Марвин Минский - Фреймы для представления знаний

• Название: Фреймы для представления знаний
• Автор: Марвин Минский
• Жанр: Прочая околокомпьтерная литература

В книге описывается новый подход к решению проблемы представления знаний в системах искусственного интеллекта. В основе его лежит система фреймов — особых структур данных для понятийного представления стереотипных ситуаций в рамках общего контекста знаний о мире. С этих позиций дается описание механизмов человеческого мышления, распознавания образов, восприятия зрительной и слуховой информации, а также проблемы лингвистики, обучения и методы решения задач. Автор книги — известный американский ученый, специалист по искусственному интеллекту.

Книга предназначена для широкого круга научных и инженерно-технических работников, интересующихся созданием искусственного интеллекта. Она может служить хорошим пособием для студентов, специализирующихся в этой области.

---

Подобный тип сложной структуры, конечно же, не создается заново каждый раз, когда человек осматривает какой-либо предмет. Видимо, в долговременной памяти хранится большой набор систем фреймов, и одна из них активируется, когда данные и ожидания дают возможность предполагать, что она соответствует видимой картине. Как же это происходит? Если выбранный фрейм подходит не в той мере, как хотелось бы, и не удается быстро найти более подходящий, а вопрос достаточно важен, то происходит приспособление наилучшего из обнаруженных фреймов к реальной картине и он запоминается для последующих применений.

Строятся ли такие системы фреймов для каждого знакомого нам объекта? Это выглядело бы слишком экстравагантно. Представляется более вероятным, что у человека имеются специальные системы для представления наиболее важных объектов, а, кроме того, множество фреймов для обычно используемых «основных форм»; их сочетания образуют фреймы для новых применений.

Различные фреймы системы похожи на многочисленные «модели» объектов, описанные А.Гузманом(1967) и П.Уинстоном(1970). Различные фреймы аналогичны различным видам изображений, а имена межфреймовских указателей соответствуют перемещениям или действиям, изменяющим местоположение наблюдателя. Ниже будет обсуждаться вопрос о том, следует ли рассматривать эти виды в качестве двух- или трехмерных моделей объектов.

В каждый фрейм включены терминалы, служащие для присоединения указателей, идущих к его субструктурам. Одна и та же физическая черта может присутствовать в различных видах изображения объекта, следовательно, соответствующий ей терминал будет совместно использоваться сразу несколькими фреймами. Это позволяет представлять в одном месте информацию, собираемую не только в разное время и в разных местах, но и не зависящую от позиции наблюдателя. Это важно и для невизуальных применений систем фреймов.

Ход процесса согласования, результатом выполнения которого является решение, соответствует ли реальной ситуации выбранный фрейм или нет, зависит как от текущих целей, так и от информации, связанной с этим фреймом. Фреймы содержат в себе маркеры терминалов и другие ограничения, а цели используются для принятия решений о том, какие из этих ограничений существенны в данный момент, а какие нет. Вообще говоря, процесс согласования может содержать следующие компоненты:

1. Проверка на адекватность. Выбранный на основе ожиданий или предварительных данных фрейм должен вначале пройти проверку на правильность сделанного выбора; при этом используются знания о ранее выделенных элементах, их местоположении, об отношениях и наиболее вероятных субфреймах. Перечень текущих целей используется для принятия решения о том, какие терминалы и какие условия следует учитывать при составлении фрейма с действительностью.

2. Конкретизация. Затем фреймом запрашивается информация, необходимая для конкретизации значений тех терминалов, которые более не могут сохранять свои заранее заготовленные значения. Например, может потребоваться описание грани С, если соответствующий терминал в данный момент времени не означен и не отмечен как «невидимый». Задания должны согласовывать с текущими условиями, задаваемыми маркерами соответствующего терминала. Так, грань С может содержать маркеры для таких ограничений или ожиданий как:

правая центральная область изображения;

должно быть означено;

должно быть видимым; если нет, рассмотреть перемещение вправо;

должно быть субфреймом «грань куба»;

использует совместно с гранью В терминал левой вертикальной границы;

при неудаче рассмотреть фрейм «ящик, лежащий на боку»;

тот же цвет фона, что и у грани В.

3. Управление. При получении сведений о трансформации (например, о предстоящем перемещении) выбранный фрейм передает управление соответствующему фрейму той же системы.

При более подробном рассмотрении этой схемы управления видно, что в ней содержатся возможности для использования многих видов знаний. Если попытка задания значений терминалам не удается, то результирующее сообщение об ошибке может быть использовано для выбора альтернативного варианта. Пользуясь этим, ниже рассмотрим вариант организации памяти в виде сети подобия, как это сделано в работе П.Уинстона(1970).

1.5. Носит ли зрительное восприятие символьную форму

Можно ли действительно предполагать, что восприятие человеком трехмерных объектов столь фрагментарно и атомистично, что оно может быть представлено в терминах отношений между элементами двухмерных изображений? Давайте сразу же отделим друг от друга эти два вопроса: являются ли зрительные образы символьными и основаны ли они на двухмерных конструкциях. Первый вопрос имеет особое значение; не вызывает сомнения, что на некотором уровне зрительное восприятие протекает в основном в символьной форме. Разногласия могут быть между теми, кто, с одной стороны, придерживается несколько наивных концепций и считает восприятие либо картиноподобным, либо протекающим на основе оперирования с воображаемыми геометрическим телами, и теми, кто, с другой стороны, основываясь на экспериментальных данных (см. Ж.Пиаже, Б.Инельдер,1956 и др.), доказывает, что многие возможные ограничения, вытекающие из символьных представлений, и в самом деле существуют.

Так, нам известно, что дети в своем творчестве, особенно в графике (впрочем, это относится и к взрослым) пользуются набором весьма ограниченных символьных ингредиентов (см., например, Е.Гомбрих(1959)). Перспективы и заслонения обычно представляются не такими, какие они есть на самом деле, а с помощью определенных условностей. Метрические соотношения сильно искажены; сложные формы изображаются с помощью специальных знаков, которые не пользуются для представления наиболее существенных признаков. Представители «наивной» точки зрения обычно не признают подобных ухищрений и придерживаются мнения, что люди действительно «видят и манипулируют образами, подобными картинам» так, что это нельзя объяснить с помощью дискретных описаний.

Что касается второго вопроса (являются ли образы двух- или трехмерными), то его на уровне символьных описаний не существует, ибо неподходящим становится здесь само понятие измерения. Каждый вид символьного описания объекта одним целям служит хорошо, а другим — плохо. Если заданы отношения «слева-от», «справа-от» и «находится-над» между элементами некоторой структуры и представлены они в виде маркеров, определенных на парах терминалов, то при проведении определенных манипуляций с объектом его описание, выполненное на этой основе, будет достаточным для предсказания местонахождения его отдельных элементов. Задача облегчается тем, что если, например, поворачивать куб, не меняя его ориентации в пространстве (не меняя грани, которой он соприкасается со столом), то определенные свойства этих отношений будут инвариантными к подобным перемещениям. Большинство предметов обычно имеет свои верхние и нижние части. Однако если положить куб на боковую грань, то предсказания, основанные на тех же самых описаниях, сделать будет значительно труднее: люди испытывают большие затруднения при слежении за гранями шестицветного куба (т.е. куба, каждая грань которого окрашена в разный цвет), если заставить их мысленно его поворачивать.

Если для тех же целей использовать более «характерные» отношения, такие как «следующий-за» или «быть-противоположным-к», то аналогичные описания изображений будут менее чувствительными к возможным поворотам объектов. В работах П. Уинстона(1970, 1971, 1972) мы видим, каким образом систематические замены отношений (например, «слева» вместо «сзади» или «справа» вместо «спереди») могут использоваться при имитации вращения предметов.

У. Хогарт осуждал тех художников, которые слишком мало времени уделяли совершенствованию своих представлений об окружавших их предметах. (Уильям Хогарт (1697–1764), выдающийся английский живописец, график и теоретик искусства, в 1753 г. опубликовал свой известный теоретический трактат «Анализ красоты»). Он советовал тем, кто стремится получить правильные представления о расстояниях, отношениях и различиях между некоторыми существенными точками и линиями, принадлежащими, в худшем случае, даже наиболее асимметричным фигурам, постепенно вырабатывать в себе способность извлекать их из своей памяти, ибо это может во многом помочь тому, кто постоянно что-нибудь изобретает или рисует по памяти и способствует точному натурному воспроизведению предметов.

Таким образом, преднамеренная тренировка памяти в вопросах систематизации отношений между точками, лежащими на противоположных поверхностях тел, является, по мнению У. Хогарта, ключом к пониманию инвариантных отношений между видимыми и невидимыми частями изображений; они могут дать человеку информацию, достаточную для того, чтобы вообразить себя внутри какого-то предмета или мысленно очутиться в другой, практически недоступной точке наблюдения. Отсюда можно сделать вывод о том, что У.Хогарт отвергал «наивные» концепции в теории восприятия образов.