Prostor u kogniciji od biologije, preko lingvistike do veštačke

inteligencije

Boban Arsenijević,

Filozofski fakultet Univerziteta u Nišu

1

UVOD

Osnovni pojmovi i cilj predavanja

2

Kognicija i jezik

• Sve životinjske vrste imaju elemente kognicije, neke na višem, neke na nižem nivou.

• Samo čovek može da usvoji jezik; kod drugih životinja samo u rudimentarnom onliku.

• Drugi relevantni kapaciteti: aritmetika, čvorovanje (ptice i čovek), vokalna produkcija (naspram jezika i muzike), teorija uma...

• Rekurzivne komputacije.

• Jezik je najdirektniji prozor u kogniciju.

3

Kognicija i veštačka inteligencija (AI)

• Modelovanje inteligentnih agenata: sistema koji percipiraju okruženje i preduzimaju akcije kojima poboljšavaju izglede za uspeh.

• Mašinska simulacija ponašanja zasnovanog na kompleksnim kognitivnim kapacitetima.

• Površni pristup – modelovanje samo efekata.

• Dubinski pristup – modelovanje puta do efekata (komputacije koje odgovaraju realnim kognitivnim procesima).

4

Jezik i AI

• Percepcija i recepcija na fonetskom i fonološkom nivou.

• Produkcija na fonetskom i fonološkom nivou.

• Recepcija i produkcija na gramatičkom nivou.

• Leksička recepcija i produkcija.

• Semantička recepcija, produkcija i manipulacija reprezentacijom diskursa.

• Planiranje i interakcija u diskursu.

5

Kognicija i prostor

• Najstariji kognitivni kapacitet: zajednički predak prostornog i motoričkog kapaciteta.

• Sofisticirani prostorni kapacitet relativno primitivnih životinjskih vrsta (pčele, meduze).

• Informacije koje potiču iz svih čula smeštaju se u prostorni kontekst i koriste za izvođenje informacija o prostoru.

• Organizam životinje zaprema prostor i njegov doživljaj je posredovan prostornom kognicijom

6

Jezik i prostor

• Među 50 najfrekventnijih reči u jeziku, obično je 10 do 20 onih sa dominantno prostornim značenjem (obično ekvivalenti predloga u, na, glagola ići, doći, imenica put, kuća).

• Samo ograničen broj mogućih prostornih odnosa nalazi direktan izraz u jeziku.

• Izrazi sa prostornim značenjem obično su semantički vrlo kompleksni (npr. razlika između pred i ispred).

7

AI i prostor

• Većina akcija inteligentnih agenata uključuje prostor (automatski kontrolor leta, automatski vodič slepih, automatski kustos).

• Agenti dizajnirani za interakciju sa čovekom pritom treba da barataju prostornim odnosima koje izražava jezik.

• AI model prostora je preduslov za AI model prostorne semantike u jeziku.

8

Mapa predavanja

• Osnovna pitanja ovog predavanja se smeštaju u presek jezičkog i prostornog kapaciteta sa biološkim (kognicija) i inžinjerskim (AI) domenom njihovog modelovanja.

• Sličnosti i razlike između prostornog i jezičkog kognitivnog kapaciteta.

• Zadaci i prepreke na koje nailazi AI u modelovanju ova dva kapaciteta.

• Preciznije, bavićemo se sledećim pitanjima:

9

Reprezentacija konteksta

• I jezik i prostorna kognicija zasnivaju se na dinamičnoj mentalnoj reprezentaciji relevantnog konteksta.

• Mentalnu reprezentaciju prostornog konteksta nazivamo kognitivnom mapom.

• Reprezentaciju lingvističkog konteksta nazivamo reprezentacijom diskursa (sve informacije relevantne za neku komunikaciju).

10

Funkcionalna dimenzija

• Obe reprezentacije se proveravaju u odnosu na čulnu ulaznu informaciju, ažuriraju kod nepodudarnosti, i indukuju motoričku akciju.

• Obe reprezentacije mogu se modelovati kao mreže entiteta povezanih međusobnim odnosima i karakterisanih skupom osobina.

• Diskurs sadrži informacije iz kognitivnih mapa.

• Na primer: Crveni Pevac i Dom zdravlja.

• Ima li dubljih sličnosti?

11

Komputacijska dimenzija

• Gramatika uključuje rekurzivne komputacije koje proizvode hijerarhijske strukture.

dobar prijatelj

dobrog prijatelja mog prijatelja

• Ima li takvih struktura u prostornoj kogniciji?

12

Neuro-kognitivna dimenzija

• U nauci je prihvaćen stav da su kognitivni kapaciteti životinja proizvod elektrohemijskih procesa u nervnom sistemu (obično u mozgu).

• Mogu li se prepoznati specifični zajednički neurološki korelati pojedinih aspekata jezičkog i prostornog kapaciteta (deljeni od strane ova dva kapaciteta, i nekarakteristični za bilo koji drugi), poput ažuriranja informacija, ili eventualnih rekurzivnih komputacija?

13

AI – dizajniranje agenata

• Šta sve dubinski pristup modelovanju mora da obuhvati?

• Da li je površinski pristup ekonomičniji od dubinskog?

• Da li površinski pristup ima niže limite od dubinskog?

• Koje su granice uspešnosti kvalitativnih (simboličkih), a koje kvantitativnih (stohastičkih) modela?

14

PROSTORNA KOGNICIJA

Pregled osnovnih karakteristika

15

Komparativna kognitivna nauka

• Prostorna kognicija u životinjskom svetu je predmet proučavanja komparativne kognitivne nauke (Comparative Cognition).

• Disciplina biologije koja se bavi pojavom kognicije u životinjskom svetu.

• Poredi kognitivne kapacitete i njihovu genetsku i neurološku bazu kod različitih vrsta u potrazi za opštim modelima kognicije, i njenog evolutivnog razvoja.

16

Čulni osnov prostorne kognicije

• Kod najvećeg broja vrsta, dominantni izvor informacija u prostornoj kogniciji predstavlja neka varijanta čula vida.

• Kao moćni izvori prostorne informacije javljaju se i čulo sluha, dodira, hemijski orijentisana čula (poput mirisa i ukusa, u posebno osetljivim formama kod pojedinih vrsta), ali i čula specifična za pojedine vrste, kao što je magnetno čulo ili kinetičko vektorsko čulo.

17

Čovek i druge vrste

• Za razliku od jezičkog kapaciteta, kada je reč o prostornoj kogniciji – čovek nije na vrhu skale sofisticiranosti.

• Mnoge, čak i relativno primitivne vrste, imaju moćniju prostornu kogniciju od čoveka (insekti, ptice).

• Čovekova prednost – egzaptacija jezičkih mehanizama (krupne promene u prostornoj kogniciji sa završetkom usvajanja jezika).

18

Osnovni elementi

• Modelovanje kognitivne kognicije u najvećoj meri se zasniva na modelovanju kognitivnih mapa i mehanizama za njihovo ažuriranje i konsultovanje.

• Same kognitivne mape se modeluju pomoću četiri tipa elemenata: orijentira (putanja sunca, vrh planine, reka, magnetna struja, visoko drvo), geometrijskih struktura, lokacija i njihovih osobina.

19

Primer

Lokacija: PALMA

Obeležja: HLAD, PLOD, ZMIJA. Orijentir:

VRH PLANINE

Geometrijska struktura: PRAVA LINIJA

20

Oslanjanje na mape: eksperiment sa pčelama

4km

21

Detaljnost mape i tipovi obeležja: kalifornijska kreja

• Kalifornijske kreje spadaju u vrste ptica koje čuvaju hranu zakopavanjem.

• U stanju su da zapamte tačne lokacije i do 500 pojedinačnih komada na teritoriji od kvadratnog kilometra.

• Za svaki komad raspolažu i informacijom o ‘roku trajanja’, i prvo iskopavaju one kvarljive.

• Hranu koju su zakopale dok su posmatrane kasnije ‘u privatnosti’ otkopavaju i premeštaju.

22

Vektorska navigacija

• Životinje (u većoj ili manjoj meri) poseduju takozvano vektorsko prostorno čulo – sposobnost da konstantno ažuriraju vektor svog kretanja, čijom negacijom direktno dobijaju najkraći put do početne tačke (doma).

• Apstraktno: nezavisno od kognitivnih mapa.

• Ograničeno je kratkoročnomemorijskim kapacitetom: zadržavanje u mestu dovodi do zaboravljanja vektora (kod mrava 10-ak dana).

23

Vektorska navigacija

24

Magnetna navigacija

• Životinje raspolažu i receptorima za smer magnetnih talasa, koji im u velikoj meri pomažu u navigaciji i formiranju mapa.

• Ne samo kod seoba i slicnih makro-mapa, već i u relativno lokalnim okolnostima.

• Kod ptica, vodozemaca, reptila, do bakterija (uz neke dokaze i za vodene sisare i glodare).

• Dve vrste magnetnog čula (magnetne čestice i akomodacija čula vida).

25

Više od kompasa: geogr. širina

horizontalna komponenta:

B sever (konstantna) v k g

e o e

r m o

t p g

i o r.

k n

a e š

l n i

n t r.

a a

26

Više izvora informacije, jedna mapa

27

Egocentrična prostorna kognicija

• Dosad pomenuti uglavnom alocentrični vidovi prostorne kognicije: međusobni odnosi objekata i apsolutna usmerenja (sem vektora).

• Egocentrična navigacija: lokalni objekti prema subjektu, relativna usmerenja (levo-desno, ispred-iza, iznad-ispod, bliže-dalje), vektori.

• Neki istraživači smatraju da se alocentrična informacija inkrementalno prerađuje u egocentričnu.

28

Čovek

• Zakržljalo vektorsko čulo.

• Nema dokaza za prisustvo magnetnog čula.

• Alocentrična navigacija se svodi na orijentire.

• Egocentrična navigacija se svodi na obeležja.

• Hipokampus i parahipokampus (prostorne mape), naspram desnog parijetalnog režnja i prefrontalnih regija (vizuelne komputacije).

29

Neka poređenja

• Druge životinjske vrste i deca do oko 12m. daju prednost alocentričnoj navigaciji i u lokalnim okruženjima (‘progovaranje’).

• Druge životinjske vrste i deca do oko 36m. daju prednost lokaciji nad obeležjima objekta (izdvajanje kategorije imenica; rečenica).

• Kod svih životinja ‘prohodavanje’ dovodi do značajnih promena u prostornoj kogniciji; kod čoveka još jači efekat daje usvajanje jezika.

30

JEZIK I PROSTOR

Uticaj jezika na prostornu kogniciju; izražavanje prostornih sadržaja

31

Korelacije tipova jezika i navigacije

• Jezici (i kulture) mogu davati prednost alocentričnim, odnosno egocentričnim, tipovima odnosa u izražavanju prostornih sadržaja (npr. jezici koji mesto izraza tipa levo/desno imaju izraze tipa severno/južno, centralno/periferno, nizbrdo/uzbrdo).

• Alocentrična / egocentrična priroda predloško-priloškog sistema maternjeg jezika utiče na sklonost jednom ili drugom tipu navigacije.

32

Neurokognitivne sličnosti i razlike

• Hipokampus (svi kičmenjaci!) – pohranjivanje i ažuriranje reprezentacije prostornog konteksta, kao i ažuriranje reprezentacije diskursa, uključuje centralnu ulogu hipokampusa.

• Obe prefrontalne zone – epizodna memorija, ali i semantički sadržaji.

• Prostorna kognicija uključuje važnu ulogu desnog, a jezik levog parijetalnog režnja.

33

Sličnosti u procesiranju

• Prostorna kognicija, kao i jezik, posreduje od čulnog inputa do kontekstualne reprezentacije i od kontekstualne reprezentacije do motorike.

Čulni ulaz

Motorika Procesiranje

Reprezent.

konteksta

34

Rekurzivnost

• Jedno od objašnjenja rekurzivnih struktura u jeziku: mogućnost da ulaz iz reprezentacije konteksta (značenjski sadržaj) bude funkcija prethodnog izlaza u reprezentaciju konteksta.

Procesiranje Reprezent.

konteksta

x [[x]]

f([[x]])

35

Primeri

• prijatelj prijatelja prijatelja... mog prijatelja

• zec koji juri zeca koji juri zeca koji juri zeca...

• Rekao je da je rekao da je rekao...

• kutija u kutiji u kutiji u kutiji...

36

Rekurzivnost i kognicija

• H1: sposobnost za rekurzivne komputacije ono što razlikuje čoveka od životinja.

Predikcija: rekurzivne prostorne komputacije kod čoveka, ne i kod životinja.

• H2: rekurzivne strukture razlikuju jezički kapacitet od svih drugih kognitivnih kapaciteta (sem onih koji na jezičkom ‘parazitiraju’, poput algebarskog).

Predikcija: nerekurzivnost prostorne kognicije.

37

Rekurzivnost prostorne kognicije

• Sličnost modela procesiranja implicira mogućnost rekurzivnih komputacija u prostornoj kogniciji.

• Mogu li se identifikovati rekurzivne komputacije prostornih informacija kod čoveka?

• Životinje imaju sofisticiraniju prostornu kogniciju od čoveka – daje li njihova prostorna kognicija osnov za rekurzivno modelovanje?

38

Pretraga prema obrascima u matrici - kvadrati

v

39

Isto to, varijabilne dimenzije – jošuvek postoji učenje

40

Isto to, malo komplikovanije – izostanak daljeg efekta učenja

41

Rekurzivnost?

• Eksperimenti ovog tipa pokazuju:

a) da su rekurzivne komputacije u domenu prostorne kognicije, ako su uopšte prisutne, (memorijski) ograničene kompleksnosti,

b) da ljudi i životinje pokazuju slične rezultate.

• Nije izvođen sa pticama, primatima, morskim sisarima, koji pokazuju više kapacitete u drugim rekurzivnim komputacijama.

42

Eksperiment planiranja putanje

43

Rekurzivnost?

• Životinja komputira obeležja dva mesta (hrana, voda, blizina).

• Oba mesta uključuju i obeležje (odsustva) putanje do drugog mesta, i njegovih obeležja.

• Rekurzivna komputacija: putanja[mestoA hrana, distanca_x, putanja[mestoB voda, distanca_y]].

• Tri mesta (‘dom’), takođe verifikovano.

• Sa četiri mesta nije rađeno. Ograničenja?

44

Moguća objašnjenja

• Životinje ne vrše rekurzivne komputacije; prostijim komputacijama postižu efekat repno-rekurzivne funkcije.

• Životinje vrše rekurzivne komputacije, ali u strogo omeđenim domenima (prostorna kognicija, vokalna produkcija, čvorovanje).

• Životinje vrše rekurzivne komputacije, ali pod rigidnim ograničenjima u kompleksnosti (drugi / treći korak zatvara petlju).

45

PROSTOR U JEZIKU

Izražavanje prostornih informacija u jeziku – prostorni odnosi

46

Predlozi

• Većina predloga u većini jezika ima primarno prostorno značenje (na, u, pod, nad, za, pred, iz, od, do, ka, prema, o, uz, po, oko, pored...).

• Mnogi predlozi neprostornog značenja potiču od korena prostornog značenja (posle, pre).

• Opšti obrazac: figura_predlog_pozadina, semantički: predlog(figura, pozadina); figura i pozadina su u odnosu označenim predlogom: kuća pored pruge = pored(kuća, pruga).

47

Alocentrični odnosi

• Pozadina odgovara komparativno-kognitivističkom pojmu orijentira.

• Položaj figure se specifikuje prema odnosu koji uspostavlja sa orijentirom (ili dva orijentira, kao kod predloga između).

• Predlog i pozadina formiraju predikat koji označava prostorni domen, a figura se smešta u taj domen: kuća (je) pored pruge.

48

Značenje predloga

• Modelovanje prostornih odnosa izraženih predlozima ukazuje na njihovu visoku semantičku kompleksnost.

• Šta znači predlog ispod?

• Prototipsko značenje: figura i pozadina su na istoj vertikali, čijim mapiranjem na skali figura uspostavlja kraću distancu u odnosu na donji pol skale nego pozadina.

49

Ocenimo robota

• Zamislimo da kompanija dizajnira robota koji će izveštavati o prostornim odnosima prirodnim jezikom.

• U kojima od datih situacija su njegovi izveštaji tačni, a u kojima pogrešni:

50

ispod

• Smajli je ispod sunca.

• A ako je van vertikale?

• A još malo u stranu?

• Postoje granice.

• Vertikalne?

• Ili kose?

• Pod kojim uglom? Kako utvrditi? Zašto baš tu?

51

Formalne definicije

[[ispod]] = λA λv. ext(v, A) c(down, v) > |downv|.

skup vektora, takvih da su svima krajnje tačke izvan objekta A, i da je skalarna vrednost njihove donje vertikalne komponente veća od dužine njihove horizontalne projekcije.

• Množenje c(down, v) konstantom modifikuje ugao prema eksperimentalno dobijenim podacima )bey mnoyenja je 450).

52

pored

• Mačka spava pored drveta.

• Sada?

• Jošuvek?

53

Faktori

• Osim očiglednih komponenti prostornih odnosa, kao što su imanje zajedničke vertikalne ose ili distanca, ulogu igraju i drugi faktori.

• Na primer, (relativne) dimenzije figure, relativne dimenzije pozadine...

• Kako odrediti konkretne brojne indekse uticaja ovih faktora? Eksperimenti.

54

ispred i pred

• Napoleon je pred Moskvom.

• *Napoleon je ispred Moskve.

55

Kretanje

• Kretanje / mirovanje figure (Jovan hoda / stoji pred kolonom / ispred kolone).

• Kretanje / mirovanje pozadine (Jovan hoda pred kolonom / ispred kolone / pred zgradom / ispred zgrade).

• Zajedničko kretanje figure i pozadine (Jovan hoda pred kolonom / ispred kolone / pred tenkom / ispred tenka).

56

Perspektiva

• Figure / posmatrača – samo pred.

• Napoleon je pred Moskvom / ?ispred Moskve.

• ispred traži perspektivu pozadine, a Moskva nema prednju stranu:

• Napoleon je ispred kuće.

• Pozadine – i ispred i pred.

• Marko je ispred Petra / pred Petrom.

57

prema i ka

• Trče prema / ka prodavnici.

• Okreni ih prema / ka zidu.

• Stoje (licem) prema zidu / ?(licem) ka zidu.

• Prema / *ka tome, brzo će stići.

• Prema / *ka visini Mont Everesta, Mon Blan je brdašce.

• Čoveka ne vrednujemo prema / *ka bogatstvu.

• Pobedili su dva prema / *ka jedan.

58

Konkretnost / apstraktnost

• Osim što ka ima jaču vezanost za značenje kretanja, promene, primetno je i da:

• ka je ograničeno na konkretna prostorna značenja.

• prema ima i apstraktnu interpretaciju.

• Kako modelovati apstraktne interpretacije prostornih predloga?

• Delimično motivisano, kulturno zavisno.

59

Umesto zaključka, ponovo uvod

• Prostorna kognicija i jezik su blisko vezani domeni, sa zajedničkim komputacijama i jakim međusobnim uticajima; proučavanje jednog od njih otkriva mnogo o onom drugom.

• AI modelovanje prostorne semantike je kompleksan proces sa otvorenim krajevima – usled zavisnosti od ne-prostornih informacija poput imanja lica ili apstraktnosti / konkretnosti.

60

Hvala!

61