Objektlokalisation: Ein System zur sprachlichen Raumbeschreibung

252 Pages·1997·7.232 MB·German

by  Klaus-Peter Gapp (auth.)

Klaus-Peter Gapp
Objektlokalisation
"Studien zur Kognitionswissenschaft"
Herausgegeben von Christopher Hobel
und Gerd Rickheit
In der Reihe
Studien zur Kognitionswissenschaft
werden Arbeiten veröffentlicht, die die Forschung in die
sem Bereich theoretisch und empirisch vorantreiben.
Dabei gibt es grundsätzlich keine Beschränkung in der
Wahl des theoretischen Ansatzes oder der empirischen
bzw. simulativen Methoden.
In der Kognitionswissenschaft werden Prozesse der visu
ellen und auditiven Wahrnehmung, der Problemlösung,
der Handlungsplanung und Handlungsdurchführung
sowie die Mechanismen der Sprachbeherrschung the
matisiert, und zwar im Hinblick auf Menschen und Ma
schinen. Entsprechend werden Struktur, Dynamik und
Genese kognitiver (menschlicher und maschineller) Sy
steme untersucht, wobei Aspekte der Repräsentation,
der Produktion und der Rezeption beachtet werden. Es
sollen Arbeiten in dieser Reihe erscheinen, die die men
talen Leistungen und die Prozesse, die sie hervorbrin
gen, unter der Perspektive der Informationsverarbeitung
untersuchen und sie als Berechnungsvorgänge bzw.
deren Resultate verstehen.
Klaus-Peter Gapp
Obiektlokalisation
Ein System zur sprachlichen Raumbeschreibung
Mit einem Geleitwort von
Prof. Dr. Wolfgang Wahlster
~ Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Gapp, Klaus-Peter
Objektlokalisation : ein System zur sprachlichen Raumbeschrei
bung / Klaus-Peter Gapp. Mit einem Geleilw. von Wolfgang
Wahlster. - Wiesbaden : Dt. Univ.-Verl., 1997
IDUV : Kognitionswissenschaft)
Zugl.: Saarbrucken, Univ., Diss., 1996 u.d.T.: Gapp, Klaus
Peter : Ein Objektlokalisationssystem zur sprachlichen Raum
beschreibung in dreidimensionalen Umgebungen
ISBN 978-3-8244-4215-7 ISBN 978-3-663-01531-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01531-4
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1997
UrsprUnglich erschienen bei Deutscher Universitats Verlag 1997
Lektorat: Claudia Splittgerber
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Gedruckt auf chlorarm gebleichtem und saurefreiem Papier
Vorwort
Das Ziel des vorliegenden Buches ist die Konzeption und Realisierung eines Ob
jektlokalisationssystems OLS, das Wo-Fragen über dreidimensionale Szenarien durch
natürlichsprachliche Raumbeschreibung so beantwortet, daß der Fragende das inten
dierte Objekt möglichst schnell, leicht und sicher identifizieren kann. Die automati
sche Objektlokalisation ist für viele Anwendungsbereiche der Informatik von großer
Bedeutung, z.B. beim Retrieval in großen Multimedia-Datenbanken, wo es um die
Lokalisation von bestimmten Bildelementen in Fotos, Filmen oder 3D-VR-Welten
geht. Auch beim Zugriff auf geographische Informationssysteme, bei der Nutzung
von Fahrernavigationssystemen und bei der Sprachsteuerung von Service-Robotern
spielt die möglichst natürliche Verbalisierung von Lokationen eine immer wichtigere
Rolle. Bisher gab es hauptsächlich ad hoc-Verfahren mit sehr begrenztem Sprachin
ventar, wobei die vom System verwendeten Bedeutungsdefinitionen für räumliche
Sprachbeschreibungen oft so stark vom alltagssprachlichen Gebrauch abwichen, daß
es leicht zu Mißverständnissen in der Mensch-Maschine-Kommunikation kommen
konnte.
Das sehr anspruchsvolle Ziel von Herrn Gapp war es, die Semantik der 76 häufig
sten Lokalpräpositionen und -adverbien referenzsemantisch so zu formalisieren, daß
ein möglichst universelles Modell für statische Raumbeschreibungen entsteht, das
sich bezüglich seines Ein-/ Ausgabeverhaltens auch empirisch validieren läßt. Im Sin
ne eines Turingtests sollte das implementierte Modell eine geringere Abweichung in
der Raumdeskription aufweisen als die Standardabweichung, die sich in empirischen
Tests mit Probanden interindividuell ergibt.
Die Arbeit entstand in unserem interdisziplinären Graduiertenkolleg "Kogniti
onswissenschaft" und meinem Projekt REAL im Sonderforschungsbereich 378 "Res
sourcenadaptive kognitive Prozesse". Obwohl der Schwerpunkt der Arbeit eindeutig
im Bereich der kognitionswissenschaftlich orientierten Informatik liegt, enthält sie
wichtige Bezüge zur Computerlinguistik und Kognitionspsychologie.
Sehr überzeugend ist die frühzeitige Dekomposition der Aufgabe in zwei Teilziele:
die Selektion eines geeigneten Referenzobjektes und die Berechnung einer räumli
chen Relation zwischen dem zu lokalisierenden Objekt und dem ausgewählten Re
ferenzpunkt. Eindrucksvoll ist der Abdeckungsgrad der Formalisierung, die den ele
mentaren und kompositionalen Gebrauch von Distanz- und Richtungsrelationen fast
vollständig abdeckt. Die Kernbedeutung von 76 statischen Raumrelationen wird auf
die drei essentiellen Parameter Distanz, Richtungsabweichung und Ausdehnung des
Referenzobjektes aufgebaut.
Aus der Sicht der Informatik ist die automatische Generierung von Bewertungs
funktionen u.a. für Richtungsabweichungen für das vorgeschlagene Berechnungsmo
dell direkt aus den experimentellen Ergebnissen und die damit erzielte Modelladap
tion durch dynamisches Feedback eine ausgezeichnete Idee. Die Versuchsauswertung
bestätigt die Grundannahmen des Berechnungsmodells von Herrn Gapp, daß bei der
Enkodierung die Richtungsabweichung von der Optimalachse und die Ausdehnung
des Referenzobjektes, nicht aber die Distanz der betrachteten Objekte signifikant
die Anwendbarkeitsräume projektiver Relationen beeinflussen. Insgesamt gelingt es
Herrn Gapp zu zeigen, daß sein Modell den Turingtest im Versuchsszenario besteht,
da die Systemausgaben von menschlichen Relationenbewertungen nicht unterscheid
bar sind. Neben der Behandlung räumlicher Relationen spielt die Selektion von Re
ferenzobjekten eine wesentliche Rolle bei der Raumreferenz, wobei Herr Gapp das
bisher komplexeste Modell zur merkmalsbasierten Bestimmung des besten Referenz
objektes vorlegt.
Er integriert dabei acht Merkmale, die er kontextabhängig in einem Qualitätsmaß
gewichtet: visuelle Salienz, Mobilitätsgrad, inhärente Objektorientierung, Störobjek
te, Distanz, funktionale Abhängigkeiten, Vorwissen und Vorerwähntheit. Neuartig
ist auch die explizite Berücksichtigung von mehreren Störobjekten aufgrund ihres
flächenmäßigen Abschirmungsgrades in bezug auf das Relatum.
Ein besonderes Leistungsmerkmal ist die Möglichkeit, OLS unter Anytime
Bedingungen zu betreiben. OLS garantiert eine monotone Qualitätssteigerung
bei zeitbeschränkter Objektlokalisation. Die Ressourcenadaptivität wird durch die
Möglichkeit zur Priorisierung der Merkmalsverarbeitung bei der Bestimmung be
ster Referenzobjekte und den hohen Grad der Nebenläufigkeit des implementierten
Modells hervorragend unterstützt.
Insgesamt stellt die vorliegende Arbeit einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg
zu einer formalen und operationalisierbaren Theorie der Raumreferenz dar. Herr
Gapp hat mit seinem algorithmischen Modell räumlicher Relationenbestimmung und
der Selektion bester Referenzobjekte ein Stück Pionierarbeit geleistet. Sehr positiv
ist zu werten, daß die vorliegende Arbeit nicht nur eine vollständige Formalisierung
und Implementierung enthält, sondern darüberhinaus das Modell in Teilaspekten
auch empirisch validiert.
Das vorliegende Buch von Herrn Gapp stellt einen kognitionswissenschaftlichen
Beitrag von bleibendem Wert dar, der besonders für räumliche Retrievalsysteme und
Navigationssysteme ein enormes Anwendungspotential besitzt.
Univ.-Prof. Dr. W. Wahlster
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des von der Deutschen Forschungs
gemeinschaft (DFG) geförderten Graduiertenkollegs "Kognitionswissenschaft -
Empirie, Modellbildung, Implementation" und war eingebunden in das DFG Projekt
"VITRA: Kopplung bildverstehender und sprachverstehender Systeme" des Sonder
forschungsbereichs 314 "Künstliche Intelligenz - Wissensbasierte Systeme" und des
sen Nachfolgeprojekt "REAL" im Sonderforschungsbereich 378 "Ressourcenadaptive
kognitive Prozesse".
Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Wolfgang Wahlster, der, trotz
immenser Arbeitsbelastung, diese Arbeit mit großem Engagement betreute. Sei
ne konstruktive Kritik, Ratschläge, Kommentare und Verbesserungsvorschläge un
terstützten aktiv die Gestaltung der vorliegenden Arbeit. Ebenso möchte ich meinem
Zweitgutachter Johannes Engelkamp danken, der mir speziell für den empirischen
Teil der Arbeit ein wertvoller Mentor war.
Herzlichen Dank an alle Kollegiatinnen und Kollegiaten des Graduiertenkollegs
für interessante Diskussionen und zahlreiche Anmerkungen zum Thema, insbesonde
re Marcus Plach, Jörg Saathoff und Dieter Wallach haben großen Anteil am Gelingen
der psychologischen Studien. Danke auch an Ronald Henss für die wertvolle Hilfe
zur statistisch korrekten Evaluierung der erhobenen Daten.
Meinen Kollegen am Lehrstuhl Wahlster, insbesondere in den Projekten VITRA
und REAL, sei gedankt für die Vielzahl an Diskussionen zu den in dieser Arbeit
behandelten Themen. Besonders Anselm Blocher und Dagmar Schmauks haben mich
tatkräftig beim Korrekturlesen der Arbeit unterstützt. Ebenso möchte ich Anselm
Blocher für die Entwickung des Spline Editors SPLED und Jochen Müller für die
Implementation des Visualisierungstools GEODISPLAY danken.
Bernd Andes gebührt Dank für die implementatorische Umsetzung der Spezifika
tionen des Objektlokalisationssystems OLS und von Teilen der Experimentalwerk
bank 3D-SEE.
Schließlich möchte ich diese Arbeit meinen Eltern widmen, als Dank dafür, daß
sie mir während meines Studiums jede Unterstützung und Hilfe haben zukommen
lassen.
Klaus-Peter Gapp
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Sprachliche Raumbeschreibung 1
1.2 Ziel der vorliegenden Arbeit 2
1.3 Aufbau der Arbeit 3
2 Raumreferenz 5
2.1 Lokalisierungsausdrücke 5
2.1.1 Einführung ... 5
2.1.2 Klassifikation nach Gebrauchsarten 8
2.1.3 Asymmetrische Objektkonzeptualisierung . 9
2.1.4 Abstraktion und Idealisierung .. 10
2.1.5 Kontextuelle Dependenzen .... 13
2.2 Referenzsysteme: Orientierung im Raum 15
2.3 Vagheit sprachlicher Raumbeschreibung . 19
2.4 Dekodierung und Enkodierung . . . . . . 21
2.5 Formale Ansätze ............ . 22
2.5.1 Prototypensemantische Formalisierung 23
2.5.2 Stufensemantische Formalisierung 26
2.5.2.1 Zwei-Stufen-Semantik 26
2.5.2.2 Drei-Stufen-Semantik 28
2.5.3 Diskussion... 29
2.6 Operationale Ansätze . 30
2.6.1 2D Domäne .. 31
2.6.1.1 Hanßmann 31
2.6.1.2 Andre et al. 35
2.6.1.3 Wazinski 38
2.6.1.4 Abella und Kender 40
x
Inhaltsverzeichnis
2.6.2 3D Domäne . . . . . . . . . . 43
2.6.2.1 Carsten und Janson 43
2.6.2.2 Fuhr et al. . . . . . . 46
2.6.3 Diskussion........... 49
2.7 Zusammenfassung und Einordnung der Arbeit 51
3 Eine formale Semantik sprachlicher Raumbeschreibungen 53
3.1 Ein Rahmenmodell zur Semantik der Raumdeskription ... 53
3.2 Raumbeschreibung mittels räumlicher Relationen . . . . . . 56
3.2.1 Trennung: semantische und lexikalische Repräsentation 56
3.2.2 Klassifikation räumlicher Relationen. . . . . . . . . . 57
3.2.3 Kernsemantik der elementaren räumlichen Relationen 58
3.2.3.1 Grundkonzepte . . . 58
3.2.3.2 Distanzrelationen . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.3.3 Richtungsrelationen .......... . 65
3.2.3.4 Zusammengesetzte räumliche Relationen 67
3.3 Ein universelles Berechnungsmodell räumlicher Relationen 68
3.3.1 Abstraktion von konkreten Objektformen . 68
3.3.2 Ausdehnung des Referenzobjekts 71
3.3.3 Elementare Relationen . . . . . 75
3.3.3.1 Distanzrelationen .... 76
3.3.3.2 Projektive Relationen . 78
3.3.3.3 Geographische Relationen 84
3.3.4 Zusammengesetzte Relationen . . . 85
3.3.4.1 Zusammengesetzte projektive Relationen. 86
3.3.4.2 Zusammengesetzte projektivejDistanzrelationen . 91
3.3.4.3 Spezialfälle . . . . . . . . . . . 92
3.3.5 Interne Relationen ... . . . . . . . . . . . . . 97
3.3.5.1 Elementare interne Relationen ..... 98
3.3.5.2 Zusammengesetzte interne Relationen · 100
3.3.6 Behandlung von Ausnahmen .......... . · 101
3.4 Zusammenfassung und Diskussion der bisherigen Ergebnisse . 103
4 Empirische Studien zur Validierung der Formalisierung 105
4.1 Motivation ................ . · 105
4.2 Die Experimentalwerkbank 3D-SEE . . . · 106
4.2.1 Das Experimentalmodul3D-EXP · 106