Оптофон превращал буквы в звуковые сигналы и стал доказательством концепции оптического распознавания символов

Blind Veterans UK Мари Джеймсон начала пользоваться оптофоном в 1918. К 1972 году она могла читать 60 слов в минуту.

25 июня 1912 года ирландский писатель, изобретатель и физик Эдмунд Эдвард Фурнье д'Альбе продемонстрировал любопытный аппарат на съезде Оптического общества в Лондоне. Он назвал его «исследовательским оптофоном», и согласно его замечательному утверждению, он позволял абсолютно слепым людям «слышать» свет.

Чувствительный аппарат оптофона — элемент, основанный на фотоэлектрических свойствах селена — был помещен в длинную, тонкую деревянную коробку, к которому была прикреплена пара наушников. Держа коробку в руках, пользователь слушал изменения в тембре, когда элемент обнаруживал свет; устройство удивительно хорошо различало светлые и темные помещения и даже свечение спички. Фурнье д'Альбе представил это устройство как новый важный инструмент, который позволит слепым людям безопасно исследовать окружающую среду. В интервью для газеты изобретатель назвал его «первым этапом на пути к тому, чтобы можно было обходиться без глаз».

Новости об исследовательском оптофоне быстро распространились как в сообществах слепых, так и среди ученых. Фурнье д'Альбе купался в похвалах — пока не получил письмо от известного адвоката по имени Вашингтон Рейнджер. Рейнджер был слепым, и его критика была резкой: «Проблема слепых не в том, чтобы найти свет или окна, а в том, как заработать себе на жизнь».

Огорченный Фурнье д'Альбе вернулся к чертежной доске. На этот раз его целью было создать машину, которая переводила бы текст из обычных книг и газет в звуки, которые пользователь мог бы интерпретировать как слова. Он понял, что печатные буквы имеют уникальное визуальное соотношение белого и черного на странице, и что это соотношение может улавливаться светочувствительным элементом и переводиться в серию соответствующих звуков. Изучив звуковой алфавит, пользователь сможет читать книги, хоть и по одной букве за раз.

Как оптофон переводил текст в звуковые сигналы

Архив всемирной истории/Getty Images
На фотографии показаны основные компоненты оптофона, когда он лежит на боку. Текст для сканирования кладется на изогнутое стекло слева. Лампа [L] излучает свет через вращающийся диск [D], перфорированный пятью концентрическими кругами, разбивая свет на пять прерывистых потоков. Количество перфораций в каждом круге соответствует музыкальной ноте — средняя G, D, E, C и нижняя G. Потоки света проходят через щель в главном элементе из селена [S], отражаются от текста и возвращаются на селен. Сопротивление селена меняется в зависимости от интенсивности падающего на него света. Свет, отражаясь от белой страницы, создает низкое сопротивление; отражаясь от черного текста, свет создает высокое сопротивление. Тем временем часть света, проходящего через диск, отводится линзой [C] на второй, «балансирующий» селеновый элемент [B]. Оба селеновых элемента подключены к телефонной трубке, и когда их сигналы объединяются, получаемые звуки соответствуют только черному тексту. На рисунке показано, как сочетаются звуки, образуя части каждой буквы в слове «Шрифт».



Фурнье д'Альбе продемонстрировал грубый прототип оптофона для чтения в сентябре 1913. И снова его работа получила восторженные отзывы в прессе. Оптофон будет восхищать и разочаровывать его до конца жизни. Хотя он так и не достиг коммерческого успеха, мы были бы неправы, если бы назвали его неудачей или технологическим тупиком. Другие изобретатели продолжали адаптировать и совершенствовать технологию, а концепция автоматического сканирования текста открыла путь к оптическому распознаванию символов.

Фурнье д'Альбе родился в Лондоне в 1868 году и получил образование в Германии. Хотя сегодня он, в общем-то, забыт, при жизни он добился славы и известности в ряде совершенно разных областей, включая физические науки, спиритизм, лингвистику и панкельтское объединение. В статье 2017 года историк Ян Б. Стюарт отметил, что теория Фурнье д'Альбе об иерархической вселенной впоследствии повлияла на работу Бенуа Мандельброта о фракталах. Фурнье д'Альбе также был пионером в зарождающейся области телевидения и первым передал изображение по беспроводной связи — 600-точечную фотографию короля Георга V в День империи в 1923 году, на передачу которой ушло 20 минут. Стюарт отметил, что Фурнье д'Альбе, будучи представителем поколения модернистов, не видел проблем с объединением своих разнообразных интересов через увлечение социальными науками. Но больше всего он гордился работой над оптофоном.

К своему изобретению он пришел окольными путями. В 1893 году, в возрасте 25 лет, Фурнье д'Альбе устроился на работу по написанию аннотаций для журнала The Electrician, а затем для Physical Society. Эта работа ввела его в мир передовых научных открытий и выдающихся мыслителей. За свою жизнь он подружился с Х.Г. Уэллсом, У.Б. Йейтсом, химиками Вильгельмом Оствальдом и Уильямом Рамсеем, физиком Джорджем Джонстоном Стоуни, пионером телевидения А.А. Кэмпбелл-Свинтоном, а также фокусником и спиритистом Гарри Гудини.

В 1907 году Фурнье д'Альбе решил сделать карьеру в области физики. Благодаря своим блестящим связям он получил должность ассистента преподавателя в Бирмингемском университете под руководством известного физика Оливера Лоджа. Лодж рекомендовал Фурнье д'Альбе сосредоточить свои докторские исследования на селене.

Необычные фотоэлектрические свойства селена впервые проявились в экспериментах, проведенных компанией Telegraph Construction and Maintenance Co. в 1873 году, которые показали, что сопротивление металла меняется в зависимости от интенсивности падающего на него света. Сопротивление было максимальным, когда образец был заключен в темную коробку. Снятие крышки коробки приводило к скачку проводимости. Селен (названный в честь греческой богини луны Селены) вскоре стал известен как чудо-материал, и многие изобретатели пытались его использовать. Наиболее известен Александр Грэм Белл, который использовал этот металл в своем фотофоне 1880 года — телекоммуникационном устройстве, которое использовало модулированный свет для передачи беспроводного сигнала.



Коллекция Picture Art/Alamy Едмунд Фурнье д'Альбе изобрел оптофон для чтения после того, как ему сказали, что главная забота слепых людей — “как заработать себе на жизнь”

В 1897 году или около того польский офтальмолог Казимеж Ноишевский изобрел электрофтальм (от греческого «электрический глаз») — устройство, призванное помочь слепым людям «слышать» окружающую обстановку. Концептуально изобретение Ноишевского было удивительно похоже на оптофон Фурнье д'Альбе, который появился позже. Учитывая его обширные исследования в области селена, Фурнье д'Альбе почти наверняка знал об электрофтальме. Это может объяснить, почему он так охотно отказался от исследовательского оптофона в пользу разработки оптофона для чтения.

Хотя Фурнье д'Альбе преуспел во многих вещах, он не был инженером. Поэтому несмотря на то, что его оптофон для чтения был основан на здравой теории, потребовалось восемь лет и много поддержки, чтобы перейти от прототипа к продукту.

Оптофон для чтения работал путем сканирования крошечной части страницы за один раз. Небольшой диск, вращающийся со скоростью 30 оборотов в минуту, разбивал искусственный источник света на линию из пяти лучей, каждый из которых имел свою частоту. Когда лучи отражались от селенового элемента, колебания интенсивности света отражались на изменениях проводимости селена. Чтобы превратить изменения проводимости в звуковой сигнал, Фурнье д'Альбе использовал телефонную трубку компании S.G. Brown Ltd., которая могла обнаруживать колебания тока вплоть до миллионных долей ампера.

Ноты C, D, F, G и B представляли частоты пяти световых лучей и смешивались для создания различных аккордов. Как писал Фурнье д'Альбе в статье для журнала The Electrician (которую он цитировал в своей книге 1924 года «Лунный элемент»), «два вертикальных штриха [букв] H и M дают хаос нот, средний штрих N — понижающий диапазон, три горизонтальных штриха E — аккорд, а изогнутые линии O и S — характерные оттенки звука». Но некоторые буквы с похожими визуальными характеристиками — например, строчные u и n — приводили к схожим звуковым паттернам, которые слушателю было трудно различить.

Фурнье д'Альбе назвал свою самую раннюю попытку «белозвучным оптофоном», потому что ему удалось заставить селен реагировать только на белый цвет страницы, а не на черный цвет букв. Поэтому бедному слушателю приходилось интерпретировать звуки, создаваемые пространством вокруг каждой буквы, а не звуки, создаваемые самими буквами. По оценкам Фурнье д'Альбе, с такой системой на изучение звукового алфавита уходило около 8 часов, а на различение основных слов — от 10 до 20 уроков.

Хотя оптофон никогда не имел коммерческого успеха, было бы неправильно назвать его неудачей или технологическим тупиком.


Недостатки «белозвучного» оптофона были устранены в 1918 году, когда шотландская компания Barr & Stroud, производящая научные приборы, предложила доработать аппарат для подготовки к коммерческому выпуску. Добавление второго селенового элемента, называемого балансирующим элементом, позволило аппарату читать черный текст. [См. вставку «Как оптофон переводил текст в звуки»] Телефонная трубка принимала сигналы от обоих элементов и измеряла разницу в электрической мощности между ними. Белые сигналы гасили друг друга, так что увеличивался только черный сигнал. В усовершенствованном аппарате использовались ноты G, E, D, C и нижняя G.

Аппарат Barr & Stroud стал известен как «чернозвучный» оптофон. Другие модификации конструкции включали увеличительную линзу для чтения текста разных размеров, а также червячную резьбу, которая позволяла пользователю замедлять чтение от 5 секунд на строку до 5 минут. (Даже самый опытный читатель никогда не достигал самой высокой скорости, о чем я расскажу чуть позже). Последнее усовершенствование позволяло удерживать книгу или газету неподвижно на раме над механизмом чтения, а считывающая головка, или трейсер, поворачивалась на оси для чтения строки. С «белозвучным» оптофоном пользователь должен был постоянно осторожно перемещать книгу — непростая задача для слепого.

После возобновления выпуска оптофона в 1920 году полный воодушевления Фурнье д'Альбе провозгласил в письме в Nature: «Поэтому можно с уверенностью сказать, что проблема открытия мировой литературы для слепых теперь точно решена».

И снова Фурнье д'Альбе просчитался. Необходимость в таком инструменте, как оптофон, безусловно, существовала, учитывая сотни тысяч военнослужащих Первой мировой войны, ослепших от газа или снарядов. И все же этот инновационный и потенциально жизненно важный аппарат не смог закрепиться на рынке. К моменту смерти Фурнье д'Альбе в 1933 году было продано лишь небольшое количество оптофонов (возможно, не более дюжины).

Чем можно объяснить коммерческий провал оптофона? Репутация Фурнье д'Альбе могла внести свой вклад в эту проблему. Как и многие представители его поколения, он был страстным спиритуалистом. Нам легко высмеять это увлечение спиритическими сеансами и желание установить связь с умершими, но мы должны помнить о научных открытиях той эпохи. Невидимый мир электромагнитных волн и открытие электронов разрушили свод научных правил.





Bettmann/Getty Images; Коллекция Wellcome
На фотографии 1922 года Маргарет Хоган [вверху] использует «чернозвучный» оптофон для чтения книги. Производитель приборов Barr & Stroud разработал это более надежное устройство, которое непосредственно сканировало текст (а не пробелы вокруг текста, как в предыдущей версии). Черный оптофон также позволял пользователю контролировать скорость сканирования и не требовал изменения положения текста вручную.

Фурнье д'Альбе знал, что для того, чтобы оптофон имел успех, ему нужна поддержка Национального института слепых, влиятельной ассоциации, которая в Великобритании выступала в качестве неофициального проводника для его целевой аудитории. НИС возглавлял волевой Артур Пирсон. В начале века Пирсон был известным газетным магнатом, но по мере того, как он медленно терял зрение из-за глаукомы, он направил свою энергию на поддержку слепых. Пирсон вложил значительные средства в обеспечение всей страны средствами Брайля, поэтому новая машина, которая грозила сделать шрифт Брайль устаревшим, никогда не получила бы его поддержки.

В апреле 1917 года НИС согласился направить делегацию в лабораторию Фурнье д'Альбе для демонстрации оптофона. По словам изобретателя, все прошло как по маслу, и он использовал аппарат для точного чтения случайной выборки из ежедневной газеты со скоростью четыре слова в минуту. Но открытое письмо Пирсона и комиссии, опубликованное несколько дней спустя в лондонской газете Times, было крайне язвительным. Они пришли к выводу, что машина была не более чем интересной научной игрушкой — трудной для изучения и слишком медленной для практического использования. В конце письма Пирсон заявил Фурнье д'Альбе, что ему следует доверить подобные изобретения «тем, кто действительно заботится об интересах слепых».

Отсутствие поддержки со стороны НИС усугубляла цена оптофона. В 1917 «белозвучный» оптофон был выставлен на продажу за 35 фунтов стерлингов (что сегодня равно примерно 3500 долларов США). Когда три года спустя был выпущен «чернозвучный» оптофон, цена выросла в три раза. Слишком дорогой для средней семьи, он все еще был доступен для медицинских учреждений.

Однако без поддержки НИС это было маловероятно. По иронии судьбы Национальный институт слепых был вынужден купить единственный черный оптофон в 1920 году после того, как король Георг V и королева Мария увидели его на выставке и оставили о нем восторженный отзыв. Один из немногих известных до сих пор оптофонов находится в коллекции благотворительной организации Blind Veterans UK, которая была основана человеком, который так противился этой технологии — Артуром Пирсоном.

Одним из главных замечаний рецензентов НИС к оптофону было количество времени, необходимое для достижения мастерства. Они были правы. Фурнье д'Альбе предполагал, что пользователь сможет изучить основы всего за 10-20 уроков, но он был явно излишне оптимистичен. Большинство людей, которые пытались пользоваться машиной, могли прочитать лишь несколько слов в минуту — удручающе низкая скорость.

Одним из защитников машины был известный инженер А.А. Кэмпбелл-Свинтон. Он отметил, что язык — это навык, который люди приобретают медленно, начиная с младенчества, поэтому судить о том, как быстро взрослый человек сможет освоить оптофон, несправедливо. Он помог приобрести несколько оптофонов, чтобы провести долгосрочную оценку с группой детей, но я не нашел никаких свидетельств того, что эти результаты были когда-либо официально опубликованы.
Безусловно, наиболее успешное исследование началось в 1918 году, когда изобретатель заручился помощью 18-летних близнецов Мэри и Маргарет Джеймсон и научил их пользоваться «белозвучным» оптофоном. Обе уже читали шрифт Брайля. Мэри, казалось, лучше владела оптофоном, и в итоге она стала сопровождать Фурнье д'Альбе на многих его публичных демонстрациях, где пользовалась успехом у зрителей.

К 1920 году скорость чтения Мэри достигла 25 слов в минуту. Она продолжала пользоваться машиной до конца своей жизни и к 1972 году достигла скорости 60 слов в минуту. Зрячие люди могут читать от 200 до 300 слов в минуту. Тем не менее, когда в 1966 году ее спросили об опыте работы с машиной, Мэри, казалось, не беспокоила ее скорость, и ей хотелось только, чтобы машина была немного тише и чтобы селеновые элементы были более чувствительны.

Хотя любимый оптофон Фурнье д'Альбе канул в безвестность, его подход к механическому чтению вдохновил других. Одним из первых был профессор Университета штата Айова Ф. К. Браун, который в 1915 году усовершенствовал идею Фурнье д'Альбе, создав устройство, названное им фоноптиконом. В нем использовались отдельные кристаллы селена (вместо препарата) и ручная палочка для чтения страницы. Хотя это устройство получило положительные отзывы в прессе, оно, по-видимому, так и не было запущено в производство.

Многие считали машину RCA 1949 года первой в мире практической машиной оптического распознавания символов. Но именно Фурнье д'Альбе продемонстрировал, что такое вообще возможно.


За этим последовали другие изобретения. На выставке изобретений, проходившей в октябре 1929 года в Лондоне, Дж. Батлер Берк представил устройство, называемое оптографом, которое преобразовывало текст в шрифт Брайля. Два года спустя Роберт Э. Наумбург из Кембриджа, штат Массачусетс, изобрел печатающий визаграф, который автоматически считывал текст и тиснил его на алюминиевой фольге. Как сообщается, визаграф мог также работать с изображениями и картами. Но он был размером с письменный стол, и на создание одной страницы уходило около 6 минут. Похожий аппарат появился в 1932 году. Он назывался фотоэлектрографом. Он считывал текст и тиснил его на листе. Не было недостатка в изобретателях, которые надеялись стать преемниками Фурнье д'Альбе в этой новой области.

Возможно, самое важное наследие оптофона принадлежит пионеру электронного телевидения Владимиру Зворыкину и его команде в Radio Corporation of America. В 1910-х годах Зворыкин посетил Фурнье д'Альбе, чтобы узнать больше об оптофоне, и этот визит произвел на него неизгладимое впечатление. Спустя десятилетия Зворыкин использовал принципы Фурнье д'Альбе для создания машины для чтения, названной просто A-2. Прототип включал в себя ручную палочку и фототрубки (вместо селена) для датчика. Как и во времена Фурнье д'Альбе, в эпоху после Второй мировой войны многие тысячи раненых ветеранов нуждались в устройствах, помогающих им читать. Однако на этот раз Администрация ветеранов США (ныне Министерство по делам ветеранов) была заинтересована в развитии технологии и поддержала усилия RCA по усовершенствованию конструкции Зворыкина. Созданная под руководством Лесли Э. Флори и Уинтропа С. Пайка новая версия машины RCA, представленная в 1949 году, стала первой машиной для слепых людей, которая не только автоматически сканировала текст, но и произносила прочитанные буквы и слова.

Читающая машина RCA была представлена как раз в то время, когда начали появляться электронные компьютеры. Ученые-компьютерщики вскоре поняли, что эта технология позволяет ускорить обработку данных. Действительно, многие считали машину RCA 1949 года первой в мире практической машиной оптического распознавания символов. Но именно Фурнье д'Альбе продемонстрировал, что такое вообще возможно. И к 1950-м годам его базовый подход к оптическому сканированию был интегрирован в компьютеры по всему миру.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?