Фреймы для представления знаний

Мне представляется, что теоретические исследования, проводимые в области искусственного интеллекта (ИИ) и психологии в целом были недостаточно общими для того, чтобы объяснить либо с практической точки зрения, либо феноменологически эффективность человеческого мышления. Основные структурные элементы, образующие фундамент для развертывания процессов восприятия, хранения информации, мышления и разработки языковых форм общения, должны быть более крупными и иметь более четкую структуру; их фактическое и процедуральное содержание следует более тесно увязывать друг с другом с тем, чтобы получить возможность объяснить феномен силы и «быстродействия» человеческого мышления. […]

Отправным моментом для данной теории служит тот факт, что человек, пытаясь познать новую для себя ситуацию или по-новому взглянуть на уже привычные вещи, выбирает из своей памяти некоторую структуру данных (образ), называемую нами фреймом, с таким расчетом, чтобы путем изменения в ней отдельных деталей сделать ее пригодной для понимания более широкого класса явлений или процессов.

Фрейм является структурой данных для представления стереотипной ситуации. С каждым фреймом ассоциирована информация разных видов. Одна ее часть указывает, каким образом следует использовать данный фрейм, другая – что предположительно может повлечь за собой его выполнение, третья – что следует предпринять, если эти ожидания не подтвердятся.

Фрейм можно представлять себе в виде сети, состоящей из узлов и связей между ними. «Верхние уровни» фрейма четко определены, поскольку образованы такими понятиями, которые всегда справедливы по отношению к предполагаемой ситуации. На более низких уровнях имеется много особых вершин-терминалов или «ячеек», которые должны быть заполнены характерными примерами или данными.

Каждым терминалом могут устанавливаться условия, которым должны удовлетворять его задания. Простые условия определяются маркерами, например, в виде требования, чтобы заданием терминала был какой-либо субъект, или предмет подходящих размеров, или указатель на субфрейм определенного типа. (Субфреймы, фреймы и суперфреймы - это иерархически упорядоченные элементы, образующие системы фреймов). Более сложными условиями задаются отношения между понятиями, включенными в различные терминальные вершины.

Группы семантически близких друг к другу фреймов объединены в систему фреймов. Результаты существенных действий представляются в виде трансформаций между фреймами системы. Это дает возможность моделировать такие понятия, как внимание и ценность информации, сделать более экономичными некоторые типы вычислений, а также показать эффективность использования фреймов в системах ИИ.

При зрительном восприятии образов системы фреймов используются следующим образом: различные фреймы соответствуют различным позициям наблюдателя, анализирующего одну и ту же сцену, а трансформации между ними отражают результаты перемещения наблюдателя из одного места в другое. Для систем других типов различия между фреймами могут соответствовать результатам выполнения каких-либо действий, определенным причинно-следственным связям между объектами внешнего мира или разным точкам зрения по одним и тем же вопросам. Одни н те же терминалы могут входить в состав нескольких фреймов системы – это один из центральных моментов теории, позволяющий согласовывать информацию, поступающую из различных источников.

Теория фреймов во многом выигрывает благодаря возможности использования в ней ожиданий и других видов предположений. Терминалы фрейма в обычном своем состоянии заполнены так называемыми «заданиями отсутствия» или заранее заготовленными значениями, т. е. сведениями о деталях (частностях), которые не обязательно должны присутствовать в какой-либо конкретной ситуации. Связь заданий отсутствия со своими терминалами не является жесткой и неизменной, поэтому они легко могут быть заменены другими сведениями, более подходящими к текущей ситуации. Задания отсутствия могут, таким образом, выполнять роль переменных, служить для аргументации с помощью примеров (что часто делает излишним применение логических кванторов), представлять информацию общего вида и описывать наиболее вероятные случаи, указывать на способы проведения полезных обобщений и т. д.

Системы фреймов связаны, в свою очередь, сетью поиска информации. Если предложенный фрейм нельзя приспособить к реальной ситуации, т. е. если не удается найти такие задания терминалов, которые удовлетворяют условиям соответствующих маркеров, сеть поиска информации позволяет выбрать более подходящий для данной ситуации фрейм. Подобные структуры дают возможность использовать в системах фреймов различные методы представления информации, что имеет особое значение для разработки механизмов понимания.

После выбора фрейма в процессе согласования терминалам присваиваются такие значения, которые удовлетворяют всем условиям соответствующих маркеров. Ход процесса согласования частично контролируется информацией, связанной с самим фреймом (включая указания на то, как реагировать на непредвиденные обстоятельства), и в значительной степени опытом решения аналогичных или близких по смыслу задач. Если согласование внешних данных с маркерами терминалов неудовлетворительное, то сведения, полученные на его основе, могут быть с успехом применены при выборе альтернативного фрейма. […]

Когда мы входим в комнату, нам кажется, что мы видим всю возникающую перед глазами картину с одного взгляда. В действительности же зрительное восприятие – это длительный процесс. На все требуется время: и на то, чтобы рассмотреть детали и собрать о них нужную информацию, и на то, чтобы, сделав предположения, проверить их и прийти к определенным заключениям, и на то, чтобы оценить полученные данные с учетом преследуемых целей, собственных знаний и ожиданий. Тем не менее, все это происходит настолько быстро и естественно, что невольно вызывает удивление и требует объяснений. […]

Ниже я приведу доводы в пользу того, что следующие один за другим символьные процессы могут объяснить суть явлений, которые нам кажутся мгновенными и завершенными и которые имеют место при анализе сцен. […]

Познание окружающего мира с помощью органов зрения кажется нам непрерывным. Одной из причин этого является наше постоянное движение. Более глубокое объяснение заключается в том, что обычно наши ожидания «гладко» взаимодействуют с нашим зрительным восприятием. Предположим, что вам пришлось выйти из комнаты, закрыть за собой дверь, затем вернуться, чтобы ее открыть и обнаружить совершенно другую комнату. Вы были бы поражены. Смысл этой перемены был бы едва ли менее поразительным, чем внезапное, на ваших глазах, изменение всего мира.

Наивная теория феноменологической непрерывности утверждает, что скорость зрительного восприятия настолько велика, что наши образы могут изменяться с такой же скоростью, как и видимые нами сцены. Ниже я отдаю предпочтение альтернативной теории: изменения в основанных на фреймах представлениях человека происходят со своей собственной скоростью; система фреймов предпочитает производить небольшие изменения, как только это становится возможным, а иллюзия непрерывности возникает вследствие постоянства заданий терминалов, общих для фреймов различных видов. Таким образом, непрерывность зависит от подтверждения ожиданий, что, в свою очередь, зависит от быстроты доступа к запомненным знаниям об окружающем нас мире.

Перед тем, как войти в комнату, вы уже заранее знаете, что увидите комнату, а не какой-нибудь пейзаж. Обычно можно указать на это по типу двери, так же как и выбрать заранее фрейм, соответствующий виду новой комнаты. Часто люди просто предполагают наличие какой-то конкретной комнаты. В этом случае значения многих заданий терминалов уже определены.

Самый простой вариант фрейма комнаты – это подобие пустой внутренности коробки. […]

Человек должен конкретизировать задания терминалов теми предметами, которые он видит. Если комната ему хорошо знакома, то некоторые задания уже заполнены данными (означены). В случае, когда отсутствуют какие-либо ожидания, на первой месте должно быть стремление выявить наиболее характерные геометрические признаки. Чтобы заполнить задания терминала «левая стена», можно вначале попытаться найти линии а и d, а затем углы ag и dg. Линию g найти в обычных условиях легко, поскольку она будет пересекаться при любом горизонтальном (на уровне глаз) осмотре помещения, проводимом слева направо. В конечном итоге углы ag, gb и bа должны соответствовать друг другу, так как все они являются частями одной и той же физической вершины.

Поскольку, однако, сам процесс восприятия является направлением, существуют основанные на знании и опыте полезные тактические схемы. Вероятно, границу е найти легче, чем любую другую, ибо, как только мы входим в обычную прямоугольную комнату, можно ожидать, что граница е является горизонтальной линией; она расположена ниже уровня глаз; она разделяет между собой пол и стену.

Если известны предполагаемые размеры комнаты, мы можем определить величину е и наоборот. В сценах открытых пространств линия е является горизонтом и на равнинной местности мы можем ожидать ее появления даже на уровне глаз. Если нам не удастся быстро найти этот горизонт и заполнить им соответствующее задание терминала, то следует рассмотреть отклонения, связанные с этим терминалом: возможно, что комната имеет какую-то необычную форму или, например, в ней находится крупный предмет – препятствие для визуального отыскания линии е.

Попытаемся обнаружить некоторые другие характерные признаки. Найдя линию е, следует заняться поиском ее левого и правого углов, а после этого вертикальных линий, исходящих из них. Как только будут обнаружены эти основные ориентиры, можно представить себе общую форму и размеры комнаты. Это может привести к выбору нового фрейма, который лучше согласуется с найденными формой и размерами объекта наблюдения благодаря маркерам, подтверждающим сделанный выбор и уточняющим структуру объекта с помощью дополнительных деталей.

Конечно, совершенная система зрительного восприятия должна анализировать сцену не просто как отдельную картину, а в соответствии с некоторыми установками фрейма более общего вида. Чтобы сам процесс восприятия протекал без затруднений, человек должен знать, где во внешнем и постоянно-меняющемся мире находится каждая нужная ему деталь. Это позволяет компенсировать трансформации в системах фреймов от перемещений глаз и головы, от изменений в положении туловища так же, как и от его более значительных перемещений с одного места в другое. […]

Если новая комната знакома недостаточно хорошо, то ни один заранее сформированный фрейм не может содержать сведения обо всех мелких деталях; в подобных случаях требуется проводить более глубокий анализ сцен. Однако объем работы и здесь может быть во многом уменьшен благодаря наличию таких субфреймов, с помощью которых можно выдвигать гипотезы о структуре и связях реальных объектов. Насколько эти субфреймы-ожидания могут быть полезны, зависит как от их адекватности рассматриваемому предмету, так и от качества процесса согласования, который устанавливает очередность сопоставления субфреймов с действительностью. Они многое могут сказать даже о малознакомой комнате. Большинство комнат подобны коробкам, и их следует классифицировать по типам: кухня, зал, жилая комната, аудитория и т.д. Человек знает десятки разновидностей комнат, и ему известны сотни их конкретных видов; нет сомнения в том, что они организованы во что-то типа сети подобия для того, чтобы обеспечить быстрый доступ к этой информации.

Типичный фрейм комнаты включает в себя терминалы трех или четырех видимых стен, каждая из которых может относиться к различным типам, например к стенам с окнами, с полками, картинами и камином. У каждой разновидности комнат свои типичные стены. Представление обычной стены может содержать массив терминалов размером (3Х3): (левая часть - центр - правая часть) X (верхняя часть - средняя часть - нижняя часть), так что для предметов, относимых к стенам, можно качественно задавать их местоположение. Это может использоваться для локализации объектов с помощью внутренних пространственных отношений, например, чтобы представить такой факт, как «Y находится немного выше центра прямой, которая связывает Х с Z».

Если в трехмерном пространстве известно только направление восприятия (иначе, оптическая ось), то положение какого-либо элемента изображения, задаваемое соответствующим субфреймом, будет неопределенным. Линия, находящаяся в центральной части изображения, может принадлежать предмету, расположенному на передней стене комнаты, а может относиться к высокому объекту, находящемуся перед этой стеной; сами же объекты, очевидно, связаны с разными субфреймами. Решение об интерпретации линий может зависеть от обоснованных доказательств в пользу того или иного варианта, от более точной визуальной информации, полученной по данным стереовосприятия или двигательного параллакса, а также от той правдоподобной информации, которая может быть получена от других фреймов.

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. […]

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 […] 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. […]

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». […]

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. […]

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 действия «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.

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. […]

Теория зрительного восприятия должна быть, по нашему мнению, одновременно и теорией воображения, поскольку и та, и другая имеют одни и те же конечные цели: конкретизацию заданий терминалов фреймов. Каждый из нас согласится с Д.Хьюмом в том, что имеется различие между зрительным восприятием и ощущениями. Д.Хьюм утверждает, что это различие проистекает вследствие того, что восприятие по своей природе является мгновенным и непосредственным, тогда как вызываемые в памяти образы получаются рекомбинацией заполненных «впечатлений», а при хранении, поиске и преобразованиях этих структур каким-то образом теряется их выразительность. Я предполагаю, что зрительное восприятие кажется более живым, нежели воображение, ибо его задания менее подвижны. Они более стойко сопротивляются попыткам других процессов изменить их. Для того, чтобы изменить описание непосредственно видимой сцены, наша система зрительного восприятия, вероятно, будет вынуждена изменить эту сцену - ни больше и ни меньше. Для человеческой фантазии, конечно же, подобных жестких ограничений не существует.

В то же время сами «зрительные» задания не являются абсолютно негибкими; любой может научиться в уме изменять, представленную на чертеже изометрию куба. Существуют так называемые «двусмысленные» фигуры, которые можно легко описать различным образом. В этом случае изменение фрейма равнозначно изменению «описательной точки зрения», причем действие или преобразование носит символьный, а не физический характер. В любом случае существуют такие психические состояния, при которых фантазии менее гибки, чем «непосредственные восприятия», а иногда даже и более «ярки». […]

Как мы уже упоминали, целью работы механизмов восприятия и воображения является конкретизация заданий терминалов фреймов, при этом воображение оставляет человеку больший простор для выбора деталей и различных вариантов этих заданий. По-видимому, фреймы никогда не хранятся в долговременной памяти с незаданными значениями своих терминалов. Каждый терминал фрейма в действительности непрочно связан со своими заданиями отсутствия, которые чаще всего бывают полезны, но иногда могут препятствовать процессу поиска нужного фрейма.

Так, если вам скажут: «Джон ударил ногой по мячу», то, видимо, вы не думаете о каком-то чисто абстрактном мяче, а представите себе вполне определенные его характеристики: размер, цвет, массу, которые, однако, пока еще неизвестны. Возможно, что возникший в вашей памяти образ чем-то напоминает вам самый первый мяч или тот, которым вас больно ушибли, или, может быть, тот самый последний мяч, который вы держали в своих руках. В любом случае вашему воображению недостает остроты (эффекта «присутствия»), поскольку те процессы, которые контролируют ход согласования и оказывают влияние на непрочно связанные с терминалами задания отсутствия, только лишь подтверждают или отвергают их пригодность и не имеют связи с реальной действительностью.

Задания отсутствия должны оказывать тонкие, идеосинкразические воздействия на те мыслительные операции, с помощью которых человек проводит аналогии, делает обобщения и вырабатывает суждения, особенно когда внешние влияния на них достаточно слабы. При правильном выборе эти стереотипы могут служить в качестве хранилища ценных набросков планов, в противном случае они могут образовывать наборы иррациональных данных парализирующего действия. […]