СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ЯЗЫКА-ПОСРЕДНИКА ДЛЯ ОБЩЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА И ДЕЛЬФИНА
METHOD OF PRODUCING ARTIFICIAL INTERMEDIARY LANGUAGE FOR COMMUNICATION BETWEEN HUMAN AND DOLPHIN

Изобретение относится к системам связи, использующим акустические сигналы, а именно к способам создания банка акустических сигналов, и может быть использовано для исследований в области обмена сообщениями между дельфином и человеком.
Многочисленные исследования в области физиологии, особенностей поведения и интеллекта дельфинов показывают, что дельфины имеют выраженную индивидуальность, могут представлять свои будущие действия и могут обучаться (https://www.opendemocracy.net/margi-prideaux/dolphins-as-persons).
Известно также, что дельфины способны определенными действиями реагировать на различные комбинации звуковых символов, в результате обучения они могут инициативно использовать кодовые сигналы для ряда запросов на действия человека, и целью дальнейших экспериментов стала задача установить двустороннюю связь человека с дельфином, используя звуковые символы. (Н.Л. Крушинская и Т.Ю. Лисицина «Поведение морских млекопитающих». М.: Наука, 1983 г.). Ряд ученых приводят доказательства того, что дельфины, обитая в мире звуков, не только используют для общения между собой универсальный «звуко-графический» язык, но и мыслят также звукографическими образами (https://www.opendemocracy.net/margi-prideaux/dolphins-as-persons).
Коммуникативные звуки дельфинов афалина, включая свисты, «щебет», «трели» отмечены в диапазоне частот от 2 кГц до, примерно, 20 кГц, сигналы тревоги и нужды в помощи они подают и на более низких частотах (В.В. Казнадзей, С.А. Крейчи, Э.Н. Хахалкина. Типы коммуникативных сигналов дельфина и характер их организации. Акустический журнал. т. 22, Вып. 6, 1976 г).
Структура коммуникационных сигналов дельфинов представляет собой сложные звуковые комплексы с частотной и амплитудной модуляцией. Произношение отдельных звуков и их совокупность в «речевых» сигналах дельфинов намного быстрей, чем у любого человека. Проведенные еще в 60-х годах двадцатого века эксперименты Дж. Лили (Lilly) выявили у дельфинов развитые «вокальные» подражательные способности. Некоторые звуки дельфины издают лишь после длительного контакта с человеком, и они приобретают некоторое сходство с голосом дрессировщика. Сравнение виброграмм с записью голосов дельфинов и человека это подтвердило. Если голос дрессировщика звучал с частотой от 200 до 3000 Гц, то голос дельфина, подражающего дрессировщику, имел частоту от 1000 до 8000 Гц (http://www.delfinary.ru/bibl.html).
Познать информативность издаваемых дельфинами коммуникационных звуков и их сочетаний чрезвычайно сложно. На исследование информативности звуков дельфинов ушли десятилетия труда ученых многих институтов и университетов, в том числе Института поиска внеземного разума (SETI) в Маунтин-Вью, Университета штата Калифорния в Дэвисе (https://www.opendemocracy.net/margi-prideaux/dolphins-as-persons).
Одним из путей установления обмена сигналами человека с дельфином является обучение дельфинов обмену сообщениями в форме команд или сигналов с использованием технических средств.
Известен способ формирования набора акустических сигналов (банка сигналов) для обмена сообщениями человека с дельфином с использованием подводного клавиатурного звукового инструмента (проект «Дикий дельфин» - Wild Dolphin Project, WDP), (http://www.wilddolphinproject.org/research/dolphin-comrnunication/, http://www.zoopicture.ru/obshhij-vazyk-s-delfmami/), суть которого заключается в соотнесении звукового акустического сигнала с предметным символом. Для этого используют специальную подводную клавиатуру, которая состоит из клавиш-шариков со специальными графическими символами. Клавиатура, в свою очередь, подсоединена к сигнальной системе, в которой каждый предмет соотнесен со свистком различной тональности. Когда дельфин издает звук, который соответствует тону определенной клавиши, то исследователь дает ему тот предмет, который потребовал дельфин. Способ создания набора (банка) акустических сигналов, основанный на соотнесении символа предмета с определенным акустическим сигналом, принят в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения.
Однако следует отметить, что для создания банка из графических или предметных символов и соответствующих им акустических сигналов, потребуется клавиатура с очень большим количеством клавишей, снабженных графическими или предметными символами, а чтобы дельфин, используя свой эхолокационный аппарат, распознал и запомнил каждый символ, их необходимо формировать, варьируя по форме и акустическим свойствам материала. Кроме этого, использование предметных символов возможно только на небольшой дистанции, где эхолокационный аппарат дельфина способен различить их особенности. Следствием такого способа формирования банка станет сложный и большой набор предметов-символов, что приведет к проблеме их идентификации и стандартизации при тиражировании. Недостатком способа также является применение для обмена сигналами клавишного (тактильного) инструмента, что требует большего времени для ответной реакции дельфина на смысловое сообщение, чем реакция в акустической форме. Кроме того, общая точность распознания сигналов снижается ввиду необходимости не только распознания акустического сигнала, но и дополнительная процедура распознания им предметов-символов на клавиатуре для подачи ответного сигнала.
В то же время одним из хорошо распознаваемых человеком акустических сигналов являются музыкальные звуки и их сочетания. Известно, что в музыке каждой ноте в каждой октаве соответствует определенная и постоянная частота звуковых колебаний основного (тонального) звука. В зависимости от типа источника воспроизводимый основной звук насыщен обертонами, по которым определяют «красоту» звучания источника. Все музыкальные инструменты и все голоса людей отличаются индивидуальностью обертонов произносимых звуков, подобно индивидуальности кожных рисунков пальцев человека. Слуховой анализатор человека позволяет распознать музыкальный инструмент по его звучанию и узнать невидимого знакомого по тембру его голоса. Музыка позволяет обмениваться чувственно-эмоциональными восприятиями, но не несет конкретной утилитарной информации. Сочетания музыкальных звуков, исполняемых, например, на трубе, используются и поныне в армии для подачи команд.
Задачей изобретения является создание банка акустических сигналов для двустороннего обмена сигналами, в основе которых лежат музыкальные звуки равномерно-темперированного звукоряда.
Технический результат - повышение точности распознавания акустических сигналов, неограниченные возможности наполнения.
Поставленная задача решается способом создания банка акустических сигналов в частотной области, характерной для коммуникационных сигналов дельфинов, включающим на первом этапе создание банка эталонных акустических сигналов из отдельных звуков равномерно-темперированного звукоряда путем форматирования звуков по одинаковой длительности и амплитуде, записи на носитель и фиксацию их частотных, амплитудных и временных характеристик, затем из записанных звуков путем изменения их длительности и/или амплитуды формируют эталонные звуки и создают из них банк эталонных звуков с фиксацией характеристик каждого эталонного звука, а затем сочетаниями полученных эталонных звуков формируют эталонные акустические сигналы, фиксируют частотные, амплитудные, временные модуляции каждого сформированного сигнала и каждому из них присваивают уникальный идентификационный код и информационное содержание с последующим сопоставлением зарегистрированных с помощью акустических приемников звуков с эталонными сигналами банка.
Существенными отличиями предлагаемого способа является формирование пополняемого банка акустических сигналов, в основу которых положены отдельные звуки равномерно-темперированного звукоряда, что позволяет, сочетая звуки, получить для обмена многообразие акустических сигналов и использовать их электронные копии для анализа акустической активности обучаемого дельфина.
Способ позволяет стандартизовать процесс формирования акустических сигналов и однозначно воспроизвести их, поскольку эти сигналы характеризуются конкретной частотой, их слоговое название и нотное написание являются широко известным и интернациональным, они могут быть воспроизведены как с помощью технических средств - звуковых генераторов или звуковых карт, подключаемых к компьютерам и работающих под управлением специальных программ - звуковых редакторов, так и музыкальными инструментами и голосом.
В процессе обмена сигналы излучают, а принятые сигналы (отклик) сравнивают с содержащимися в банке эталонными сигналами, причем сравниваются акустические образы сигналов, отличающиеся от исходных ввиду возможного искажения частоты, характера тембра и временных параметров в отклике, что позволяет однозначно определить содержание отклика при их совпадении.
Излучение и прием акустического сигнала при создании банка сигналов может осуществляться с использованием известной аппаратуры, например широкополосных акустических преобразователей, как под водой, так и в воздухе.
Фиксация отдельных звуков и получаемых акустических сигналов в виде, например, их буквенно-цифрового обозначения, спектрограммы или нотного написания, обеспечивает быстрое восприятие и понимание человеком параметров, записанных на носителе сигналов, а также возможность идентичного воспроизведения акустических сигналов различными техническими средствами, включая музыкальные инструменты, или даже голос. Кроме того, сравнительный анализ акустических сигналов в графической форме может являться одним из способов выявления акустической активности и распознавания ответной реакции или сообщения.
Присвоение идентификационного кода и смыслового содержания эталонным акустическим сигналам банка данных необходимо для их упорядочения и однозначного смыслового определения при составлении и использовании банка эталонных акустических сигналов. Такой банк имеет неограниченные возможности наполнения по мере развития уровня общения и востребованности в увеличении информационных единиц.
Выбор музыкальных звуков в качестве исходных элементов акустических сигналов обусловлен несколькими причинами: во-первых, тем, что дельфины обладают развитыми подражательными способностями, в том числе способны воспроизводить набор гласных звуков, причем в тональностях, характерных для людей: от высокого тенора до баса - у мужских особей, и от высокого сопрано до контральто - у женских (Акустический журнал, 2014, том 50, №3, с. 349-356), что позволит дельфину воспроизвести («пропеть») заданный символ; во-вторых известно, что дельфины благоприятно реагируют на звуки музыки, что является немаловажным в процессе общения; в-третьих, сигналы, состоящие из музыкальных звуков, могут многократно и однозначно воспроизводиться цифровыми и аналоговыми аудиосистемами посредством громкоговорителей в воздухе и гидроакустических преобразователей под водой, а также обычными акустическими инструментами, что расширяет технические возможности обучения и общения; в-четвертых, сигналы и особенности их воспроизведения (излучения, проигрывания) могут быть представлены также и в неизменной графической форме, в частности в виде нотной записи, что исключает влияние на воспроизводимый сигнал языковых отличий людей (в случае произнесения команд голосом) и делает предлагаемый способ интернациональным.
Предлагаемый способ позволяет применить для выявления и распознавания ответной реакции современные способы автоматизированной обработки сигналов, основанные на сравнении принятых акустическим приемником входящих звуков с эталонными сигналами банка данных, что способствует повышению точности распознавания сигналов и позволяет решить поставленную задачу.
Известны современные достижения в области распознавания и идентификации звуковых сигналов. Для этих целей разрабатываются сложные алгоритмы и компьютерные программы анализа звука, формируются базы звуковых фрагментов речи или музыки (например, WIDI Recognition System, http://www.softkey.ru/catalog). При наличии в базе конкретного звукового фрагмента подобный фрагмент, воспроизведенный в другой тональности и с другой тембровой окраской, может быть опознан с большой вероятностью. Подобные средства распознавания звуковых сигналов могут быть применены и для анализа отклика на звуковой сигнал, включая распознание и даже идентификацию источника. Например, гласноподобные звуки дельфина белухи, которым свойственна формантная структура, могут использоваться для идентификации конкретной особи (В.М. Белькович, С.А. Крейчи. Особенности гласноподобных сигналов белухи. Акустический журнал, 2004, том 50, №3. С. 349-356).
Использование созданного банка акустических сигналов для обмена сообщениями требует предварительного обучения одного из партнеров (в данном случае дельфина) с применением стандартных методик дрессировки, например, таких, какие используются в проекте «Дикий дельфин».
Очевидно, что сформированные в банке акустические сигналы, адаптированные для диапазона слуха и звукового аппарата дельфинов, будут доступными для приема и воспроизведения их дельфинами, а исключение использования графических или предметных символов, а также воспроизведение готовых сигналов из банка сигналов позволяет увеличить скорость и дистанцию обмена сигналами.
Реализацию заявляемого способа создания банка сигналов можно осуществить с применением известных технических средств и компьютерных технологий как в воздухе, так и под водой.
На чертеже представлена схема реализации заявляемого способа, где: 1 - компьютер, 2 - банк эталонных звуков (а - пример буквенно-цифрового и нотного написания звуков); 3 - банк эталонных акустических сигналов (б - содержание зафиксированных характеристик эталонного акустического сигнала), 4 - звуковая карта, 5 - акустический излучатель; 6 - акустический приемник; 7 - банк сигналов дельфина.
Способ может быть осуществлен, например, следующим образом.
На компьютере 1, снабженном программой звукового редактора, формируют и сохраняют на носителе (жестком диске компьютера или внешнем диске) звуки в виде файлов в форматах без цифрового сжатия, например с расширением «.wav», соответствующие звукам основного звукоряда первой октавы, каждый длительностью, например, 1 секунда и одинаковой амплитуды (например, 1 В), при этом фиксируют их частотную, амплитудную и временную характеристику (например, для звука «фа» первой октавы - «F1_1_1»). Посредством опции спектрального и временного анализа фиксируют в графической форме частотные, амплитудные и временные характеристики звуков. Далее, из записанных на носителе звуков путем изменения их длительности или амплитуды формируют эталонные звуки в частотной области коммуникационной активности дельфинов, при этом также фиксируют их частотную, амплитудную и временную характеристику, например, для уменьшенной в два раза длительности и увеличенной в два раза амплитуде ноты «фа» первой октавы - «F1_0,5_2» и формируют из них банк эталонных звуков 2. Затем из имеющихся в банке 2 эталонных звуков формируют эталонные акустические сигналы, представляющие собой различные сочетания эталонных звуков и присваивают каждому созданному акустическому сигналу идентификационный код, фиксируют частотные, амплитудные и временные характеристики сигнала и формируют этими действиями банк 3 эталонных акустических сигналов, при этом каждому сигналу или группе сигналов присваивают информационное содержание, которое фиксируют в форме текста.
В процессе использования необходимые акустические сигналы из банка 3 через встроенную или внешнюю звуковую карту 4 и типовой усилительный тракт воспроизводят в воздухе или под водой с помощью широкополосных акустических излучателей 5 в соответствующем частотном диапазоне с одновременным выполнением действий, соответствующих информационному содержанию акустических сигналов. Излученные в среду акустические сигналы и ответную акустическую активность дельфина регистрируют с помощью акустических приемников 6 и через типовые тракты усиления и звуковую карту 4 записывают на носитель в банк 7 сигналов дельфина, а затем сопоставляют с сигналами, имеющимися в банке 3 эталонных сигналов. Для этого используют методы спектрального, корреляционного анализа, алгоритмы и программы распознавания музыки, обеспечивающие выявление акустических сигналов в отклике дельфина, предпочтительно в реальном времени. Учитывая то, что дельфины способны к абстракции и звукоподражанию и, таким образом, способны выделять и опознавать схожие акустические сигналы (акустические образы), несмотря на различия в тембровой окраске имеющиеся в банке 3 сигналы возможно воспроизводить с помощью различных аудиоустройств, музыкальных инструментов, а в ряде случаев - голосом.
Таким образом, заявляемый способ создания банка данных акустических сигналов на основе стандартизованных элементов в виде звуков равномерно-темперированного звукоряда, позволяет решить поставленную задачу с достижением заявленного технического результата, а именно повысить точность распознавания акустических сигналов. Кроме этого, использование звуковых сигналов вместо графических или предметных символов для создания банка данных позволяет увеличить скорость и дистанцию обмена сигналами, а также расширяет возможности наполнения банка.
В настоящее время заявляемый способ осуществляется и тестируется на лабораторном оборудовании.