6.4.1 Первые попытки синтеза речи

Мечты о говорящих машинах стары как мир. В древнекитайском трактате «Ле-цзы» (列子, буквально — «[Трактат] учителя Ле»), составленном предположительно в IV в., можно найти упоминание человекообразного автоматона, созданного древним мастером по имени Ян Ши в годы правления императора Му-вана (IX в. до н. э.). Среди прочих талантов этого устройства была способность петь (не фальшивя). Другой говорящий человекоподобный механизм, в соответствии со средневековой легендой, был создан Альбертом Великим, знаменитым философом, теологом и учёным, наставником Фомы Аквинского. Для изготовления устройства, получившего название «андроид» (т. е. «подобный человеку»), Альберт Великий обратился за помощью к «ангелам преисподней». Поминая историю с говорящей головой Сильвестра II, это был уже не первый случай, когда подрядчики из ада помогали святым отцам с устройствами для синтеза речи. Если же не принимать в расчёт эти и другие легендарные приспособления древних, то первенство в создании говорящих устройств принадлежит механикам конца XVIII в., одним из которых был уже знакомый нам изобретатель «шахматного автомата» Вольфганг фон Кемпелен. Причём, в отличие от самого знаменитого изобретения фон Кемпелена, его говорящие приспособления не были плодами высокотехнологичного мошенничества. Изобретатель оставил после себя обстоятельный трактат под названием «Механизм человеческой речи вместе с описанием говорящей машины» (Mechanismus der menschlichen Sprache: nebst der Beschreibung seiner sprechenden Maschine), благодаря которому созданное им устройство неоднократно воспроизводилось. Например, в 2007 г. усилиями немецких учёных Фабиана Бракхане и Доминика Бауэра была создана реплика «говорящей» машины фон Кемпелена.

Рис. 134. Реплика «говорящей» машины фон Кемпелена

В результате своих исследований фон Кемпелен пришёл к выводу, что человеческая речь возникает в результате взаимодействия речевого тракта и ротовой полости, кроме того, при произнесении взрывных согласных могут быть задействованы язык и губы. Идея Кемпелена заключалась в механическом моделировании речевого аппарата человека. Созданная фон Кемпеленом машина была способна «произносить» отдельные звуки, слова и даже целые фразы.

Внешне машина фон Кемпелена представляла собой деревянный ящик с двумя отверстиями для рук оператора. К нему была присоединена напорная камера — кожаные мехи, выполнявшие роль лёгких. Аналогом голосовых связок был вибрирующий язычок, а роль речевого тракта выполняла кожаная трубка. Изменяя руками её форму, можно было производить гласные звуки. Согласные же получались при прохождении воздуха через четыре сужающихся прохода, которые нужно было зажимать пальцами.

Фон Кемпелен утверждал, что для того, чтобы научиться управляться с машиной, обычно достаточно двух-трёх недель тренировок. Машина была способна вполне отчётливо «произносить» несколько сотен слов, причём не только коротких, таких как mama [мама] или papa [папа], но и довольно длинных, таких, например, как Mississippi [Миссисипи] или Constantinopel [Константинополь]. При этом голос машины звучал монотонно — длину вибрирующего язычка можно было изменять, но не во время работы.

Машину фон Кемпелена наблюдали в действии многие известные люди. Так, немецкий писатель Гёте писал: «Говорящая машина Кемпелена… хотя и не слишком красноречива, но очень хорошо произносит некоторые детские слова и звуки». Барон Гримм находил голос машины довольно приятным и даже мелодичным.

Впрочем, фон Кемпелен не был единственным учёным, работавшим на излёте XVIII в. над созданием говорящих машин. Его работа в этом направлении была начата, по всей видимости, в 1769 г., а около 1770 г. австрийский механик Фридрих фон Кнаусс изготовил и показал при венском императорском дворе четыре говорящих автоматона в форме человеческих голов. К сожалению, история не сохранила детального описания этих устройств и их возможностей. По всей видимости, устройства не были особенно удачными, поскольку, в отличие от других знаменитых автоматонов фон Кнаусса (механического флейтиста и механического писца), мы не находим у современников изобретателя восторженных воспоминаний о говорящих головах.

Чуть больше известно о говорящей машине, изготовленной в 1771 г. выдающимся английским естествоиспытателем Эразмом Дарвином, дедом создателя теории эволюции Чарльза Дарвина. Она представляла собой деревянный рот, снабжённый губами из мягкой кожи. Вот как описывал машину сам Дарвин: «В тыльной части машины располагались две „ноздри“, которые при необходимости можно было быстро зажать пальцами. Между двумя гладкими дощечками была натянута шёлковая лента в дюйм длиной и четверть дюйма шириной; когда струя воздуха из кузнечных мехов достигала ленты, та начинала вибрировать между дощечками, издавая приятные звуки, напоминающие человеческий голос. Голова произносила звуки „р“, „b“, „m“, а также „а“, которые складывались в простые слова. Когда губы медленно сжимались, тон становился очень жалобным, что производило на слушателей сильное впечатление».

Очевидцы вспоминали, что слова «мама» и «папа», произносимые машиной, напоминали звуки детского голоса. Исследования Дарвина показали, что для воспроизведения звуков человеческой речи машина должна обладать способностью выполнять 13 различных видов движения. Дарвин считал, что этими движениями можно управлять при помощи клавиатуры, совмещённой с клавиатурой клавесина. Таким образом, устройство сможет и петь, и аккомпанировать.

Английский промышленник Мэттью Болтон, ознакомившись с машиной Дарвина, предложил тому премию во исполнение нижеследующего соглашения: «Я обещаю заплатить доктору Дарвину из Личфилда тысячу фунтов за то, что он предоставит мне (в течение двух лет с даты настоящего документа) инструмент, который способен произносить молитву Господу, Символ веры и Десять заповедей обычным языком, и его уступит мне, и только мне, право собственности на указанное изобретение со всеми вытекающими отсюда преимуществами».

Данное обязательство было подписано Болтоном и заверено двумя свидетелями.

К сожалению, Дарвин вскоре уехал из Личфилда, и занятость другими делами не позволила ему продолжить работу над машиной. Таким образом, премия Болтона осталась невостребованной.

Дарвин и Болтон были членами так называемого Лунного общества Бирмингема (Lunar Society of Birmingham) — неформального клуба учёных, изобретателей и промышленников, действовавшего с 1765 по 1813 г. (впрочем, по этому поводу мнения историков разнятся) и включавшего в себя видных деятелей британского Просвещения.

Изначально общество называлось «Лунный кружок» (Lunar Circle), но с 1775 г. обзавелось более солидным названием. Общество называлось «Лунным», поскольку его собрания происходили в дни полнолуния (в отсутствие уличного освещения свет полной Луны делал дорогу домой после ужина проще и безопасней). Члены общества в шутку называли себя «лунатиками» [lunaticks], то есть сумасшедшими (сегодня это слово в английском языке пишется как lunatic и приобрело более выраженный негативный оттенок). Помимо Болтона и Дарвина членами общества были изобретатель паровой машины (и партнёр Болтона по бизнесу) Джеймс Уатт, выдающийся химик Джозеф Пристли, один из основоположников промышленного дизайна Джозайя Уэджвуд, механик и геолог Джон Уайтхёрст, а также другие знаменитые учёные и предприниматели^{, , ,} .

Во Франции изготовлением говорящих механических голов занимался аббат Микаль, успехи которого воспеты известным публицистом роялистской направленности Антуаном Риваролем. О жизни самого аббата известно немного — уроженец Дофине, младший сын богатых родителей, он получил звание почётного каноника [chanoine honoraire] Кафедрального собора Святого Маврикия во Вьене [Cathédrale Saint-Maurice de Vienne]^, , . Это звание обычно даётся церковным деятелям, которые не проживают рядом с храмом и не принимают непосредственного участия в деятельности прихода. Доля в церковных сборах [bénéfice], а также некоторый личный доход позволяли Микалю жить в Париже и тратить свободное время на хобби — конструирование механических игрушек.

Первым известным его творением стали автоматоны в виде флейтистов. Продолжив работу, аббат Микаль создал целый механический ансамбль. Однако позже он разрушил собственное творение — после того как оно было подвергнуто критике из-за изображения обнажённой натуры. В 1778 г. Микаль изготовил керамическую голову, способную произносить несколько фраз. Он разрушил и этот механизм, поскольку решил, что недостоин похвалы, которую получил от газеты Journal de Paris. Самая сложная конструкция Микаля, ставшая кульминацией его тридцатилетней работы, была завершена в 1783 г. и в сентябре продемонстрирована королю Людовику XVI.

Устройство представляло собой механическую говорящую машину, демонстрирующую разговор двух «говорящих голов». Машина Микаля была оснащена фонетической клавиатурой, позволявшей воспроизводить звуки речи «вручную», но помимо клавиатуры содержала также управляющий барабан со штифтами (аналогичный применяемому в музыкальных шкатулках), что делало её первым программируемым синтезатором речи. Устройство имитировало физиологию речевого тракта человека: звук возникал за счёт прохождения воздуха через искусственные голосовые щели, состоящие из эластичных мембран, а затем видоизменялся в резонирующих полостях.

Механизм находился на пьедестале, обрамлённом колоннами, благодаря чему создавалось акустическое пространство, способное вместить двух человек. Зрители оказывались лицом к лицу с парой больших позолоченных резных голов, изображавших зрелых мужчин с пышными бородами, на одну из голов была надета корона. На подвешенном под головами прямоугольном куске ткани, украшенном бахромой, был воспроизведён текст диалога — это помогало слушателям лучше распознавать нечёткие звуки, производимые механизмом.

Текст диалога был следующим:

— Король дарует мир Европе [Le Roi vient de donner la Paix à l’Europe].

— Мир венчает короля славой [La Pais couronne le Roi de gloire].

^— И мир делает людей счастливыми [La Pais fait le bonheur des Peuples].

Далее первая голова совершала небольшое движение и добавляла фразу, адресованную королю:

— О возлюбленный король, отец народа, счастье которого показывает Европе величие твоего трона [O Roi adorable! Père de vos Peuples! leur bonheur fait voir à l’Europe la gloire de votre Trône].

Рис. 135. Механические говорящие головы аббата Микаля

В начале июля 1783 г. Микаль обратился к французской Академии наук с просьбой изучить его изобретение. Академией был незамедлительно назначен комитет, в состав которого вошли химики Николас-Кристиерн де Ти, граф де Милли и Антуан Лавуазье, физик Жан-Батист Ле Руа, математик Пьер-Симон Лаплас, инженер Жак-Константин Перье и анатом Феликс Вик-д’Азир, занимавшийся среди прочего исследованием физиологических основ человеческого голоса.

Отчёт комиссии, написанный д’Азиром, носил в целом благоприятный характер, однако отмечалось несовершенство имитации человеческого голоса. Куда более восторженно высказался об изобретении Микаля публицист Ривароль, называвший Микаля «славным продолжателем дела Вокансона». Ривароль решил, что говорящие головы — прекрасный инструмент для сохранения правильного французского произношения («Эти головы, если их размножить в Европе, распугают множество учителей словесности, швейцарцев и гасконцев»). Он утверждал, что головы произносили свои предложения «чётко» [nettement] и голосом, который был «сверхчеловеческим» [surhumaine]. Ривароль также предполагал, что подобные устройства могут помочь в общении глухонемым.

Микаль надеялся, что Академия приобретёт его машину, однако этому плану не суждено было воплотиться в жизнь. Власти подозревали аббата в мошенничестве (надо сказать, что такие опасения возникли не на ровном месте — различные фокусы с чревовещанием были весьма распространены в то время), поэтому проявили осторожность и отправили главу парижской полиции Жана-Шарля Ленуара осмотреть машину. По итогам осмотра Ленуар вынес отрицательное заключение, не желая, вероятно, подвергать риску свою карьеру (отрицательный отзыв ничем не грозил полицейскому, в то время как положительный потенциально мог навредить).

Согласно Риваролю Микаль разрушил свой шедевр в порыве отчаяния и умер, отягощённый долгами, в 1789 г. Согласно другим версиям головы всё же были проданы не то правительству, не то богатому иностранцу. В любом случае сегодня их судьба неизвестна^, .

Говорящими машинами интересовались и в России. В 1779 г. Императорская академия наук и художеств в Санкт-Петербурге выбрала в качестве темы конкурса для механиков и производителей оргáнов две задачи: 1) исследование и объяснение физиологических механизмов речи; 2) создание устройства, способного произносить пять гласных звуков [a], [e], [i], [o], [u].

Победителем конкурса стал физик Христиан Кратценштейн, который не только разработал акустическую модель гласных звуков человеческой речи, но и воплотил её в механическом устройстве. Основу устройства, имитирующего работу речевого тракта, составляли резонаторы различной формы, в которых поток воздуха вызывал вибрацию язычков, в результате чего удалось относительно правдоподобно передать пять гласных звуков. При некоторой сноровке устройство Кратценштейна могло быть использовано для произнесения некоторых простых слов (например, «папа» и «мама»).

Рис. 136. Формы резонаторов Кратценштейна для пяти гласных звуков

Кратценштейн был уроженцем прусского города Вернигероде, изучал медицину и математику в Галле. В 1748 г. по приглашению Леонарда Эйлера прибыл в Санкт-Петербург, где работал вместе с другом и соратником Ломоносова Георгом Рихманом над проблемой атмосферного электричества. В трагический день 6 августа 1753 г., когда Рихман погиб от удара молнией, именно Кратценштейн первый пытался оказать коллеге помощь, а затем составил докладную записку о его смерти. Осенью 1753 г. Кратценштейн уехал в Копенгаген, где получил должность профессора кафедры экспериментальной физики и медицины, также он стал иностранным почётным членом Императорской академии наук.

Другим участником конкурса 1779 г. стал инженер и орга́нный мастер Франц Киршник, который представил собственную конструкцию говорящего орга́нчика. Киршник был помощником Кратценштейна в его опытах с извлечением звука при помощи свободно качающегося язычка.

Сам принцип язычкового извлечения звука был изобретён довольно давно, он лежит в основе одного из древнейших китайских музыкальных инструментов — губного орга́на под названием «шэн» (笙). Не позже середины XVIII в. этот инструмент попал в Европу, где послужил источником вдохновения для многих конструкторов музыкальных инструментов. Одним из них был и Киршник. Конструкция созданного им язычкового орга́на легла в основу оркестриона Фоглера и Раквица (ученика Киршника) и пангармоники уже знакомого нам наследника Кемпелена Иоганна Мельцеля. В какой-то мере Киршника можно считать и прародителем русской гармошки. Но на конкурсе Академии наук Киршнику пришлось довольствоваться лишь утешительным призом — конструкция Кратценштейна оказалась более совершенной (машина Киршника не слишком чётко произносила звуки [i], [a] и [e])^{, ,} .

Работа Кратценштейна оставила заметный след в науке, а его конструкция пользовалась явной популярностью. По крайней мере, в 1781 г. академик Крафт доложил на заседании Академии, что маленький орга́н, присланный Кратценштейном, настолько испорчен любопытными после его публичной демонстрации, что не издаёт уже ни звука. Решено было отправить машину изобретателю и механику Ивану Кулибину, который исправил орга́н и продемонстрировал его работу в апреле 1786 г.

Идеи первопроходцев в области механического синтеза речи, особенно фон Кемпелена и Кратценштейна, опубликовавших подробное описание своих результатов, заметно повлияли на дальнейшее развитие науки и технологий в этом направлении.

Как мы уже упоминали в главе, посвящённой шахматному «автомату» фон Кемпелена, после смерти изобретателя «Турок» попал в руки Иоганна Мельцеля, который, так же как и Кемпелен, интересовался проблемой звуковых устройств, в том числе синтезаторов человеческой речи. Впрочем, его достижения в этой области носили главным образом прикладной характер. Руководствуясь идеями Кемпелена, Мельцель сначала «научил» шахматный «автомат» говорить слово «шах!» (Échec!), а в 1824 г. разработал и запатентовал устройство, позволяющее куклам произносить слова «мама» и «папа». Звуковые устройства вообще были одной из главных областей интересов Мельцеля как механика. Среди изобретений его жизни — улучшенный слуховой рожок, музыкальный хронометр, собственная версия метронома, механический оркестр — пангармоникон и даже механическая панорама «Пожар Москвы». Над музыкальными устройствами Мельцель работал совместно с Людвигом ван Бетховеном.

Приблизительно в 1835 г. английский физик Чарльз Уитстон выполнил реконструкцию машины Кемпелена. Уитстон несколько изменил конструкцию оригинального устройства фон Кемпелена, сделав «ротовую полость» машины эластичной. Однако, как и в её прототипе, в машине Уитстона отсутствовала возможность управления высотой звука, из-за чего её речь была монотонной.

Об этом человеке хочется рассказать подробнее. Уитстон был звездой первой величины в британской науке XIX столетия. Его перу принадлежит множество важных исследований в области электричества, акустики и криптографии. Именно он, а не лорд Лайон Плейфер (как можно было бы предположить исходя из названия) разработал шифр Плейфера (в нём, в отличие от шифра Виженера, шифрованию подвергаются не отдельные символы, а биграммы, что делает атаку, основанную на частотном анализе, более трудоёмкой). Также Уитстон первым построил в Великобритании электрический телеграф.

Именно Уитстон посоветовал Аде Лавлейс перевести на английский язык статью Луиджи Менабреа с описанием аналитической машины, что, как уже было упомянуто в главе, посвящённой Бэббиджу, привело к первой в истории публикации программы для вычислительной машины.

Loading comments...