo (Microcycle), a partir da
documentação de requisitos do projeto (Macrocycle) [24].
Dessa forma, ao final de cada iteração, as diferentes partes do
projeto puderam ser testadas também em conjunto, ampliando
as opções de feedback do processo e, consequentemente,
acelerando o processo de desenvolvimento.
V. ARQUITETURA DO PORTÁCTIL
O padrão Bluetooth foi utilizado para se comunicar com o
sistema computacional externo (tablets ou smartphones). O
Figura 6: Diagrama de blocos da comunicação Bluetooth.
O conversor CC/CC Flyback, mostrado na Fig. 9, foi
adicionado ao projeto de forma a suprir as necessidades de alta
tensão da tecnologia Piezelétrica [8][20] utilizada no display
eletromecânico (Cela Braille). Seu papel é elevar a tensão da
bateria para os 200V necessários para realizar o movimento
dos pinos. Embora a Cela Braille utilize uma tensão de 200V,
não há risco de choque elétrico, pois todos os componentes
eletrificados do protótipo são isolados e apenas peças plásticas
entram em contato com o usuário. Além disso, a fonte de
200V tem baixíssima capacidade de corrente, incapaz de
provocar choque elétrico em seres humanos.
O sistema de navegação testado no protótipo é composto
pelo mesmo circuito utilizado, em larga escala, pelos mouses
ópticos de computador e se conecta ao PIC18F25K22 através
do protocolo PS2. Nesse caso, o protótipo deve ser usado
apenas sobre superfícies planas com bom índice de reflexão.
Figura 7. Visão macro do hardware proposto.
Por se tratar de um sistema portátil, os componentes
utilizados para a composição de cada bloco do protótipo foram
escolhidos visando ao aumento da eficiência energética da
aplicação.
O sistema de alimentação é composto pelos seguintes
componentes: Reguladores de Tensão, Bateria, Carregador de
Bateria, Conversor CC/CC. Dois reguladores de tensão foram
utilizados. O primeiro, composto por um micro conversor
BOOST, fornece a tensão regulada de 5,0V para o sistema, a
partir da tensão da bateria, que deverá variar entre 3,3V e 3,9V
devido ao processo de descarga. O segundo converte a tensão
da bateria para 3,3V, alimentando exclusivamente o módulo
Bluetooth. Na Fig. 8, temos o diagrama de blocos desse
sistema.
Figura 9. Diagrama de blocos do controle das celas Braille.
A Cela Braille eletromecânica é o componente responsável
por reproduzir símbolos táteis em alto-relevo. Comandados
pelo processador, esses símbolos são produzidos de acordo
com o padrão Braille.
O protótipo conta com três celas Braille piezelétricas
(detalhes na Fig. 10) produzidas pela empresa alemã METECAG [19][20], as quais se comunicam com o bloco de controle
e comunicação através de interface SPI (Serial Peripheral
Interface Bus), tal como pode ser visto na Fig. 9.
Figura 8: Diagrama de blocos do sistema de alimentação.
Note, ainda, no diagrama de blocos da Fig. 8 a existência
de alguns sinais de controle que chegam direto no
microcontrolador. O sinal analógico A1 permite ao PIC medir
o nível da bateria. O sinal de Controle C1 avisa se a bateria
está carregada ou não. O sinal de Controle C2 avisa se o
carregador está ou não presente.
Figura 10. a) cela Braille da empresa METEC-AG [20]. b) detalhe do
acionamento dos pinos com as placas piezelétricas [8].
Já o módulo de sinalização apresenta dois tipos de
dispositivos: um sonoro (buzzer) e um táctil, também
conhecido pelo nome de vibracall, sendo similar ao
encontrado em telefones celulares. O módulo de sinalização
tem por finalidade alertar o deficiente visual sobre o estado do
dispositivo, como por exemplo, indicar o final de uma linha
escrita, avisar que a bateria está com nível crítico de carga,
sinalizar que o dispositivo se conectou corretamente com o
tablet, dentre outras possibilidades.
VI. OS PROCESSOS DE LEITURA E DE ESCRITA
O conjunto tablet/smartphone e PORTÁCTIL permite
efetuar a leitura de textos previamente armazenados em
qualquer um desses dois dispositivos.
São as seguintes as etapas do processo de leitura:
Figura 12. (a) Vista da caixa e dos componentes internos.
1. Conecta-se o PORTÁCTIL ao tablet/smartphone via
Bluetooth. Esta conexão ocorre de forma automática ao ligar o
dispositivo. Ao mesmo tempo, a aplicação integrante da
solução PORTÁCTIL é ativada no tablet/smartphone.
2. Guiado pelo software e com auxílio do dispositivo em
si, o usuário posiciona o tablet/smartphone sobre o texto e
captura a imagem/texto (se for o caso).
3. Utilizam-se botões funcionais para selecionar o modo de
leitura. O movimento de arrasto da esquerda para a direita
significa avançar caractere. Movimento contrário, voltar. A
velocidade é determinada pelo próprio usuário.
O processo de escrita consiste em digitar na tela de toque.
O software de aplicação do PORTÁCTIL oferece retorno
audível para que o usuário saiba onde está pressionando. Em
dispositivos com tela maior (tablet), existe a opção de teclado
QWERTY. Em dispositivos menores, todavia, somente a
opção “reglete virtual” está disponível (Fig. 11). A reglete é
uma placa de metal com orifícios em uma de suas faces. Ela é
usada junto com um punção para escrita em Braille. Durante o
processo de escrita, o usuário pode ler o texto digitado através
das celas Braille PORTÁCTIL.
Figura 11. Reglete na tela de um Smartphone.
Tanto na escrita quanto na leitura é possível ouvir pelo
sistema de som do tablet/smartphone os caracteres mostrados
em Braille.
VII. APRESENTAÇÃO
O sistema PORTÁCTIL foi prototipado em duas partes.
Um software aplicativo em um tablet com sistema operacional
Android [22], encarregado de gerenciar todo o processo de
leitura e escrita; e um acessório em formato de mouse,
composto do sistema eletrônico descrito na seção IV
devidamente inserido em uma caixa de resina ABS
(Acrylonitrile Butadiene Styrene) medindo 115 x 70 x 22 mm,
como mostra a Fig. 12.
Figura 12. (b) Vista em Perspectiva do Protótipo Real.
VIII. AVALIAÇÃO
O protótipo produzido apresenta um consumo médio com
todos os periféricos ativos de 40 mA, medidos a partir da
bateria. Para suprir essa demanda, foi especificada uma bateria
recarregável de Íon Li de 2200mAh, o que implica em uma
autonomia teórica de 50 horas. O baixo consumo também
melhora bastante a relação capacidade/peso da bateria
utilizada e, consequentemente, reduz os custos do projeto.
Além do longo tempo de autonomia, a portabilidade do
protótipo também foi assegurada pelo seu baixo peso, de
apenas 230 gramas.
O protótipo foi avaliado, ainda, em suas funcionalidades,
por deficientes visuais de diversos níveis de experiência em
Braille e no uso de outras tecnologias assistivas. A adaptação
ao processo de leitura com o PORTÁCTIL foi imediata. Em
testes feitos com usuários deficientes visuais, após 15 minutos
de uso do equipamento eles já conseguiram ler o texto de
demonstração sem dificuldade.
Entretanto, foram identificadas as seguintes limitações:
1. o sistema óptico utilizado não se adéqua bem a todas as
superfícies testadas;
2. a utilização de um sensor de movimentação linear
"prende" o usuário à utilização de uma superfície, como, por
exemplo, uma mesa;
3. a utilização em conjunto com o tablet causa uma
dependência deste, o que reduz a mobilidade do sistema.
4. alguns usuários têm dificuldade para ler com apenas três
celas Braille.
IX. OBSERVAÇÕES FINAIS, CONCLUSÕES E TRABALHOS
FUTUROS
No presente trabalho apresentamos o PORTÁCTIL, uma
proposta de dispositivo portátil para acessibilidade de
deficientes visuais, permitindo tradução dinâmica para o
Braille em plataformas móveis (Tablet/Smartphone). A
prototipação mobiliza os conceitos de: comunicação sem-fio,
gerenciamento de energia, detecção de movimento e
acionamento piezelétrico, o que ressalta a necessidade da
utilização de uma metodologia de projeto para garantir
qualidade dentro de um tempo de desenvolvimento adequado.
Nesse contexto, a utilização da metodologia de processo
harmônico associada à filosofia de desenvolvimento ágil
garantiram ao projeto o atendimento dos requisitos, além de
um espaço de trabalho (Framework) dinâmico, onde
mudanças de planejamento e a opinião dos usuários puderam
ser rapidamente incluídas sem causar grandes atrasos no
cronograma.
O baixo peso e volume, quando comparados aos
concorrentes comerciais, principalmente as linhas Braille,
associados à inovação do sistema de navegação sobre o texto,
independente da utilização de uma câmera, resultaram em uma
boa aceitação pelo público alvo do protótipo, principalmente
frente às outras soluções presentes no mercado.
A fim de sanar dificuldades relativas ao sistema óptico,
estuda-se a sua substituição por um acelerômetro.
A mobilidade/autonomia do sistema pode ser aumentada
se o(s) texto(s) puder(em) ficar armazenado(s) integralmente
no PORTÁCTIL. Para isso, estão sendo incorporados cartão
de memória e CODEC para áudio.
Para aumentar a flexibilidade, estuda-se portar a aplicação
do tablet/smartphone para outros sistemas operacionais
embarcados, tais como o IOS [23] e o Linux.
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