187014 (Искусственный интеллект), страница 15

Центральная идея трансформационной теории состоит в том, что поверхностные формы любого языка - его предложения - являются результатом взаимодействия между несколькими модульными подсистемами. Большинство версий трансформационной грамматики предполагают, что две базовые подсистемы из их общего числа - это набор синтаксических правил (ограничений) и набор семантических правил. Синтаксические правила определяют правильное расположение слов в предложениях (например, предложение “John will eat the ice cream” правильно, поскольку состоит из именной группы “John” и следующей за ним глагольной группы, или предиката, “will eat the ice cream”). Семантические правила отвечают за то, чтобы правильно интерпретировать конкретное расположение слов в предложении (например, “Will John eat the ice cream” является вопросом).

Синтаксические правила можно далее разделить на базовую грамматику, которая генерирует набор базовых предложений, и трансформационные правила, которые позволяют на основе базовых предложений создать производные предложения, или поверхностные структуры. Также существует дополнительный набор правил, которые на основе поверхностных структур создают произносимые выходные предложения.

Трансформационные правила

Трансформационные правила предназначены для описания систематических отношений в предложении, как то:

отличия между активным и пассивным предложением

глобальные отношения в предложении (например, связь между what и eat в предложении “What will John eat”)

неоднозначности, причиной которых является одна и та же форма предложения, выведенная из двух различных базовых предложений (например, в предложении “They are flying planes” flying можно рассматривать и как прилагательное и как основной глагол)

Базовое предложение “John will eat the ice-cream” может быть сгенерировано простым набором синтаксических правил, а затем, применив к нему трансформационные правила, можно построить производный вопрос “Will John eat the ice-cream”. С помощью другой последовательности трансформационных правил можно построить пассивное предложение: “Will the ice-cream be eaten by John”. В последнем случае мы видим, что в предложение добавились новые элементы be и by, а также изменились местоположение и форма старых элементов предложения.

Базовая грамматика

Базовые синтаксические признаки описываются грамматикой непосредственных составляющих, в простейшем случае контекстно-независимой грамматикой. Данная грамматика имеет следующий набор правил:

1) S NP Aux VP 2) VP Verb NP

3) NP Name 4) NP Determiner Noun

Auxiliary will 6) Verb eat

7) Determiner the 8) Noun ice cream

9) Name John

Первое правило гласит, что предложение (S) - это именная группа (NP), за которой следует вспомогательный глагол (Aux) и затем глагольная группа (VP). Стрелку можно интерпретировать, как выражение “является” либо как команду “заменить символ S последовательностью NP Aux VP”. Подобным образом, второе правило гласит, что глагольная группа состоит из глагола, за которым следует именная группа. Третье и четвертое правило рассматривают именную группу, как имя собственное либо как существительное с детерминантом (определяемым словом). Последние пять правил являются лексическими; они вводят реальные слова, например, “”.

Символы типа “ice cream” называются терминальными элементами, так как они никогда не присутствуют в левой части правил. К ним нельзя далее применять никакие правила; на них как бы заканчиваются все действия правил. Все остальные символы, такие как S, NP, VP, Name и другие, считаются нетерминальными.

Все правила этой грамматики называются контекстно-независимыми, поскольку они позволяют свободно замещать любой символ слева от стрелки любой последовательностью символов справа от стрелки. С формальной точки зрения, контекстно-независимые правила имеют только один неразложимый символ, как то S, NP или VP, слева от стрелки.

Для того, чтобы сгенерировать базовый синтаксический признак, необходимо применить правила грамматики, начиная с символа S и до тех пор, пока никакие правила уже нельзя применить. Этот процесс называется деривацией, поскольку из символа S выводится новая цепочка символов. Результатом деривационного процесса может служить следующая запись:

Как правило, системы правил, подобные вышеописанной, подвергаются расширению с целью исключить возможность генерации бессмыслицы, типа “The ice cream ate” или “John took”. Для этого вводятся так называемые контекстно-зависимые правила, которые определяют контекст, дающий право заменять нетерминальные символы на терминальные. Например, символ V может быть заменен глаголом “took” только в том случае, если справа от него находится объект NP. Еще один пример: глагол “eat” может употребляться только после одушевленного существительного, что и должны подчеркивать контекстно-зависимые правила. Необходимо отметить, что в стандартной трансформационной теории 1965 года контекстно-зависимые лексические правила являлись частью словаря, а не базовой грамматики. В дополнение к лексическим контекстно-зависимым правилам, словарь содержит набор импликаций типа: “Если слово является именем человека, то оно также является одушевленным существительным.”

Словарь, состоящий из лексических ограничений и правил импликации, в сочетании с правилами базовой грамматики позволяет генерировать определенный набор базовых предложений. Ранее они назывались глубинными структурами, однако потом такая терминология была признана неудачной: данные формы не являются глубинными ни в том смысле, что они являются наиболее простыми и неразложимыми, ни в том смысле, что их значение является более глубоким; вследствие этого было решено отказаться от данной терминологии.

Трансформационный компонент

В соответствии с блок-схемой, базовые структуры далее поступают в трансформационный компонент, где для генерации дополнительных предложений могут применяться от нуля до нескольких трансформаций; на выходе этой процедуры получается поверхностная структура, которую уже можно произносить, как обычное предложение. Если не применяется ни одно из трансформационных правил, то поверхностная структура получается такой же, как и базовое предложение. Такое обычно происходит с простыми повествовательными предложениями, например:. Если же трансформационные правила все же применяются, то они производят новые синтаксические признаки, например: “Will John eat the ice-cream”.

Примером трансформационного правила может служить преобразование, создающее вопросительное предложение из синтаксического признака, который можно записать как X wh Y, где X и Y - любые цепочки символов в синтаксических признаках, а wh - - любая фраза, начинающаяся с wh, например, “who”, “what” или “what ice cream”. Цель этого трансформационного правила - переместить элемент wh в начало предложения. Если взять синтаксический признак, соответствующий предложению “John will eat what”, то его часть, соответствующая “John will eat” будет равна X, “what” - wh, а пустая последовательность - Y. Можно сделать вывод, что данная трансформация может иметь место. Переместив фразу с wh в начало, мы получим “What John will eat”. Применив к получившемуся синтаксическому признаку дополнительную трансформацию, а именно инверсию подлежащее - вспомогательный глагол, можно получить вопрос “What will John eat”. Необходимо отметить, что трансформационные правила применимы только к целым предложениям.

Традиционно, структурные описания и структурные изменения записываются путем присвоения элементам правила порядковых номеров и соответствующей записи. В нашем случае правило wh будет записано следующим образом:

Структурное описание: (X,wh,Y)

(1,2,3)

Структурное изменение: (2,3,1)

Понимание речи

Понимание речи обычно трактуют как преобразование акустического представления речи в смысловое. При создании практических систем смысл можно определить, как представление, из которого извлекаются действия, совершенные системой. Понимание речи следует отличать от распознования речи, где целью является сопоставить речевое высказывание с соответствующими словами в словаре. До начала 70-ых большинство исследований было направлено на распознование речи. 5 лет потребовалось на создание системы ARPA, первоначальная исследовательская цель которой заключалась в распознавании речи, а конечные результаты в понимании. Казалось, что способность системы давать разумный ответ на речь была более значимым критерием для развития речевых систем. К тому же считалось, что речевой сигнал является недостаточным источником информации, и знание контекста речевого высказывания важно только для успешного распонавания и интерпретации. Системы по распознованию речи, основанные на динамическом программировании и соответствии с образцами, развивали для речевых высказываний, которые состояли почти полностью из изолированных слов, выбираемых из небольшого вокабуляра. Однако такой подход, при котором ищется наиболее точное соответствие между определенными произнесенными словами и вокабуляром акустическох образцов слов, меньше всего подходил к связанной речи, так как входной акустической сигнал в этом случае не может быть эффективно смоделирован, как простое сочетание произнесенных частей лексических единиц. В связанной речи изменчивость, выявляемая при соответствии с образцами, передает полезную информацию и для распознования, и для интерпретации. Однако, необходимо начинать с основных лингвистических единиц, таких как фонемы, и сохранять информацию о ритме и длительности речевого высказывания. Если следуют таким путем, то подход к обработке речи, основанный скорее на знании, чем на соответствиях с образцами, становится неизбежным, так как, чтобы извлекать преимущества из распознавания конкретных лингвистических единиц в сигнале, необходимо знать, как данная единица связана с остальной частью языка.

Системы понимания речи (СПР) имеют дело со связанными единицами речи, такими как, фразы, предложения и даже параграфы, так как "понимание" изолированных слов может означать только тривиальный процесс сопоставления некоторого значения к каждому слову словаря системы. Понимание связанной речи - очень сложная задача, и на проект СПР повлияли исследования в таких разных областях, как акустическая обработка сигнала, нейро-физиология, психолингвистика, психология. СПР была создана, чтобы понимать всего нескольких дикторов одного диалекта, производя грамматически ограниченное подмножество языка со словарем около тысячи слов. Сейчас хотя и имеются много потенциальных прикладных программ для СПР их эффективность и надежность все еще недостаточна, чтобы широко использоваться. Системы, зависимые от диктора, распознающие изолированные слова с небольшим словарем, использующие в качестве образцов-соответствий целые слова уже нашли свое применение, типа обработки багажа на авиалиниях. Тем не менее признано, что усовершенствование такого типа систем (большие словари, независимость от диктора) требует подхода, основанного на более глубоких знаниях.

Теоретические предпосылки

Посредником при преобразовании речи в ее значение должны служить определенные компоненты, которые используют разнообразные источники знания (ИЗ), т.к. речевой сигнал кодирует много различной информации, необходимой для восстановления значения. Например, вариативность в произношении слов в связанной речи больше не является помехой при подборе образца соответствия, но это довольно важный источник информации, например, относительно расположения границ слова или контекстуально важной (выделенной ударением) информации в произнесении. Единственной возможной организацией СПР и основных ИЗ является следующая: РЕЧЬ - ОБРАБОРТКА АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА - ФОНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ - ФОНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ - МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ - ЛЕКСИЧЕСКИЙ ДОСТУП К СЛОВАРЮ - СИНТАКСИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ - СЕМАНТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ - ЗНАЧЕНИЕ. При такой организации СПР информация течет вверх по мере того, как каждый элемент создает промежуточные представления, кодируя (частичные) гипотезы относительно ввода на основе ему доступного знания.

Акустическая обработка отцифровывает сигнал с входной частотой, которая сохраняет сигнал для понимания. Акустическая обработка также трансформирует отцифрованный сигнал различными способами, чтобы представить его в той форме, которая поддается фонетическому декодированию. Например, спектральный анализ будет выполнен для каждого проанализированного фрейма, и дополнительные параметры, такие как частота основного тона, подсчитаны. Параметрический сигнал может затем быть помечен как дискретная последовательность фонем. Например, если сигнал с низкой амплитудой равномерно распространяется поперек спектра, то этот звук вероятно фрикативный, типа [f] или [v]. Кроме того, для каждой фонемы характерны такие особенности, как высота тона, длительность и амплитуда. Акустическо - фонетическое преобразование является решающим для эффективной работы СПР, но все еще одно из наиболее слабых сторон речевой обработки. И это являлось главным недостатком СПР, разработанной на основе ARPA в 1970-ых.

Фонологический анализ выполняется на фонетическом представлении, которое определяет лингвистически важные различия, имеющиеся в фонетическом представлении произнесения, например, уровни и расположение ударения, интонационный контур, структуры слога, последовательности фонем, лежащих в основе произнесения. Фонологический анализ необходим для лексического доступа, т.е. процесса, который сопоставляет фонетическую форму произнесения с каноническими фонемными представлениями слов в словаре, чтобы восстановить информацию, хранящуюся там относительно их морфологических, синтаксических, и семантических свойств. Это отменяет такие эффекты быстрой речи, как ассимиляция или сокращения. Например, слова “did” и "you" могли бы иметь в словаре следующие последовательности фонем: /dld/ и /ju:/. Однако, акустическо - фонетическое преобразование могло бы восстанавливать фактические звуки или фонемы, типа [dIje]; связывать эту фонетическую последовательность c каноническими фонемными представлениями “did” и "you". Это необходимо, если нужно узнать, что палатализация произошла на границе слова, заменив [dj] на [j], и что неударный гласный "you" был редуцирован до нейтрального безударного. Аналогично, фонологическое знание относительно допустимых последовательностей фонем в слогах может использоваться, чтобы распознать слог, и следовательно, границы слова. Например, в /houmhelp/ должна быть граница между /m/ и вторым /h/, потому что никакой слог в английском не может содержать /mh/.

Как только фонологический анализ завершен, дальнейшая обработка ввода будет подобна пониманию текста. Дальнейшие морфологический, синтаксический, семантический и прагматический анализы способствуют распознаванию, эксплуатируя избыточность речи, в информационно - теоретическом смысле. В некоторых из проектов APRA задача синтаксического анализа заключалась в том, чтобы исключить гипотезы слова на основе синтаксически недопустимых последовательностей.

Прежде, чем слова, выделенные в речевом сигнале будут сопоставлены с лексическими входам в словаре системы, необходимо провести морфологический анализ, который приведет слова к их основной форме, например, устранит окончание множественного числа /s/ или /z/, которые сильно бы расширили число входов в словарь.

После морфологического анализа возникшее морфофонологическое представление речевого ввода может быть найдено в словаре системы, чтобы получить синтаксическую и семантическую информацию относительно гипотезы последовательности слов. Синтаксический, семантический, и прагматический анализ - в основном тот же самый для речевого и текстового понимания. Однако, должно быть взаимодействие между этими и более низкими уровнями анализа не только, потому что они будут дополнять правильное распознавание произнесения, но также потому что некоторые аспекты фонологического анализа, особенно касающиеся ударения и интонации, будут способствовать интерпретации. Ударение, например, необходимо для определения контекстуально новой информации и для нахождению зависимых слов для местоимений.

Это краткое описание вклада различных ИЗ в понимание речи только раскрывает основные процессы. ИЗ, использованные в понимании речи, являются прежде всего лингвистическими. Однако, эффективность СПР зависит во много как от эффективного использования этих ИЗ так и от разработки их содержания.

Акустическо - фонетический Анализ