Искусственный интеллект: создание понятий на основе зрительного восприятия

Кузник В.М. (nkuznik@yandex.ru)

Поволжский филиал Российского государственного открытого технического университета путей сообщения

Введение. Многие понятия, которые мы (т. е. носители естественного интеллекта) используем, имеют два смысла. Первый указывает на конкретный объект. Второй указывает на совокупность объектов. Можно сказать, что первый указывает на экземпляр класса, а второй определяет сам класс. Слово треугольник указывает или на конкретный объект или на класс объектов, состоящий из всех треугольников. Трудность не в том, что могут совпадать слова, обозначающие оба этих смысла, а в самом создании понятий, обозначающих класс. Чтобы какое-нибудь устройство можно было назвать искусственным интеллектом, оно самостоятельно должно уметь создавать новые понятия, в том числе и более сложные, например, многоугольник. Чувственно воспринимаемого предмета многоугольник существовать не может, он может существовать только как понятие. Проблема в том, что эта задача должна быть решена искусственным интеллектом, не опираясь ни на какую заранее написанную программу. Можно попытаться передать понятие искусственному интеллекту в процессе обучения, но при этом возникают две трудности. Во-первых, проблема все равно появится, хотя и на более высоком уровне восприятия. Во-вторых, и это является очень важным, обучение следует начинать ab ovo. Искусственный интеллект обязан создавать понятия непосредственно из наблюдаемых объектов. Это означает, что из наблюдения, например, за деревом, собакой или человеком, ИИ (искусственный интеллект) должен уметь создать соответствующие понятия, т. е. образцы, с помощью которых и будет устанавливаться принадлежность конкретного предмета к какому-либо классу.

Понятие определяется как совокупность общих и специфических признаков, в соответствии с которыми происходит выделение класса (1). Но вопрос в том, каким образом искусственный интеллект может выделить сами признаки, опираясь только на восприятие. Именно подход к решению этого вопроса рассматривается в данной работе.

ИИ и внешний мир. Предметом исследования любого ИИ является внешний мир, сведения о котором он получает от своих органов чувств . Часть внешнего мира, наблюдаемая в любой момент времени, будем называть картиной. Изучаемый предмет в картине назовем фокусом внимания. Образом будем называть объект, созданный искусственным интеллектом в оперативной памяти на основе наблюдения за предметом.

ИИ должен обладать набором способностей, которые уместно назвать врожденными . Перечислим только те из них, которые понадобятся в данной работе:

1. информацию искусственный интеллект может одновременно принимать по нескольким каналам, один из которых является визуальным и служит для формирования образа предмета.

2. ИИ способен фокусировать внимание на отдельном предмете. Это означает, что образ предмета в памяти ИИ становится активным, и любое следующее действие будет связано с этим образом.

3. ИИ способен фокусировать внимание на множестве однородных предметов.

Фокус внимания может быть отдельным и чем-то отличным от других предметом или представлять собой множество. Множество можно определить как предмет, состоящий в свою очередь из какого-то количества лишенных индивидуальности предметов, распределенных примерно с одинаковой плотностью.

Конечно, важно знать причины, вследствие которых происходит установление фокуса внимания, но сейчас это обсуждаться не будет. Установление фокуса внимания означает, что предмет выделяется из картины и при этом возможны следующие последствия:

1. предмет не будет узнан, и его образ станет основой для создания нового понятия;

2. предмет будет узнан и отнесен к уже существующему классу.

Создание нового понятия. Постулируем, что создание нового понятия возможно только тогда, когда одновременно с объектом-образом наблюдаемого предмета создается его объект-имя, формируемое в соответствии с информацией, поступающей по другому каналу, и при этом с высокой степенью вероятности возникает связь образ - имя. Оба объекта предполагаются совершенно независимыми друг от друга в том смысле, что любые изменения одного из них никак не будут влиять на другой, и только связь между ними не будет претерпевать никаких изменений. Функционально связь служит единственно для активизации объекта-

имени в случае, если активизирован объект-образ. Эта связь и является новым понятием.

Совершенно не обязательно, чтобы сигнал, одновременно поступающий по второму каналу и формирующий имя, в реальности был физически связан с предметом, для которого создается понятие. Это может быть случайный сигнал, хотя, разумеется, должны существовать условия, при которых вероятность создания понятия становится наиболее высокой. Имя может быть сформировано также благодаря учебе. Под учебой здесь понимается общение с искусственным интеллектом, в процессе которого целенаправленно образ предмета сопоставляется с одновременно передаваемым именем, например, по звуковому каналу.

Предложенная конструкция вполне соответствует приведенному определению понятия. Действительно, существует признак (в данном случае образ предмета), в соответствии с которым происходит выделение класса, и существует имя класса. Если искусственный интеллект располагает программой распознавания образов, то он вполне способен при каждой встрече распознать тот самый предмет, который послужил основой для созданного понятия. В этом случае образ предмета становится активным, и это приводит к активизации связи образ - имя. Предмет в результате соотносится со своим классом. Предложенная процедура в сущности означает только то, что реальный предмет в сознании искусственного интеллекта отождествляется с именем. Это дает значительное преимущество тогда, когда оперировать с именем значительно проще, чем непосредственно с образом.

Что же касается других предметов, то каковы бы они не были, утверждать, что они будут опознаны, нельзя, даже если они с точки зрения человека образуют один класс. С уверенностью можно утверждать только то, что созданному понятию соответствует один экземпляр класса. В логике такое понятие называется единичным (1). Конечно, и в природе, и в том, что сделано руками человека, можно встретить классы практически неразличимых предметов и для них созданное понятие прекрасно себя зарекомендует. Но реально в созданном классе окажется только один предмет, в то время как другие не будут опознаны.

Причина тривиальна - образ конкретного предмета, как правило, содержит избыточную информацию, которая придает ему индивидуальность. Заранее неизвестно, какую информацию следует считать достаточной для создания понятия, а какую избыточной. Поэтому два или более предметов, которые, по мнению человека, могут принадлежать одному классу, с точки зрения рассмотренного устройства окажутся в разных классах, то есть образуют разные

понятия. Можно сказать иначе - если для какого-нибудь устройства всегда заранее известно, какая информация является достаточной для создания понятий, то это устройство не является искусственным интеллектом.

Следует выяснить, может ли предложенная конструкция стать основой создания классов так, как они понимаются человеком, или, говоря языком логики, общих понятий (1) для любых предметов, которые могут встретиться искусственному интеллекту. Это значит, что искусственный интеллект должен каким-то способом фильтровать информацию, оставляя в объекте-образе только необходимую ее часть и удаляя при этом избыточную. Естественным кажется предположение, что при опознавании предмета сравнение следует проводить, принимая во внимание только те признаки, которые остались в образе.

Как работает фильтр. Перечислим свойства, которыми должен обладать фильтр:

1. он должен быть универсальным, то есть подходить для любого предмета;

2. он должен быть эффективным, то есть должен работать при любых условиях;

3. его действие не должно зависеть от индивидуальной истории искусственного интеллекта, иначе невозможно объяснить появление самого первого понятия, способного образовать класс из более чем одного предмета;

4. его работа начинается, как только образ теряет активность и прекращается только при активизации образа.

Осталось сделать последнее замечание: работа фильтра предполагается зависимой только от времени и чем продолжительней она будет, тем меньше информации будет содержать образ. При достаточно большой продолжительности работы фильтра образ будет полностью удален из памяти, то есть образ не был востребован искусственным интеллектом, так как не нашлось ни внутренних, ни внешних причин, которые могли бы его активизировать.

Обратим внимание - фильтр не располагает критерием, в соответствии с которым информация разделяется на избыточную и необходимую. Но в этом нет нужды. Информация, которая на данный момент содержится в образе, и является необходимой. Напомним, что целью является создание понятий только на уровне зрительного восприятия. Фильтры более высокого уровня будут обсуждены в следующих работах.

Описанный процесс фильтрации предполагает, что искусственный интеллект должен быть наделен умением забывать информацию так же, как это присуще человеку. Однако сказанное имеет смысл только в том случае, если существует вполне определенное и одинаковое для всех предметов правило, в соответствии с которым происходит забывание. Это значит, что любой образ содержит иерархию более и менее значимых для зрительного восприятия деталей, забывание которых происходит в соответствии с этой иерархией. Например, вероятность забывания внутреннего контура больше, чем внешнего. Индивидуальные различия внутри класса значительно меньше различий между классами, и будут забываться в первую очередь. В результате образ теряет индивидуальное сходство с предметом, породившим понятие, и при встрече с другим похожим предметом ИИ может его опознать как принадлежащий соответствующему классу.

Конечно, большое значение имеет процедура сравнения образа с предметом. В следующей работе будет предложена модель устройства, способного создавать понятия на основе зрительного восприятия, и будут обсуждены некоторые вопросы, связанные с распознаванием. Обратим внимание - для создания понятий непосредственно из зрительного восприятия нет необходимости использовать нечеткую логику (2), как, впрочем, и обычную логику.

Если какой-либо предмет из уже существующего класса получает собственное имя, то появляется новое единичное понятие. Предмет будет соответствовать обоим понятиям, но при встрече с ним активным должен стать образ, наиболее точно соответствующий оригиналу. Понятие, соответствующее собственному имени, сохранится при достаточно высокой частоте встреч.

Естественно предположить, что время жизни понятия зависит от индивидуальной истории искусственного интеллекта. Чем больше продолжительность периодов, в течение которых понятие является активным, тем оно более устойчиво к забыванию и тем больше продолжительность его жизни.

Любые два связанных объекта могут рассматриваться как понятие, независимо от их происхождения, в том числе независимо от физического способа общения с внешним миром. Возможно, что иногда достаточно получать информацию по одному каналу, например, при связывании двух одновременно наблюдаемых визуально предметов, причем один из них является достаточно простым, чтобы служить меткой.

Создание сложных понятий. Хотя работа посвящена конструированию понятий на основе зрительных ощущений, этот вопрос невозможно обойти по очевидной причине. Понятия, созданные как на чувственном, так и на интеллектуальном уровнях, должны восприниматься и использоваться искусственным интеллектом совершенно равноправно. Сложные понятия поэтому должны быть устроены точно так же, как и полученные на чувственном уровне, а это значит, что новое понятие может быть образовано, если одновременно становятся активными два существующих до этого момента объекта-имени, например, по следующей схеме:

В результате возникают цепи из объектов-имен, которые можно рассматривать как заготовки для возможного процесса мышления.

Забывание чего-либо не означает полную потерю информации. Остается воспоминание о существовании чего-то и это знакомо каждому, кто хотя бы один раз что-нибудь забывал. Содержание может исчезнуть, но останутся связи с пустым объектом. Эта ситуация сама по себе является причиной создания новых понятий, так как может возникнуть необходимость заполнения пробела в памяти. Например, конкретное число при забывании может быть заменено понятием много , и так можно объяснить появление понятия многоугольник . Многоугольник может быть также создан по аналогии с другими понятиями, содержащими слово много , но какое-то из них должно было быть первым в этом ряду.

Забыванием можно объяснить и факт выделения образа предмета из картины. Но остаются связи, то есть воспоминание о том, что он был в какой-то картине.

Появление индивидуального сознания нельзя объяснить только забыванием, но и без него, видимо, создать искусственный интеллект невозможно. Для развития интеллекта оно играет ту же роль, что и естественный отбор для развития биологического вида -совершенствует понятия или удаляет их.

Понятие и условный рефлекс. Создание условных рефлексов у высших животных (3) похоже на описанную здесь процедуру. Но есть существенная разница. Появление условного рефлекса - это появление связи между вновь созданным объектом и постоянно активным участком мозга, ответственным за управление физиологическим процессом, в то время как понятие связывает объекты, имеющие отношение не к жизнедеятельности, а к сигналам из внешнего мира. И.П. Павлов утверждал, что условный рефлекс к мыслительному процессу никакого отношения не имеет и был прав. Но если обратить внимание не на конкретную функцию условного рефлекса, а на условия, выполнение которых делает его появление неизбежным, то родство конструкций понятия и условного рефлекса становится очевидным. В обоих случаях присутствуют два одновременно активных объекта, что является причиной установления связи. Можно предположить, что физиологами это не было замечено потому, что один из этих объектов активен всегда или почти всегда. Но остается вопрос, почему вероятность появления понятий у человека весьма высока притом, что его мозг содержит довольно много постоянно активных объектов, управляющих различными процессами в организме. Ответ оказывается простым. Объект, созданный внешним сигналом имеет приоритет при создании связи, и если одновременно появляются два таких объекта, то оба имеют одинаковый приоритет и связь создается между ними.

Выводы. Единственной основой появления понятия является одновременность каких-либо событий. Не имеет значения, являются ли эти события реальными или представляют собой активные объекты в памяти искусственного интеллекта. Создание понятия означает создание связи между активными независимыми объектами. Это решает проблему, которую, несомненно, нельзя решить никаким другим способом. В самом деле, до появления первого понятия никакими связями, в том числе и причинно-следственными, искусственный интеллект не обладает. И только одновременность событий является тем критерием, выполнение которого позволяет установить первую и последующие связи.

Предложенная бинарная схема создания понятий, является, с одной стороны, наиболее простой из всех возможных, с другой -позволяет получать сколь угодно сложные понятия. Поэтому начальным этапом в создании ИИ должно стать создание устройства, изучающего внешний мир с помощью двух информационных каналов и способного устанавливать связи между активными объектами. Устройство должно иметь фильтр,

реализующий забывание, и систему распознавания образов. Идеально устройство не должно содержать каких-либо программ, иначе говоря, принципы работы следует реализовать на аппаратном уровне. Чем меньше софта, тем больше интеллекта. Но вначале, возможно, системы забывания и распознавания придется создавать в виде программ.

Независимость объектов может быть обеспечена, если устройство является многопроцессорным. Это принципиально, поскольку только в этом случае объекты могут быть одновременно активными.

В более отдаленной перспективе следует ожидать появление устройств, исключительно эффективно реагирующих на одновременные события в окружающем мире и располагающих иерархией фильтров, способных выделять и сохранять созданные понятия. Образно говоря, развитие интеллекта начинается не с подъема на вершину, а со спуска. И только с некоторого момента возможен подъем, причем в ином направлении. Проявления интеллекта связано с появлением фильтров на уровне понятий. При достаточно высокой организации устройства они не могут не возникнуть, так как логика их появление связана с индивидуальной историей искусственного интеллекта так же, как появление высокоорганизованного мозга связана с историей вида.

Работа фильтров начинается с момента восприятия и осуществляется по звуку, освещенности, цвету, движению и т. д., позволяя выбрать фокус внимания. Не все одновременные события способны создать понятия на основе чувственного восприятия, а только те, которые удовлетворяют заложенным в фильтрах критериям с учетом приоритетов, позволяющих выбрать самые значимые. Работа фильтров не прекращается с прекращением восприятия предмета или явления, пример тому - забывание, которое освобождает память от случайных или неиспользуемых понятий и способно создавать классы так, как они понимаются человеком. Некоторые критерии и приоритеты являются врожденными , например, реакция на движение. Другие могут появиться благодаря индивидуальному опыту, как это будет показано в следующих работах.

Создание фильтров при конструировании искусственного интеллекта является в инженерном отношении хотя и необычайно сложной, но ясной по своим целям и задачам проблемой. Этого нельзя сказать о создании некоего алгоритма или супералгоритма, способного создавать любые другие алгоритмы, как часто определяют искусственный интеллект. Невозможность создания

такого алгоритма должна быть постулирована, как и невозможность создания вечного двигателя.

Литература

1. Ивлев Ю.В. Логика. Изд-во Логос, 2000, - 272 с.

2. L.A. Zadeh Fuzzy sets.- Information and Control.- 1965.- 8, 3, 338-353.

3. Физиология центральной нервной системы. - М.: Изд-во МГУ, 1997.-397c.