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.

---

Положение границ пространственных элементов фрейма не носит совершенно четкого характера, и поэтому терминал каждого такого элемента должен содержать данные о (приблизительном) типичном местоположении его центра и некотором диапазоне относительных размеров. Мы предполагаем наличие лишь правильных топологических ограничений, например, что край левой стены должен всегда быть слева от любого стоящего у этой стены объекта. Процесс согласования видимой стены со всеми подобными ограничениями может приводить ко все большим затруднениям по мере того, как в описание элемента будут включаться (вопреки установленным для него размерам) предметы, предположительно находящиеся внутри него. Степень таких затруднений зависит от цели человека при анализе сцены и накопленного им опыта. Хотя данная концепция и может показаться сложной, я не думаю, что богатство и разнообразие зрительных ощущений могут наводить на мысль о создании каких-либо значительно более простых теорий.

1.8. Перспективы и перемена точек наблюдений

«Умственные способности, необходимые для координации перспективных изображений, оказываются полностью сформированными у ребенка обычно к 8-9 годам и проявляются в следующих довольно независимых друг от друга формах. Во-первых, каждому положению наблюдателя соответствует определенная совокупность отношений между видимыми предметами, например, отношения „слева — справа“ или „спереди — сзади“... Они зависят от проекций и сечений, соответствующих плоскости изображения для данного наблюдателя (т. е. от перспективы). Во время этого последнего подэтапа шаг за шагом выявляется характер соответствия между точкой наблюдения и перспективой. Во-вторых, между каждой перспективой, связанной с данным положением наблюдателя, и любыми другими перспективами также существует соответствие, выражаемое особыми изменениями в отношениях типа „слева-справа“, „спереди-сзади“ и, следовательно, изменениями соответствующих проекций и сечений. Это соответствие между всеми возможными точками наблюдений обусловливает координацию перспектив... хотя еще только в элементарной форме».

Ж. Пиаже, Б. Инельдер (1956)

Когда мы двигаемся по комнате, очертания находящихся в ней предметов изменяются. Каким образом можно предвидеть или компенсировать эти изменения без полного повторного анализа всей сцены? Эффект от движения глаз и поворота головы довольно прост; предметы перемещаются в рамках видимой области пространства, но не меняют при этом своих очертаний; однако изменение позиции наблюдения является причиной значительных перемен, которые зависят как от угла, так и от относительных расстояний между предметом и наблюдателем. Эта проблема особенно важна для животных, двигающихся с большой скоростью, так как у них модель внешней среды должна быть образована различными, частично проанализированными видами изображений. Видимо, эта потребность, пусть даже в самом примитивном своём варианте, послужила главным стимулом к эволюционному развитию систем фреймов, а позже и других символьных механизмов.

Если имеется обычная комната, то перемещение вдоль пунктирной линии (рис.1.6) вызывает упорядоченное изменение в очертаниях четырехугольных стен. Прямоугольник, находящийся в непосредственной близости от стены, должен трансформироваться точно так же, как и сама стена. Если на левой стене в центре вычертить прямоугольник, то будет казаться, что он находится перед стеной, поскольку человек предполагает, что любой такой четырехугольник есть на самом деле прямоугольник и, следовательно, он должен лежать в плоскости, проектируемой аналогичным образом. На рис.1.7а оба прямоугольника, казалось бы, выглядят одинаково, однако тот прямоугольник, что находится справа, не согласуется с маркерами терминала для субфрейма «левый прямоугольник» (которые, например, требуют, чтобы левая сторона была длиннее правой).

Таким образом, этот прямоугольник, представленный с помощью фрейма «центральный прямоугольник», кажется нам выдвинутым вперед и параллельным центральной стене.

Итак, необходимо не просто присвоить четырехугольнику метку «прямоугольный», но и сделать то же самое для определенного фрейма, входящего в систему фреймов «прямоугольники». Двигаясь по стрелке (рис.1.7а), можно ожидать, что любая трансформация, применимая к системе верхнего уровня, будет применима и к любой из ее подсистем (рис.1.7б). Аналогично последовательность эллиптических проекций окружности на плоскость изображения содержит конгруэнтные и потому визуально неоднозначные пары, что и показано на рис.1.8. Но, поскольку предметы обычно располагаются в плоскости стен, мы предполагаем, что эллипс левой стены будет находиться слева на плоскости изображения, и что он подвержен тем же трансформациям, что и сама стена. Если предсказание не подтвердится, мы, очевидно, будем весьма удивлены.

Правдоподобно ли, что ограниченная, качественная, знаковая система может служить инструментом для адекватного представления перспективных преобразований. Люди все время недооценивают свои возможности по восприятию образов, например, в таком вопросе, как переосмысливание пространственных отношений, при изменении точки наблюдения. Уже отмечалось, что люди, считающие себя обладателями хорошего пространственного видения, часто допускают качественные ошибки при описании вращения простого многоцветного куба. И даже, в тех случаях, когда мы в действительности способны высказать точные метрические суждения об объектах видимой сцены, мы не всегда делаем это; например, лишь немногих людей заставит задуматься изображение несуществующей реально пирамиды, показанной на рис.1.9. Это не пространственное изображение (перспектива) любой усеченной пирамиды. Если эта фигура была бы пирамидой, то все три ее ребра в своем продолжении сошлись бы в одной точке. Имея достаточный опыт, люди, без сомнения, могут высказывать более точные суждения, но для этого не требуются какие-либо другие механизмы. Если для выполнения некоторой работы непрофессионал использует десять фреймов, то специалист может применить тысячу и, таким образом, получить совсем иной порядок ее исполнения.

В любом случае для правильного предсказания изменений перспективы в наших системах необходимо, чтобы трансформация на верхнем уровне вызывала соответствующие трансформации в системах субфреймов. В первом приближении этого можно добиться с помощью одинаковых названий трансформаций. Тогда действие «двигаться вправо», заданное для фрейма комнаты, будет вызывать то же самое действие и для объектов, связанных с субфреймами стен этой комнаты.

Поскольку, однако, эта схема имеет серьезный дефект, то она и рассматривается здесь только лишь в качестве «первого приближения». Действительно, если вы стоите около левой стены и двигаетесь вдоль нее вперед, то предметы, расположенные вблизи этой стены, испытывают значительную трансформацию типа «двигаться-вправо», фронтальная стена подвергнется преобразованию типа «приблизиться», а правая стена испытывает трансформацию типа «двигаться влево». Таким образом, вопрос о правильном предсказании изменений перспективы оказывается далеко не таким легким, чтобы его можно было решить простым переносом типов операций более низкие уровни системы.

1.9. Заслонения

Когда мы двигаемся вправо, крупный предмет, находящийся в центре на переднем плане, вероятно, левой своей стороной будет заслонять любой более удаленный предмет. При планировании перемещений человек должен иметь возможность предвидеть некоторые из этих изменений. Часть предметов может стать невидимой, а другая их часть — видимой. В нашем исходном примере куба проблемы заслонения не существует, поскольку это тело является полностью выпуклым; исчезновение целой грани и всех ее связей может быть легко восстановлено по данным, содержащимся на верхнем уровне. Однако в комнате, которую обычно следует рассматривать как тело вогнутой формы, отдельные элементы объектов, относящиеся к различным терминалам, могут заслонять друг друга. Рассмотрим в этой связи две экстремальные стратегии.

Локальные группы предметов. Так же, как и с различными видами одиночных объектов, при рассмотрении знакомых групп частично загораживающих друг друга предметов можно воспользоваться специальной системой фреймов, соответствующей данной конфигурации объектов исходного изображения. Для примера рассмотрим сцену, состоящую из стола и стула (рис.1.10 и табл.1.1).

Если к фрейму, представляющему эту сцену, применить те же, что и ранее, трансформации перспектив, то это позволит в первом приближении решить проблему заслонения.