AI的多重知識(shí)表達(dá)

潘云鶴

a Institute of Artificial Intelligence, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China b Zhejiang Lab, Hangzhou 311121, China

20世紀(jì)70年代認(rèn)知心理學(xué)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，長(zhǎng)期記憶的內(nèi)容應(yīng)為語(yǔ)義和情景的集成[1]，并被分別編碼為言語(yǔ)和心象的表征[2]。1991年，筆者在論文《形象思維中的形象信息模型的研究》[3]中指出，并非所有言語(yǔ)命題都能從言語(yǔ)系統(tǒng)中推理而獲得，很多只能從形象系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化而來(lái)。兩個(gè)月前，筆者在論文《論視覺(jué)知識(shí)》[4]中提出了視覺(jué)知識(shí)（VK）的概念，它包括視覺(jué)概念、視覺(jué)命題和視覺(jué)述事。視覺(jué)知識(shí)可以模擬人在大腦中能對(duì)心象進(jìn)行的各種時(shí)空操作，如設(shè)計(jì)過(guò)程就充滿(mǎn)了此類(lèi)操作[5]。

而且，令人可喜的是，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)也已經(jīng)提供了表達(dá)和推演視覺(jué)知識(shí)的有關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)。為此，當(dāng)今AI的研究者需要把視野從傳統(tǒng)的AI領(lǐng)域（包括深度學(xué)習(xí)），擴(kuò)大到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等密切相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，這三個(gè)領(lǐng)域的研究者特別需要聯(lián)手研究視覺(jué)知識(shí)。當(dāng)視覺(jué)知識(shí)在AI中登堂入室之后，原先那些大量無(wú)法用言語(yǔ)系統(tǒng)的推理得出的言語(yǔ)命題，就可能從視覺(jué)知識(shí)轉(zhuǎn)化而來(lái)。所以，用言語(yǔ)知識(shí)和視覺(jué)知識(shí)的雙重表達(dá)，能更完整地描述世界的存在與發(fā)展，解決更復(fù)雜的智能計(jì)算問(wèn)題。由此觀之，視覺(jué)知識(shí)的表達(dá)與推演是AI走向2.0的重要技術(shù)[6]。

建立視覺(jué)知識(shí)之后，在AI 2.0中的知識(shí)就有了三種表達(dá)。現(xiàn)列出這三種知識(shí)的表達(dá)與處理方法如下。

（1）知識(shí)的言語(yǔ)表達(dá)。其特點(diǎn)是使用符號(hào)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)清晰，語(yǔ)義可理解，知識(shí)可推理。其典型例子如語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)圖譜等。

（2）知識(shí)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)。其特點(diǎn)是適用于圖像、音頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分類(lèi)與識(shí)別。缺點(diǎn)是語(yǔ)義解釋困難。其典型例子如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep neural network, DNN）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network, CNN）等。

（3）知識(shí)的形象表達(dá)。其特點(diǎn)是適用于圖形、動(dòng)畫(huà)等形狀、空間、運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。知識(shí)的結(jié)構(gòu)清晰，語(yǔ)義可解釋?zhuān)R(shí)可推演。其典型如視覺(jué)知識(shí)等。

這三種知識(shí)表達(dá)之間的關(guān)系和傳統(tǒng)AI中已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的多種知識(shí)表達(dá)技術(shù)，如規(guī)則、框架、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)等之間的關(guān)系，有著本質(zhì)的不同。因?yàn)锳I的這三種表達(dá)是針對(duì)人類(lèi)記憶中的三種不同的內(nèi)容，現(xiàn)說(shuō)明如下：

（1）知識(shí)圖譜——語(yǔ)義的記憶內(nèi)容，宜用于字符檢索與推理；

（2）視覺(jué)知識(shí)——情景的記憶內(nèi)容，宜用于時(shí)空推演與顯示；

（3）深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——感覺(jué)的記憶內(nèi)容，宜用于對(duì)原始數(shù)據(jù)作逐層抽象的分類(lèi)。

其中，（1）和（2）與人類(lèi)長(zhǎng)期記憶中的兩大內(nèi)容——言語(yǔ)的和心象的編碼方式相對(duì)應(yīng)。其中，（3）與人類(lèi)短期記憶中的感知內(nèi)容相對(duì)應(yīng)。因此，上述三種知識(shí)表達(dá)具有如同人類(lèi)記憶中的信息特點(diǎn)一樣，具有內(nèi)容系統(tǒng)互補(bǔ)的特點(diǎn)，它們是需要被同時(shí)使用的，因此組成為三重知識(shí)表達(dá)。

除了信息內(nèi)容與使用的互補(bǔ)之外，上述三重表達(dá)的另一重要性質(zhì)是它們之間的相互聯(lián)系與相互支持。視覺(jué)知識(shí)通過(guò)投影變換可以將三維圖形或動(dòng)畫(huà)信息轉(zhuǎn)化為圖像或視頻信息。反之，通過(guò)3D重建技術(shù)，也可以將圖像或視頻信息轉(zhuǎn)化為3D圖形或動(dòng)畫(huà)信息。

視覺(jué)知識(shí)的語(yǔ)義是很清晰的，因此，可以用符號(hào)檢索與匹配等技術(shù)把視覺(jué)知識(shí)與知識(shí)圖譜進(jìn)行語(yǔ)義的對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。也就是說(shuō)，視覺(jué)知識(shí)與知識(shí)圖譜中的情景信息與語(yǔ)義信息的聯(lián)系，可以通過(guò)表達(dá)的結(jié)構(gòu)（指針）模型來(lái)實(shí)現(xiàn)；視覺(jué)知識(shí)與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所用的圖像與視頻數(shù)據(jù)的聯(lián)系可以用重建與變換計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。

上述三重知識(shí)表達(dá)之間的互相聯(lián)系與支持關(guān)系，以“貓”為例，如圖1所示。

圖1中的知識(shí)圖譜表達(dá)了貓的種屬上下關(guān)系；視覺(jué)知識(shí)表達(dá)了貓的形體、結(jié)構(gòu)和動(dòng)作等時(shí)空特征；深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)了對(duì)所提供的貓的正負(fù)樣本圖像判別的一種抽象。

其實(shí)，當(dāng)貓的圖像符合其某種系統(tǒng)要求時(shí)（如同一貓的不同觀察視角），這些圖像也可以重建為視覺(jué)知識(shí)。視覺(jué)知識(shí)可以通過(guò)變換（幾何、投影、動(dòng)作變換等）生成各種貓的圖像供DNN學(xué)習(xí)。通過(guò)視覺(jué)知識(shí)與知識(shí)圖譜聯(lián)系可推知，因?yàn)樨?、虎、豹同屬貓科?dòng)物，所以具有類(lèi)似的形體、結(jié)構(gòu)與動(dòng)作。因此，貓的視覺(jué)知識(shí)可通過(guò)合適的修改而形成虎、豹的視覺(jué)知識(shí)，這就以容易理解的方式實(shí)現(xiàn)了遷移學(xué)習(xí)的功能，也為小數(shù)據(jù)下的知識(shí)學(xué)習(xí)（如少樣本、零樣本學(xué)習(xí)）的小數(shù)據(jù)與模型的通用化打開(kāi)了一扇大門(mén)。

本文提出由知識(shí)圖譜、視覺(jué)知識(shí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成的AI三重知識(shí)表達(dá)的結(jié)構(gòu)。其中的知識(shí)圖譜、視覺(jué)知識(shí)分別擅長(zhǎng)于處理字符性?xún)?nèi)容和形象性?xún)?nèi)容，DNN擅長(zhǎng)對(duì)感性數(shù)據(jù)作層次抽象，并分別對(duì)應(yīng)于模擬人類(lèi)大腦中對(duì)長(zhǎng)期記憶和短期記憶中的信息加工與處理。它們彼此能相互銜接、相互支持，從而有利于知識(shí)表達(dá)與推理等智能計(jì)算的可解釋性、可推演性和可遷移性的實(shí)現(xiàn)。

圖1 . 貓的三元知識(shí)表達(dá)及其關(guān)系。

致謝

莊越挺、吳飛、耿衛(wèi)東、湯斯亮等教授為本文提供寶貴意見(jiàn)，特此表示感謝。