ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

ศาสตร์แห่งการสุ่ม - RANDOM

5 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

Publish : 19 JUNE 2020

หลังจากที่ผู้เขียนได้ดูคลิปของ 9arm เรื่อง RNG หรือเต็ม ๆ คือ Random Number Generator (ซึ่งได้ความรู้ในเรื่องขั้นตอน วิธีการต่าง ๆ อธิบายไว้ดีมากครับ สามารถคลิกที่นี่เพื่อไปดูทางยูทูป) หลังจากที่นั่งฟังแล้วผู้เขียนก็มานั่งนึกว่า ไม่ค่อยมีใครเขียนเรื่องให้ Arduino สุ่มเลขพวกนี้มาเลยเนอะ (อย่างน้อยก็เท่าที่ผู้เขียนได้ผ่าน ๆ มา) อาจเพราะมันเป็นคำสั่งที่ไม่ค่อยจริงจังเท่าไร ส่วนมากที่เขียนก็มักใช้ในเกมส์ทั้งหลาย สุ่มเลขขึ้นมาเพื่อการสุ่มสิ่งต่าง ๆ แต่ความจริงเราก็สามารถใช้ในการสุ่มหาเลขที่ไม่ซ้ำเพื่อใช้ประโยชน์ต่าง ๆ เช่น One Time Password ก็ได้ หรือจะไปสุ่มเลขออกหวยเล่นกันขำ ๆ กับเพื่อนเป็นกิจกรรมยามว่างก็ได้ (การพนันเป็นสิ่งผิดกฏหมายนะครับ)

เมื่อเรามีความคิดแบบนั้นก็กลับไปดูที่หน้า Reference ของ Arduino นั้นก็จะพบว่าคำสั่งในการสุ่มตัวเลขอะไรมาซักอย่างจะมีอยู่ด้วยกันสองคำสั่ง ได้แก่

random()

randomSeed()

ในการใช้งานหากต้องการให้ Arduino สุ่มเลขอะไรออกมาสักตัว เราจะใช้เพียงคำสั่ง random() เท่านั้น ส่วน randomSeed() คืออะไร ใครที่คลิกไปดูคลิป 9arm มาแล้วก็คงจะพอนึกออก แต่ใครที่ยังไม่ได้ดู จะเก็บไว้ดูตอนหลังก็ไม่เป็นไรครับ เดี๋ยวจะอธิบายให้ฟังกัน เรามาเริ่มกันที่ random() กันก่อนครับ ในการใช้งานจะมีรูปแบบคำสั่งดังนี้

	random(max)
หรือ	random(min, max)

โดย min คือ ค่าต่ำสุดที่จะถูกสุ่มออกมา ซึ่งในการสุ่มจะรวมค่านี้ด้วย (ไม่บังคับ)
และ max คือ ค่าสูงสุดที่จะถูกสุ่มออกมา ในการสุ่มจะไม่รวมจำนวนนี้
อาจดูงง ๆ คำอธิบายคือ min นี่ในโปรแกรมจะไม่บังคับให้เราใส่ แต่หากเราใส่ลงไปมันอาจสุ่มได้ค่านี้ออกมา ส่วนค่า max เราต้องใส่แต่โปรแกรมมันจะไม่เอาเลขนี้ออกมา เช่นเราใส่เป็น (0, 100) เลขที่สุ่มออกมาอาจเป็น 0 ก็ได้ แต่จะไม่มี 100 เด็ดขาด ค่าสูงสุดก็จะเป็น 99 เป็นต้น
และอีกสิ่งที่ย้ำอีกครั้งคือการสุ่มนี้เป็นการสุ่มแบบ pseudo-random คือการ "สุ่มแบบเทียม" เนื่องจากการทำงานของ Arduino พื้นฐานมันทำงานบนระบบดิจิตอล ทุกอย่างต้องเป็นตรรก 0 หรือ 1 ตามระบบเลขฐานสองเท่านั้น การสุ่มมันก็ต้องมีขั้นตอนการคำนวณผ่านขั้นตอนของไมโครคอนโทรลเลอร์ และจะมีค่าเริ่มต้นค่าหนึ่งในการไปใช้ตั้งต้นคำนวณนี้ ฉะนั้นตัวเลขที่ได้ออกมามันจะมีรูปแบบที่ตายตัว เช่น 15 21 38 46 ... เมื่อมันสุ่มถึงจุดหนึ่งจนวนกลับมาก็อาจได้เลข 15 21 38 นี้อีกรอบซ้ำ ๆ เป็นเลขเดิม ๆ หากไปเจอคนที่เก่งคณิตศาสตร์ เขาก็อาจจับรูปแบบการสุ่มได้ และสามารถคำนวณหาความน่าจะเป็นของเลขที่จะถูกสุ่มออกมาได้นั่นเอง
ด้วยเหตุนี้เองจึงมีการแก้ปัญหาด้วยการ Seed มันคือการเปลี่ยนค่าตั้งต้นที่นำไปใช้ในการสุ่ม ซึ่งแม้กระบวนการและวิธีการจะเหมือนเดิมแต่ค่าตั้งต้นเปลี่ยนผลลัพธ์ที่ออกมาก็จะเปลี่ยนไปนั่นเอง มาลองคิดกัน สมมติว่าการสุ่มจะใช้สมการ x - 3 หากค่าตั้งต้นที่ Arduino มันหยิบมาคือ 10 ผลลัพธ์ก็จะได้ 7 ตลอดใช่มั๊ย แต่หากเราเปลี่ยนค่าบังคับให้มันใช้ x = 57 สมการเดิม ผลลัพธ์ก็จะเปลี่ยนไปเป็น 54 นั่นเอง ซึ่งค่า Seed นี้ก็ได้มาจากสารพัดสิ่งได้เลย เช่น ให้ผู้ใช้ใส่ลงไป ตรวจวัดมาจากค่าสนามแม่เหล็ก จากอุณหภูมิ จากความชื้นในอากาศ ความชื้นในดิน ค่าแสงในขณะนั้น ใด ๆ ที่เซ็นเซอร์สามารถวัดออกมาเป็นตัวเลขได้ แม้แต่เวลาตอนนั้นวินาทีที่เท่าไร หรือเสี้ยวของวินาทีที่เท่าไรก็สามารถนำมาใช้ได้ โดยปกติการ Seed นั้นจะทำครั้งเดียวใน setup() คือการใช้ค่า ณ เวลาที่เปิดเครื่องขึ้นมา แต่หากใครต้องการความปลอดภัยสูง จะทำการ Seed ทุกครั้งที่ทำการสุ่มก็ไม่ผิดแต่อย่างใดครับ
หลังจากโม้กันมามาก มาลองดูวิธีใช้งานกันบ้างดีกว่า จะขอสุ่มหน้าลูกเต๋า 1 ลูก ทุก ๆ 5 วินาที แสดงผลทาง Serial monitor ซึ่งหน้าลูกเต๋าก็จะมีเลข 1 ถึง 6 ฉะนั้นในคำสั่งของเราค่า min ก็คือ 1 และค่า max คือ 7 (รวมขอบล่าง ไม่รวมขอบบน) ก็จะได้โปรแกรมสั้น ๆ ดังนี้ครับ

ลองมาดูการทำงานก็จะสุ่มเลขออกมาดังภาพ

อย่างที่กล่าวว่าถ้าใช้ random() เฉย ๆ ตัวเลขที่สุ่มออกมามันจะมี Pattern เดิม ๆ ทำให้สามารถเดาเลขที่จะออกมาได้ เราจะ Seed ลงไปในโปรแกรมด้านล่างนี้ โดยเลขที่จะ Seed นั้นจะใช้ค่าอนาล็อกที่อ่านได้จากขา A0 ที่ไม่ได้ต่ออะไรไว้เลย เมื่อไม่ได้ต่ออะไรไว้แล้วขาจะอยู่ในสถานะ float เป็นค่าที่เด้งไปเด้งมาระหว่าง 0 ถึง 1023 ไม่มีความแน่นอน จึงถือเป็นการสุ่มที่แม้จริง เราทำการอ่านค่าแล้วนำค่านั้นมาใช้ Seed ลงไปเลยก็ถือว่าใช้การสุ่มที่ค่อนข้างจะสุ่มจริง ๆ สูงมาก

ลองดูอีกทีครับ Pattern ของเลขที่ถูกสุ่มออกมาความสัมพันธ์มันจะเปลี่ยนไป (ใครเก่งและว่างก็ลองถอดความสัมพันธ์ของเลขสองชุดนี้ดูนะครับ รับรองว่ามันต่างกันจริง ๆ)

เท่านี้เราก็ได้โปรแกรมง่าย ๆ ไว้สุ่มจำนวนออกมา ใครจะประยุกต์ใช้อะไรขึ้นอยู่กับความคิดแล้วหล่ะครับ วันนี้ก็บทความง่าย ๆ ไม่มีอะไรให้สรุปมากก็ขอตัดจบไปเร็ว ๆ เลย สวัสดีครับ