РОЗДІЛ 2
МАТЕМАТИЧНІ ТА СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНІ МОДЕЛІ ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОЇ МЕРЕЖІ ДЛЯ РОЗРОБКИ ОБРАЗНОГО КОМП'ЮТЕРА
Все зростаюча потреба в нових ефективних методах перетворення й обробки зорової інформації пов'язана з необхідністю вирішення розриву, що збільшується, між необхідними об'єктами інформації, яка обробляється, і можливостями послідовних процедур традиційно застосовуваних у цифрових засобах обчислювальної техніки. Зазначене протиріччя активізує дослідження нових принципів для створення високоефективних технічних методів та засобів обробки зображень. Ці принципи порушують цілий комплекс проблем, пов'язаних із паралельним перетворенням зображень, алгоритмічною обробкою, архітектурою і схемотехнікою пристроїв. Така ситуація актуалізує розробку нових підходів і способів обробки даних в проведених дослідженнях, щоб знайти шляхи подолання розриву між "машинним" і "людським" сприйняттям.
Аналізуючи паралельно-ієрархічні структури, що пропонуються автором як структурно-функціональний базис для створення сучасних інтелектуальних систем, виникає необхідність обґрунтування ефективності використання паралельно-ієрархічних мереж у загальній структурі образного комп'ютера, а також визначення їх місця в класифікації ієрархічних мереж.
2.1. Класифікація ієрархічних мереж
При розробці паралельно-ієрархічної моделі образного комп'ютера на перший план висувається проблема створення ефективного системного аналізу, що дозволив би змінювати структурну ієрархію. Вкажемо на етимологію термінів "структура" і "ієрархія". Структура (від латинського слова structure) означає будову, розташування, порядок і відображає найбільш істотне відношення між елементами і їх групами [24]. Термін ієрархія ("багатоступінчатість", "службові сходи") визначає упорядкованість компонентів за ступенем важливості.
Л. фон Берталанфі показав, що ієрархічна упорядкованість є однією із важливих властивостей різноманітних систем [68]. Між рівнями ієрархічної мережі можуть існувати взаємовідносини суворого підпорядкування компонентів нижнього рівня одному з компонентів вищого рівня, тобто відношення так званого деревоподібного порядку [69]. Такі ієрархії називають сильними або ієрархіями типу "дерева". Проте між рівнями ієрархічної мережі необов'язково повинні існувати взаємовідносини чітко деревоподібного порядку. Можуть бути зв'язки й у межах одного рівня ієрархії. Той же вузол нижнього рівня може бути одночасно підпорядкований декільком вузлам вищого рівня. Такі мережі називають ієрархічними структурами зі слабкими зв'язками. Між рівнями ієрархічної мережі можуть існувати більш складні взаємовідносини типу "страт", "прошарків", "ешелонів" [70]. Класифікація ієрархічних мереж подана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Класифікація ієрархічних мереж
Найбільш поширеним і досліджуваним засобом представлення ієрархічних мереж є деревоподібна структура. У теорії штучного інтелекту деревоподібні структури представлені як схеми знань, вперше запропоновані М. Россом Куілліаном [71]. Концепція семантичних мереж Куілліана стимулювала розробку аналогічних підходів до представлення знань. У 1974 році М.Мінський із МТІ висловив припущення, що людський розум інтегрує кожний новий об'єкт, зокрема мовний, за засобами особливих структур пам'яті, названими фреймами [72]. Кожний фрейм містить відділення - слоти, - у яких зібрані атрибути (характеристики) і відповідні їм значення. Іншим представником семантичного підходу до представлення знань є Р. Шенк. Він розробив теорію "концептуальної залежності", відповідно до якої люди не просто порівнюють слова і поняття, а перекладають їх у базові концептуальні структури, які надають змісту почутому або прочитаному [73]. Шенк розробив деревоподібну схему представлення знань, яка носить назву "скриптів", або сценаріїв.
В усіх зазначених галузях застосування деревоподібних структур ієрархічний опис - це за суттю в тих же термінах декомпозиція цілі в просторі.
Іншим, не менш важливим різновидом ієрархічних мереж, на думку автора цієї роботи, можуть стати такі, що сполучать декомпозицію цілі в просторі і часі. На рис. 2.1 вони виділені окремим класом і одержали назву просторово-часових ієрархічних мереж.
У загальному вигляді метод розгортання ієрархічних структур полягає в просторово-багаторівневому представленні даних і в часово-мережному їх принципі.
Основну конструктивну ідею, завдяки якій стає можливим реалізувати відображення об'єкта класом просторoво-часових ієрархічних мереж, можна сформулювати так: розробляються паралельно-ієрархічні інформаційні й обчислювальні мережі, за допомогою яких фіксують відомі на даний момент компоненти і зв'язки, а потім, комбінуючи їх за допомогою встановлених правил, одержують нові, невідомі раніше взаємовідносини, залежності, що можуть бути покладені в основу прийнятих рішень або підказати наступні кроки на шляху підготування вирішення. Таким чином, можна накопичувати інформацію про об'єкт, фіксуючи всі нові компоненти і зв'язки (правила взаємодії компонентів), і, застосовуючи їх, одержувати відображення послідовних станів (хвостових елементів) паралельно-ієрархічної мережі, яка розвивається, поступово створюючи усе більш адекватну модель реально досліджуваного або утворюваного об'єкта.
На рис. 2.1 класифікації ієрархічних мереж особливе місце займають просторово-часові мережі з динамічною багатофункціональністю. Перед тим, як перейдемо до опису таких структур, сформуємо визначення. Структура має властивість динамічної багатофункціональності, якщо за період свого розвитку (існування) формує в часі паралельну (послідовну) ієрархію функціональних полів (функцій), кількість яких залежить від зовнішніх впливів і визначається потенційними функціональними можливостями, що закладені в інформаційному "генотипі" структури. Найбільш яскравим прикладом подібних структур є асоціативний механізм клітинного навчання [74].
У роботі розглядаються дві групи просторово-часових ієрархічних мереж -