WO2002075247A1 - Escáner para lectura de escritura en sistema 'braille' por ultrasonidos - Google Patents

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Tomás E. GÓMEZ ÁLVAREZ-ARENAS
Francisco Montero De Espinosa
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas
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Definitions

  • optical methods are used to digitize Braille texts. Once digitized and through proper processing it is possible to convert the information into conventional text. These optical techniques have the difficulty of being very sensitive to pigmentation variations, spots, wrinkles and / or undulations in the material on which the Braille text is presented. The influence of these aspects outside the text itself is very remarkable and they completely hide the slight contrast that causes the relief of the points that constitute each character in the Braille script. This greatly complicates the optical technique because it coincides that those texts that would be interesting to digitize are precisely old texts that have defects such as those mentioned above.
  • Ultrasounds have been traditionally used and applied in the field of non-destructive testing of materials both to verify the state of the interior of a material (presence of cracks, cavities, state of unions etc.), such as to study surfaces: roughness, topography, etc. These techniques require liquid contact between the transducer and the sample to be inspected. Recent advances in the field of emission and reception of air ultrasound have made possible both the inspection of materials and the imaging of a surface without establishing direct contact between the sample and the transducer. It is precisely these new techniques that allow a device like the one presented here, of which similar systems are not known.
  • the present invention relates, as expressed in the statement of this specification, to a scanner for reading "Braille” writing by ultrasound.
  • the scanner object of the invention bases its operation on the use of piezoelectric transducers that emit and receive ultrasonic signals into the air and a movement system to sound the point surface of the sample point by point and simultaneously collect the amplitude of the reflected signal and the coordinates of that point.
  • the amplitude of the reflected signal depends, fundamentally, on the angle formed by the reflective surface with the direction of propagation of the incident signal.
  • piezoelectric transducers are specially designed to work in air (emit and receive ultrasonic signals with high sensitivity and high signal-to-noise ratio) and provide the necessary spatial resolution to discriminate each point in relief of Each Braille character.
  • the system may consist of one or several pairs of transducers, one emitter and another receiver, or one or more transducers that perform the dual task of issuing and receiving.
  • Transducer (s) emitter (s) and receiver (s) are oriented on the surface of the material in which the Braille text has been engraved forming the same angle and at the appropriate distance such that when the incident wave on this surface is reflected by a flat area (it does not contain any embossed points of the Braille text) the amplitude of the signal collected by the receiver is maximum.
  • the electronics used in the excitation consist of an electric pulse generating card (with the possibility of reaching large amplitudes) and a multiplexer / demultiplexer system for the excitation and reception with several transducers or pairs of transducers simultaneously.
  • the electrical excitation signal is applied to the emitting transducer, which converts it into an acoustic (ultrasonic) signal that emits towards the surface of the material on which the Braille text has been recorded.
  • the signal On reaching said surface, the signal is reflected almost entirely (due to the strong mismatch of specific acoustic impedances that exist between the air and any solid material) with an angle that depends on the angle formed by the incident signal with the surface (at the point of incidence).
  • a part of the reflected signal (depending on the angle of incidence with which it reached the surface of the material contained in the Braille text) is received by the transducer (s) receiver, converted into an electrical signal (from the same frequency) and sent to a card that provides a direct current electrical signal of a level proportional to the maximum amplitude of the received signal within a conveniently chosen time window.
  • Said level, together with the spatial coordinates of the corresponding point are stored in memory.
  • the level of the received signal depends almost exclusively on the angle formed by the ultrasonic beam with the surface to be investigated (Braille text) at that point.
  • the scanner incorporates a motion system that allows the ultrasonic beam to travel across the entire surface of the material that contains the Braille text, recording at each step of its movement the amplitude of the received signal and the spatial coordinates of the point.
  • the graphic representation of the coordinates of each point and the amplitude of the received signal (either by a three-dimensional graphic, or by means of an image with colors or shades of gray proportional to the level of the received signal) provides a reliable image of the Braille text .
  • the appropriate computer processing allows converting this information into conventional text.
  • T1, T2, ... Tn represent the n transducers used and their adequate support to keep them focused on the surface. 4: Mechanical movement system (motors and power cards), 5: Card to electrically excite the emitter transducer (s). 6. Card for the reception of the electrical signal, selection of the temporary window and generation of a continuous level proportional to the maximum.
  • CPU to store the information obtained, control the mechanical scan and support the software to convert the digitized information of the inspected surface (Braille text) into text.
  • a single focused transducer is used both to emit and to receive: the average angle of incidence of the beam on the surface must be zero. In this case, the multiplexing / demultiplexing stages are not necessary.
  • the focal length should be such that the round trip time of the signal from the transducer to the sample is greater than the duration of the excitation signal in the transducer.
  • the movement system must make the only transducer available to this scanner travel the entire surface of the text, so a motor system that provides movement on the sample plane is necessary.
  • a "linear array" of transducers focused on the surface containing the Braille text is used to emit ultrasonic signals and another with similar characteristics to receive them.
  • the average angle of incidence of the ultrasonic beam, the separation between transducers and the surface separation of transducers are adjusted so that the amplitude of the received signal and the spatial resolution are maximum.
  • the size is designed so that the length of the array is equal to one of the dimensions of the text to be processed. In this case, the multiplexing / demultiplexing stage is necessary.
  • the array is placed on the text to be processed by matching its longitudinal axis with that dimension of the text of equal size. Thus, it is sufficient to provide movement to the system in the normal direction to the axis of the array, which thus "sweeps" the surface that contains the text.

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Abstract

El escáner basa su funcionamiento en la utilización de traductores piezoeléctricos para emitir y recibir señales ultrasónicas al aire y un sistema de movimientos para insonificar punto a punto la superficie del material sobre el que se ha grabado el texto en Braille y recoger, simultáneamente, la amplitud de la señal reflejada y las coordenadas de dicho punto. La presencia de realces, depresiones, o simplemente zonas planas produce variaciones en la amplitud de la señal reflejada que convenientemente recogida según el haz ultrasónico recorre la superficie del material en el que se ha grabado el texto en Braille, permite digitalizar la información contenida en el mismo.

Description

TÍTULO:
ESCÁNER PARA LECTURA DE ESCRITURA EN SISTEMA "BRAILLE" POR
ULTRASONIDOS.
SECTOR DE LA TÉCNICA.
Se dirige al sector de las tecnologías para el tratamiento, procesado y almacenamiento de textos en el sistema de escritura para ciegos llamado "Braille" (dentro del sector que viene denominándose como tiflotécnica).
ESTADO DE LA TÉCNICA.
La técnica de escritura para ciegos en sistema Braille se encuentra en la actualidad estrechamente vinculada a la informática. Existen medios en uso actualmente que permiten escribir en sistema Braille y luego elegir el modo de "salida" si impresión como texto normal o como texto en Braille o si empleando un sintetizador de voz. Sin embargo, aquellos escritos en Braille, fundamentalmente antiguos, de los cuales sólo existe la versión en formato Braille (y ya "impresa"), son difícilmente introducibles en este "bucle informático".
Actualmente, se emplean métodos ópticos para digitalizar textos en Braille. Una vez digitalizados y mediante el procesado adecuado es posible convertir la información en texto convencional. Estas técnicas ópticas presentan la dificultad de ser muy sensibles a variaciones de pigmentación, manchas, arrugas y/o ondulaciones en el material sobre el que se presenta el texto en Braille. La influencia de estos aspectos ajenos al propio texto es muy notable y llegan a ocultar por completo el leve contraste que origina el relieve de los puntos que constituyen cada carácter en la escritura Braille. Esto complica en gran medida la técnica óptica pues coincide que aquellos textos que sería interesante digitalizar son precisamente textos antiguos que presentan defectos como los mencionados anteriormente. Los ultrasonidos han sido utilizados y aplicados tradicionalmente en el campo de los ensayos no destructivos de materiales tanto para verificar el estado del interior de un material (presencia de grietas, cavidades, estado de uniones etc.), como para estudiar superficies: rugosidad, topografiar relieves, etc. Estas técnicas requieren de contacto líquido entre el transductor y la muestra a inspeccionar. Los recientes avances en el campo de la emisión y recepción de ultrasonidos al aire han hecho posible tanto la inspección de materiales como la formación de imagen de una superficie sin establecer contacto directo entre la muestra y el transductor. Son precisamente estas nuevas técnicas las que permiten realizar un dispositivo como el que se presenta en esta memoria, del que no se conocen sistemas similares.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
Problema técnico planteado.
Como consecuencia de lo anteriormente expuesto, resulta evidente la importancia de un posible escáner para textos escritos en Braille que no se vea afectado, como sucede con los dispositivos ópticos, por problemas de pigmentación del soporte, manchas, arrugas, etc. Una técnica así permitiría, entre otras aplicaciones, digitalizar, recuperar y almacenar en soporte magnético u óptico fondos bibliográficos antiguos escritos en Braille.
Breve descripción de la invención.
La presente invención se refiere, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, a un escáner para leer escritura en sistema "Braille" por ultrasonidos. El escáner objeto de la invención basa su funcionamiento en la utilización de transductores piezoeléctricos que emiten y reciben señales ultrasónicas al aire y un sistema de movimiento para insonificar punto a punto la superficie de la muestra y recoger, simultáneamente, la amplitud de la señal reflejada y las coordenadas de dicho punto. La amplitud de la señal reflejada depende, fundamentalmente, del ángulo que forme la superficie reflectante con la dirección de propagación de la señal incidente. Así, la presencia de realces, depresiones, o simplemente zonas planas produce variaciones en la amplitud de la señal reflejada que convenientemente recogida según el haz ultrasónico recorre la superficie del material en el que se ha grabado el texto en Braille, permite digitalizar la información contenida en el mismo. Posteriormente, mediante el adecuado procesamiento informático esta información puede convertirse en texto. Los ultrasonidos son insensibles a variaciones en la pigmentación, manchas o variaciones en el material sobre el que se ha escrito el texto Braille (papel, cartulina, plástico, etc..) por lo que presentan claras ventajas sobre los métodos ópticos.
Descripción detallada de la invención.
De forma más concreta, para desarrollar el escáner son necesarios transductores piezoeléctricos especialmente diseñados para trabajar en aire (emitir y recibir señales ultrasónicas con alta sensibilidad y alta relación señal / ruido) y que proporcionen la necesaria resolución espacial para poder discriminar cada punto en relieve de cada carácter Braille. El sistema puede constar bien de una o varias parejas de transductores, uno emisor y otro receptor o bien de uno o varios transductores que ejercen la doble tarea de emitir y recibir.
Incorpora un sistema de sujeción para el material en el que se ha grabado el texto en Braille que garantiza la planitud de su superficie y que la distancia entre dicha superficie y el (los) transductor(és) es la adecuada para obtener la mayor resolución espacial posible. Transductor(es) emisor(es) y receptor(es) se orientan sobre la superficie del material en el que se ha grabado el texto en Braille formando el mismo ángulo y a la distancia adecuada de tal forma que cuando la onda incidente sobre esta superficie es reflejada por una zona plana (no contiene ningún punto en relieve del texto en Braille) la amplitud de la señal recogida por el receptor es máxima.
La electrónica empleada en la excitación consiste en una tarjeta generadora de pulsos eléctricos (con posibilidad de alcanzar grandes amplitudes) y un sistema multiplexor / demultiplexor para la excitación y recepción con varios transductores o parejas de transductores de forma simultánea. La señal eléctrica de excitación se aplica al transductor emisor, quien la convierte en una señal acústica (ultrasónica) que emite hacia la superficie del material en el que se ha grabado el texto en Braille. Al alcanzar dicha superficie, la señal es reflejada prácticamente en su totalidad (debido a la fuerte desadaptación de impedancias acústicas específicas que existe entre el aire y cualquier material sólido) con un ángulo que depende del ángulo que formase la señal incidente con la superficie (en el punto de incidencia). Una parte de la señal reflejada (dependiendo del ángulo de incidencia con el que alcanzó la superficie del material que contienen el texto en Braille) es recibida por el(los) transductor(es) receptor(es), convertida en señal eléctrica (de la misma frecuencia) y enviada a una tarjeta que proporciona una señal eléctrica de corriente continua de nivel proporcional a la amplitud máxima de la señal recibida dentro de una ventana temporal convenientemente elegida. Dicho nivel, junto con las coordenadas espaciales del punto al que corresponden son almacenadas en memoria. El nivel de la señal recibida depende de forma casi exclusiva del ángulo que forma el haz ultrasónico con la superficie a investigar (texto en Braille) en ese punto. El escáner incorpora un sistema de movimiento que permite hacer que el haz ultrasónico recorra toda la superficie del material que contiene el texto en Braille registrando a cada paso de su movimiento la amplitud de la señal recibida y las coordenadas espaciales del punto.
La representación gráfica de las coordenadas de cada punto y la amplitud de la señal recibida (bien por un gráfico tridimensional, bien por medio de una imagen con colores o tonos de gris proporcionales al nivel de la señal recibida) proporciona una imagen fidedigna del texto Braille. El tratamiento informático adecuado permite convertir esta información en texto convencional.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de una hoja de dibujos en la que en su única figura, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado un diagrama en el que aparecen los distintos módulos y elementos que permiten realizar el escáner para lectura de escritura Braille por ultrasonidos.
1 : Soporte para la superficie sobre la que actuará el escáner. Mantiene la superficie plana y la adecuada distancia al (a los) transductor(es). 2: Material sobre el que se ha grabado el texto en Braille. 3. T1 , T2,...Tn representan los n transductores empleados y su adecuado soporte para mantenerlos enfocados sobre la superficie. 4: Sistema de movimiento mecánico (motores y tarjetas de potencia), 5: Tarjeta para excitar eléctricamente al (a los) transductor(es) emisor(es). 6. Tarjeta para la recepción de la señal eléctrica, selección de la ventana temporal y generación de un nivel de continua proporcional al máximo.
7: CPU para almacenar la información obtenida, controlar el barrido mecánico y soportar el software para convertir la información digitalizada de la superficie inspeccionada (texto en Braille) en texto.
EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.
Ejemplo 1.
Se emplea un solo transductor focalizado tanto para emitir como para recibir: el ángulo medio de incidencia del haz sobre la superficie debe ser cero. En este caso, no son necesarias las etapas de multiplexado / demultiplexado. La distancia focal debe ser tal que el tiempo de ida y vuelta de la señal desde el transductor hasta la muestra sea mayor que el tiempo de duración de la señal de excitación en el transductor. El sistema de movimiento debe hacer que el único transductor de que dispone este escáner recorra la superficie completa del texto, por lo que es necesario un sistema de motores que proporcione movimiento sobre el plano de la muestra. Ejemplo 2.
Se emplea un "array lineal" de transductores focalizados sobre la superficie que contiene el texto en Braille para emitir señales ultrasónicas y otro de características similares para recibirlas. Se ajusta el ángulo medio de incidencia del haz ultrasónico, la separación entre transductores y la separación superficie transductores de tal forma que la amplitud de señal recibida y la resolución espacial sean máximas. Se diseña el tamaño para que la longitud del array sea igual a una de las dimensiones del texto a procesar. En este caso, sí es necesaria la etapa de multiplexado / demultiplexado. El array se coloca sobre le texto a procesar haciendo coincidir su eje longitudinal con aquella dimensión del texto de igual tamaño. Así, basta con proporcionar movimiento al sistema en la dirección normal al eje del array, que de esta forma "barre" la superficie que contiene el texto.

Claims

REIVINDICACIONES.
1. Escáner para lectura de escritura en sistema Braille por ultrasonidos caracterizado por estar compuesto por transductores piezoeléctricos especialmente diseñados para trabajar en aire (emitir y recibir señales ultrasónicas con alta sensibilidad y alta relación señal / ruido) y que proporcionen la necesaria resolución espacial para poder discriminar cada punto en relieve de cada carácter Braille, incorporando también un sistema de sujeción para el material, en el que se ha grabado el texto en Braille, que garantiza la planitud de su superficie de modo que la distancia entre dicha superficie y el (los) transductor(es) sea la adecuada para obtener la mayor resolución espacial posible.
2. Escaner según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema puede constar bien de una o varias parejas de transductores, uno emisor y otro receptor o bien de uno o varios transductores que ejercen la doble tarea de emitir y recibir.
3. Escaner según reivindicación 1 caracterizado porque el equipo electrónico para la excitación consiste en una tarjeta generadora de pulsos eléctricos
(con posibilidad de alcanzar grandes amplitudes) y un sistema multiplexor / demultiplexor para la excitación y recepción con varios transductores o parejas de transductores de forma simultánea.
4. Escaner según reivindicaciones 1 y 3 caracterizado porque incorpora un sistema de movimiento que permite hacer que el haz ultrasónico recorra toda la superficie del material que contiene el texto en Braille, registrando a cada paso de su movimiento la amplitud de la señal recibida y las coordenadas espaciales del punto, proporcionando una imagen fidedigna del texto, que con tratamiento informático convierte esta información en texto convencional.
PCT/ES2002/000121 2001-03-16 2002-03-14 Escáner para lectura de escritura en sistema 'braille' por ultrasonidos WO2002075247A1 (es)

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