Автоматические машины для тасовки карт

Введение

Машина для тасования игральных карт

Машина для тасования – это устройство для случайного перемешивания колод игральных карт. Поскольку стандартные методы тасования считаются недостаточно надежными, и для предотвращения сговоров, когда сотрудники казино сотрудничают с игроками, выполняя некачественное тасование, многие казино используют автоматические машины для тасования карт перед сдачей. Эти машины также применяются для снижения риска травм, связанных с повторяющимися движениями, у крупье. Машины для тасования должны быть тщательно спроектированы, поскольку в противном случае они могут выдавать предвзятые результаты: самые современные модели управляются компьютером. Случайность или предсказуемость карт, выдаваемых автоматическими машинами для тасования, представляет значительный интерес как для игроков, так и для казино. Машины для тасования бывают двух основных типов: машины непрерывного тасования (CSM), которые непрерывно перемешивают одну или несколько колод, и машины пакетного тасования или автоматические машины для тасования (ASM), которые перемешивают целую колоду за один цикл. Машины пакетного тасования дороже, но позволяют избежать проблем, связанных с некоторыми машинами непрерывного тасования, когда процесс тасования медленно меняет состояние колоды, и новые карты могут быть взяты до того, как тасование достаточно перемешало колоду, позволяя некоторым игрокам отслеживать карты в процессе тасования. Широко известное, но неопубликованное исследование Перси Диакониса и Сьюзан Холмс, проведенное в 2000 году, привело к перепроектированию многих машин для тасования. Позже SIAM News опубликовала достаточно подробное обсуждение его результатов.

Первые механические карты

Патенты на устройства для перетасовки карт начали появляться в Соединенных Штатах примерно в конце XIX века. Неизвестно, были ли эти устройства доведены до коммерческих продуктов или были отброшены. Эти машины часто были сложными, с множеством механических частей, предназначенных для получения, перетасовки и раздачи карт с псевдослучайностью. В 1878 году Генри Эш предложил аппарат для перетасовки карт. Его устройство представляло собой коробку с открытым верхом, в которую оператор помещал колоду. Затем оператор слегка встряхивал коробку, чтобы карты провалились через гребень в нижней части коробки. Примерно половина карт попадала в нижнее отделение, а остальные оставались в верхнем. Оператор брал верхние карты, складывал их вместе и делал то же самое с нижними картами. Две стопки помещались друг на друга для формирования новой колоды, и операцию можно было повторить для лучшего перемешивания. В 1887 году Сильванус Тингли и Чарльз Стетсон запатентовали свой "аппарат для перетасовки карт". Устройство состояло из двух коробок для карт, в которых стопки удерживались пружинами. Устройство имитировало перетасовку путем извлечения карт через прорезь в нижней части каждой коробки и помещения их в стопку в середине. Оператор вращал рукоятку, которая была соединена с шестернями и, наконец, с дисками, покрытыми резиной, которые контактировали с картами. Этот подающий механизм обеспечивал, чтобы окончательная стопка состояла из карт, "случайно" поступающих из левой или правой камеры. Основное отличие от последующих машин заключалось в том, что из коробки выбрасывалась только одна карта за один оборот. В 1892 году Уильям Рэнни подал заявку на патент на "механизм для перетасовки и раздачи карт". Аппарат представлял собой наклонную коробку, которая крепилась к краю игрового стола. Карты вставлялись сверху корпуса и задерживались внутри приемника, удерживаемого рычагом. Оператор вращал рукоятку, которая медленно опускала нижнюю стенку наклонного приемника. В этот момент устройство полагалось на силу трения между картами для достижения определенной степени случайности. Одна карта начинала скользить из-за наклона и увлекала за собой несколько других карт. Количество карт, выпускаемых за каждый оборот, обычно варьировалось от одной до пяти карт. Карты попадали в другой приемник, и оператор поворачивал все устройство, чтобы раздать карты другому игроку. Это вращение активировало ролик, который выталкивал нижнюю карту из коробки. Год спустя Уильям Рэнни предложил другую версию своего устройства, в которой исходная колода разделялась пополам, и карты падали с одной или обеих половин одновременно. В 1897 году два брата, Круксы, предложили более сложную машину, похожую на игровой автомат, отображающий пять карт. Это устройство не раздавало карты игрокам, а просто отображало случайную последовательность карт. Однако в нем использовался механизм перетасовки, основанный на вращающемся треугольном каркасе, где каждая сторона содержала одно и то же устройство. Одновременно могла работать только одна механическая сторона и отображать карты, и оператор вращал весь барабан, чтобы выполнить еще одну перетасовку. Коробка для перетасовки делилась на пять отсеков с помощью так называемых "разделительных пальцев". Затем сложный механизм штифтов перемешивал карты между отсеками, и новый результат отображался. В 1899 году Джон Боуэн предложил компактную "машину для перетасовки карт", в которой неперемешанная колода заключалась между двумя горизонтальными пластинами. Принцип работы этого аппарата был аналогичен машине Тингли и Стетсона. Верхняя пластина могла двигаться и называлась "прижимной пластиной", а нижняя была фиксированной. Оператор прижимал колоду с помощью вертикальной рукоятки, соединенной с прижимной пластиной, и вращал рукоятку, которая приводила в действие два ролика, расположенных над и под колодой. Спереди колоды планка блокировала большинство карт, кроме тех, что находились на вершине и внизу колоды. Ролики прижимались к картам, и, вращаясь, выбрасывали их в приемник. На каждом шаге карты могли поступать сверху или снизу колоды, и количество выбрасываемых карт не было постоянным. Переменное трение между роликами и самими картами обеспечивало некоторую случайность, как в машине Рэнни. Фред К. Роллингс в 1899 году изобрел устройство с вращающимся столом, где карты раскладывались вокруг центра с помощью фиксатора с переменным давлением. В 1901 году Бенджамин Беллоуз подал заявку на патент на свое устройство, которое использовало "только силу тяжести для всех движений карт", разделяя их и направляя через движущиеся отсеки. В последующие годы было предложено множество механизмов с различными комбинациями роликов, коробок для карт, гребней и штифтовых систем. Большинство этих машин приводились в действие вручную путем вращения рукоятки, которая активировала внутренние шестерни и ролики. Случайность можно было улучшить, увеличив количество оборотов перетасовки, выполняемых операторами, или увеличив количество коробок, гребней или разделительных камер в машинах. Некоторые устройства представляли собой простые коробки с гребнями, которые имитировали ручную перетасовку, например, перетасовку встряхиванием. В 1925 году Чарльз и Уильям Гюнцельман подали заявку на патент на простое ромбовидное устройство, в которое карты вставлялись в верхнюю камеру. Встряхивание устройства заставляло карты падать в нижнее отделение, а перетасовка обеспечивалась двумя небольшими крыльями в середине коробки, которые распределяли карты. Затем оператор переворачивал коробку вверх дном и повторял операцию. Стеклянные окна позволяли видеть, что все карты упали в отделение.

Patents regarding card shuffling devices started to appear in the United States around the end of the 19th century. It is unclear whether these devices were converted to commercial products or were discarded. These machines were often complex with many mechanical parts to achieve card retrieval, shuffling and distribution with pseudo randomness. In 1878, Henry Ash proposed an apparatus to shuffle cards. His device was a box with an open top where the operator would place the deck. The operator would then slightly shake the box to make the cards fall through a comb at the bottom of the box. About half of the cards would fall into the lower compartment while the rest were still in the upper compartment. The operator would take these upper cards, pack them together and do the same with the lower cards. The two packs would be placed upon each other to form a new deck and the operation could be repeated for better shuffling. In 1887, Silvanus Tingley and Charles Stetson patented their "card shuffling apparatus". The device was composed of two card holding boxes where the packs were held by springs. The device simulated a riffle shuffling by extracting the cards through a slot at the bottom of each box and placing them in a pile in the middle. The operator would turn a crank which was connected to gears and finally disks covered with rubber that were in contact with cards. This feeding mechanism ensured that the final stack was composed of cards "randomly" coming from the left or right chamber. The main difference with the next machines is that only one card would be ejected from a box during one turn. In 1892, William H. Ranney filed a patent for a "card shuffling and dealing mechanism". The apparatus was basically an inclined box which was fixed to the border of the playing table. The cards were inserted from the top of the case and were trapped inside a receptacle hold by a lever. The operator would turn a crank which would slowly lower the bottom wall of the inclined receptacle. At this point, the device relied upon the friction force between the cards to achieve some kind of randomness. One card would start to slide as a result of the steepness and would attract a few cards with it. The number of cards being released at each turn would typically vary between one and five cards. The cards fell into another receptacle and the operator would turn the whole device to distribute the cards to another player. This rotation activated a roller which would distribute the bottom card out of the box. One year later, William Ranney proposed another version of his device where the original deck was split in half and cards would fall from one or both halves at once. In 1897, two brothers, the Crooks, proposed a more complex machine which was similar to a slot machine displaying five cards. This device did not distribute cards to players but was just displaying a random sequence of cards. However, it used a shuffling mechanism that relied upon a rotating triangular frame where each side contained the same device. Only one mechanical side could operate and display cards at a moment and the operator would rotate the whole drum to perform another shuffling. A shuffling box would be split into five compartments using what they called "partition fingers". A complex pins mechanism would then mix the cards between the compartments and the new result would be displayed. John Bowen proposed in 1899 a compact "card shuffling machine" where the unshuffled pack was enclosed between two horizontal plates. The principle of this apparatus was similar to Tingley and Stetson's machine. The top plate could move and was called the follower, the bottom plate was fixed. The operator would press the deck using a vertical handle which was connected to the follower, and he would turn a crank that activated two rollers which were above and under the deck. In front of the deck, a bar would block most cards except those on top of the pack as well as those at the bottom. The rollers were pressing against the cards and with their respective rotation, would throw them into a receptacle. At each step, cards could come from the top or the bottom of the deck and the number of cards which were ejected was not constant. Variable friction between the rollers and the cards themselves ensured some randomness as in Ranney's machine. Fred C Rollings in 1899 invented a device with a rotating table where cards were spread around the center using a detent with variable pressure. In 1901, Benjamin Bellows filed a patent for his device which used "gravity alone for all movements of the cards" by dividing guiding them through moving compartments. Various mechanisms were proposed during the following years with different combinations of rollers, card holding boxes, combs and pins systems. Most of these machines were manually run by turning a crank which would activate the inner gears and rollers. Randomness could be improved by increasing the number of shuffling turns performed by the operators or by increasing the number of boxes, combs or partitioning chambers in the machines. Some devices were simple boxes with combs that would simulate a manual shuffling like riffle shuffling. In 1925, Charles and William Gunzelmann filed a patent for a simple rhombus shaped apparatus where the cards were inserted in an upper chamber. Shaking the device would make the cards fall into a lower compartment; the shuffling was ensured by two small wings in the middle of the box that would distribute the cards. The operator would then turn the box upside down and repeat the operation. A glass windows permitted seeing that all cards had fallen into the compartment.

Улучшение случайности с помощью механических трюков

После 1930 года изобретатели сосредоточились на разработке машин, способных непосредственно раздавать карты, идея, которая уже присутствовала в машине Рэнни 1892 года. В 1932 году Лауренс Хаммонд запатентовал раздаточный стол. Это была одна из первых машин, использующих электричество для привода необходимого механизма тасовки и раздачи. Описание его патента содержит интересные сведения о проблемах, связанных с предыдущими машинами: если карты были изношены или погнуты, тасовка могла не удаться. Он также критиковал недостаточную случайность предыдущих методов тасовки и указывал на риск предсказания конечной последовательности. В патенте также содержатся математические объяснения, касающиеся внутреннего устройства его машины. Двигатель приводил во вращение раму, которая раздавала каждому игроку по 13 карт. Машина выполняла 53 цикла для раздачи 52 карт. Во время каждого цикла селекторная пластина с 52 пазами поворачивалась на один шаг. Пазы имели четыре возможных глубины, и штифт, соприкасаясь с пазом, определял, какому игроку будет сдана карта. Каждая карта бралась с верхней части колоды и отправлялась в приемник соответствующего игрока по конвейерной дорожке. Первый цикл использовался для поворота пластины и гарантировал, что раздача начнется с новой последовательности. Одной из особенностей машины было то, что один и тот же игрок мог получать карты в течение двух или трех последовательных циклов. Для повышения случайности автор предлагал использовать набор различных селекторных пластин или другую колоду, которую тасовали во время игры. Машина была достаточно быстрой, чтобы перетасовать колоду за несколько секунд. При использовании только одной пластины одна и та же последовательность раздачи повторялась бы после 52 раздач (на пластине было 52 возможных начальных положения; начальное положение не выбиралось случайным образом, так как пластина всегда поворачивалась на один шаг в одном направлении во время каждого цикла). Проблему обеспечения случайности механическими средствами было сложно решить. В начале 1930-х годов Роберт Маккей предложил оригинальную машину, содержащую камеру с 52 шарами разного диаметра (для каждого игрока было 13 шаров одного размера). Как в лотерейном аппарате, шары встряхивались и случайным образом выбирались, по одному направляясь в колесо с 52 слотами. Затем колесо вращалось, и стержень, соприкасаясь с шаром, "определял" его диаметр. Механизм раздачи мог использовать информацию о диаметре и совершить необходимое действие для раздачи карты нужному игроку. Параллельно с лотерейными аппаратами продолжали развиваться и устройства для тасовки. В 1934 году Ральф Поттер изобрел электромеханическую машину, которая считывала перфокарты и генерировала случайные последовательности. Эти данные затем использовались для включения ламп на игровом столе. Эти лампы символизировали карты и значения рулетки. Игроки нажимали кнопки, чтобы указать свой выбор машине. В определенной степени его устройство было одной из первых попыток создать компьютеризированный генератор псевдослучайных чисел и игровую консоль. В оставшееся время 1930-х годов многие изобретения пытались решить проблему раздачи, в основном с помощью вращающихся рам, которые раздавали карты каждому игроку за столом. В тасочных машинах часто использовались вращающиеся детали; конструкторы часто применяли шестерни и пластины с пазами или отверстиями, выполнявшими функции, аналогичные функции пластины-генератора последовательности в машине Хаммонда. Эти тасочные машины имели некоторое сходство с машинами, используемыми в криптографии, такими как «Энигма». Это немецкое шифровальное устройство, использовавшееся во время Второй мировой войны, содержало роторы, которые сдвигались каждый раз при вводе символа, создавая зашифрованную версию буквы. Обе области должны были соответствовать математическим требованиям к случайности, чтобы избежать известных закономерностей, повторяющихся последовательностей и других видов статистических слабостей или искажений.

After 1930, inventors focused on the design of machines that could directly deal the cards, an idea that was already present in Ranney's machine in 1892. In 1932, a dealing table was patented by Laurens Hammond. This was one of the first machines to use electricity to power the necessary shuffling and dealing mechanism. His patent description provides interesting insights regarding the problems related to previous machines: If the cards were worn or bent, the shuffling could fail. He also criticized the randomness of previous shuffling methods and pointed out the risk of predicting the final sequence. The patent also contains mathematical explanations regarding the inner state of his machine. A motor drove a rotating frame that would distribute 13 cards to each player. The machine went through 53 cycles to distribute the 52 cards. During each cycle, a selector plate with 52 notches rotated by one step. There were four possible depths for the notches and a lug touching the notches would determine which player would receive the card. Each card was taken from the top of deck and sent to the corresponding player's receptacle using a conveyor track. The first cycle was used to rotate the plate and ensured that the distribution would start with a new sequence. One property of the machine was that the same player could be served during two or three consecutive cycles. To increase randomness, the author proposes to use a set of different selector plates or to use another deck being shuffled while people are playing. The machine was fast enough to shuffle a whole deck in a few seconds. If only one plate was used, the same dealing sequence would appear after 52 deals (there were 52 possible starting points on the plate; the starting point was not randomly chosen, as the plate always rotated by one step in the same direction during each cycle). The problem of ensuring randomness using mechanical means was hard to resolve. In the early 1930s, Robert McKay proposed an ingenious machine containing a chamber with 52 balls of different diameters (for each player, there were 13 balls with the same size). Like in a lottery machine, the balls would be shaken and randomly chosen by driving them one by one into a wheel with 52 slots. This wheel would then rotate, slot by slot, and a rod in contact with the ball would "detect" its diameter. A distribution mechanism could then use the diameter information and take the appropriate action to deal the card to the correct player. Together with the lottery machines, the shuffling devices continued to evolve. In 1934, Ralph Potter invented an electromechanical machine that would read perforated cards and generates random sequences. The data would be then used to power up lamps on the gaming table. These lights symbolized cards and roulette values. Players pressed on buttons to indicate their choices to the machine. To some extent, his device was one of the first attempts to make a computerized pseudo random generator and game console. During the rest of the 1930s, many inventions tried to address the dealing problem, mainly by using rotating frames that would distribute cards to each player around the table. Rotating parts were common in the shuffling machines; designers often used gears and plates with notches or holes whose purposes were similar to the sequence generator plate of Hammond's machine. These shufflers shared some similarities with the machines used in cryptography such as Enigma. This German encryption device used during World War II contained rotors that stepped each time a key was typed and produced an encrypted version of the letter. Both domains must fulfill mathematical requirements regarding randomness to avoid known patterns, repeated sequences and other kind of statistical weaknesses or biases.

После Второй мировой войны

После Второй мировой войны инженеры пытались генерировать случайные последовательности, используя электрические устройства. Сигналы от источников электрического шума (например, газоразрядной трубки с горячим катодом или резистора) обычно направлялись через фильтры и усилители для получения одного или нескольких случайных потоков. Такое устройство описано в патенте 1940 года, выданном Ньюби и др. Большинство запатентованных машин продолжали основываться на старых механических конструкциях, которые не обеспечивали такой же степени случайности, как источники шума, но были более практичными. Согласно патентам, поданным в 1950-х и 1960-х годах, конструкторы создавали простые устройства, в которых базовая операция перемешивания повторялась несколько раз (путем возврата выходной колоды обратно в машину), вместо одного сложного прохода, требующего множества сложных механических операций, приводящих к некачественному перемешиванию и снижению надежности. Некоторые из них пытались воспроизвести ручную перетасовку карт, переплетая их друг с другом. Ролики для захвата карт, контактирующие с верхней или нижней частью колоды, в то время все еще широко использовались.

Компьютерные смешиватели

В 1969 году Томас Сегерс запатентовал свой "электронный дилер карт", который не работал с настоящими картами, а имитировал случайный выбор. Благодаря подсветке игроки могли видеть результат. Согласно патенту, конструкция содержит мультивибраторы, логические элементы И и ламповый генератор. Изобретатель также отмечает, что в схеме могли быть использованы транзисторы. В 1974 году Дэвид Эриксон и Ричард Кронмал предложили устройство для перемешивания карт, основанное на логической схеме с бинарными элементами. Колоды помещались в держатели, карты извлекались по одной и направлялись в канал с небольшим наклоном, содержащий откидные пластины, которые активировались или деактивировались в зависимости от того, из какой стопки нужно подавать карту. Пластина направляла карту в соответствующий контейнер и приводилась в движение катушкой, управляемой псевдослучайным генератором. Синхронизация была важна, и для обеспечения правильного пути следования карты использовались различные методы. До 1980-х годов значительных инноваций не было. В 1985 году Эдвард Самссель предложил устройство, которое извлекало карты из нижней части двух держателей колод и помещало их во второй отсек. Другой механизм выбрасывал карту, взятую дилером. Порядок извлечения карт из держателей определялся логической схемой, основными элементами которой были счетчик и декодер. Фотосенсоры определяли количество карт в каждом отсеке и факт взятия карты дилером. В этом случае из исходных держателей извлекалась следующая карта.