基于本體的語義虛擬環(huán)境查詢與推理模型

劉一松,王艷蓮

(江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013)

基于本體的語義虛擬環(huán)境查詢與推理模型

劉一松,王艷蓮

(江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013)

當(dāng)前將本體引入到語義虛擬環(huán)境的研究,只是將領(lǐng)域本體的可視化信息用本體表示,并未發(fā)揮本體本身具有的優(yōu)勢。為此,提出一種基于本體的語義虛擬環(huán)境查詢與推理模型。利用OWL語言統(tǒng)一描述虛擬場景圖形內(nèi)容與語義信息,并分別對(duì)兩者進(jìn)行查詢,在圖形內(nèi)容查詢過程中引入本體的推理方法推理出隱含的圖形內(nèi)容信息,然后查詢需要的信息。在語義信息查詢時(shí)引入語義搜索方法,利用基于語義距離計(jì)算本體概念相似度的方法計(jì)算語義虛擬環(huán)境本體中類之間的相似度,搜索與被查詢實(shí)例語義相似度最大的實(shí)例,并借助推理找出其間的關(guān)系。對(duì)語義虛擬家具商店進(jìn)行本體的查詢與推理,結(jié)果證明了該模型的可行性。

X3D標(biāo)準(zhǔn);語義虛擬環(huán)境;本體;OWL語言;查詢;推理;語義相似度

1 概述

在當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)的研究中,為了把信息表示為計(jì)算機(jī)能夠理解和處理的形式,即帶有語義,文獻(xiàn)[1]將語義Web應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域,提出了語義虛擬環(huán)境的概念。

在語義虛擬環(huán)境的研究方面,文獻(xiàn)[2]提出了從本體論角度研究概念建?？梢暬J(rèn)知的思路,研究了虛擬環(huán)境中靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模,行為建模技術(shù)的圖形化表達(dá),但文中的圖形化未涉及到虛擬現(xiàn)實(shí)的圖形描述語言,也未研究如何用本體語言描述虛擬場景的構(gòu)建。文獻(xiàn)[3]提出了基于3D形狀的檢索方法,分別從表面模型與體積模型2個(gè)方面對(duì)3D形狀檢索,但文中主要考慮的是對(duì)象的幾何信息,而忽略了它在具體領(lǐng)域的語義信息。綜上所述,兩者并沒有很好地發(fā)揮語義虛擬環(huán)境的優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[4]通過X3D標(biāo)準(zhǔn)本體(X3DSO)與映射本體(Mapping Ontology,MO)對(duì)領(lǐng)域本體進(jìn)行可視化,本文在該方法的基礎(chǔ)上,利用Web本體語言O(shè)WL統(tǒng)一描述虛擬場景圖形內(nèi)容與語義信息,并分別對(duì)兩者進(jìn)行查詢,在對(duì)圖形內(nèi)容查詢的過程中,引入本體的推理方法,先推理出隱含的圖形內(nèi)容信息,然后查詢需要的信息;在對(duì)語義信息查詢時(shí),引入語義搜索方法,先根據(jù)基于語義距離計(jì)算本體概念相似度的方法計(jì)算語義虛擬環(huán)境本體中類之間的相似度,然后搜索與被查詢實(shí)例語義相似度最大的實(shí)例,并借助推理找出它們之間的關(guān)系。最后,通過對(duì)語義虛擬家具商店本體的查詢與推理證明該模型的可行性。

2 基于X3D的語義虛擬環(huán)境本體構(gòu)建

將本體的查詢與推理機(jī)制引入到語義虛擬場景中,具有以下優(yōu)勢:

(1)基于OWL語言同時(shí)描述語義虛擬場景的可視化信息與語義信息,使推理可以幫助虛擬場景的自動(dòng)建立、修改、查詢、發(fā)現(xiàn)場景中隱含的語義信息。

(2)將領(lǐng)域本體可視化,推理可以幫助對(duì)具體領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用作出判斷,有利于知識(shí)驅(qū)動(dòng)可視化決策[5]。

(3)在語義虛擬環(huán)境本體中引入推理,使個(gè)性化場景的建立成為可能。

(4)用本體表示語義虛擬場景,擴(kuò)展了場景的語義,在此基礎(chǔ)之上的推理與查詢又可以幫助虛擬現(xiàn)實(shí)的漫游與導(dǎo)航[6]。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的表1建立X3D標(biāo)準(zhǔn)本體,然后根據(jù)映射本體的各種映射規(guī)則,將領(lǐng)域本體的圖形內(nèi)容用X3D標(biāo)準(zhǔn)本體的方式描述,圖形內(nèi)容與語義信息分開描述,它們一起構(gòu)成語義虛擬環(huán)境本體,對(duì)語義虛擬環(huán)境本體圖形內(nèi)容的描述從X3D根節(jié)點(diǎn)開始,詳細(xì)的分類可參考文獻(xiàn)[4]中的圖4,其中, Scene節(jié)點(diǎn)類有X3D標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)類,為了給虛擬場景中所有對(duì)象賦予圖形內(nèi)容與語義,本文加入了X3D虛擬對(duì)象類(SVobject類),將其作為Scene節(jié)點(diǎn)的子類,在X3D標(biāo)準(zhǔn)中,場景中所有對(duì)象的圖形內(nèi)容是從X3D組節(jié)點(diǎn)(Group類)開始的,所以在這里定義上圖中的Group類是SVobject類的子類。對(duì)照文獻(xiàn)[4]中的表1與圖4,在語義虛擬環(huán)境本體中對(duì)圖形內(nèi)容中類與屬性的定義片段如下:

例1 語義虛擬環(huán)境本體圖形內(nèi)容中類與屬性的定義

用OWL語言描述本體,類是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界個(gè)體的抽象,屬性是一個(gè)二元關(guān)系,主要有 2種屬性: DatatypeProperty與ObjectProperty[7],將語義信息加入到虛擬環(huán)境本體中,是由具體的領(lǐng)域本體決定的,但描述的方式是相同的。在本文中,對(duì)語義虛擬商店本體中與語義信息有關(guān)的類與屬性定義片段如下:

例2 語義虛擬環(huán)境本體語義信息中類與屬性的定義

其中,Bathware表示浴室用品類;Cookingware表示廚房用品類。這些類與SVobject類擁有相同的實(shí)例,即SVobject類是圖形內(nèi)容與語義信息之間的連接。

3 OWL語言描述的本體推理

本文用OWL語言描述語義虛擬環(huán)境本體中的類、實(shí)例、屬性、傳遞屬性、逆反屬性、對(duì)稱屬性等,它們相當(dāng)于描述邏輯中的概念、個(gè)體、關(guān)系、關(guān)系傳遞、關(guān)系逆、關(guān)系對(duì)稱等。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的定義,描述邏輯語義解釋是一個(gè)二元對(duì):I=(ΔI,·I),其中,ΔI代表論域的非空集合;·I是解釋函數(shù),它將每個(gè)概念C∈NC映射為ΔI的子集,每個(gè)關(guān)系R∈NR映射為ΔI×ΔI的子集。描述邏輯知識(shí)庫包含表示概念間蘊(yùn)含和等同關(guān)系的TBox和表示個(gè)體和關(guān)系間隸屬關(guān)系的ABox,在ABox中,令OI為可數(shù)的個(gè)體集,C,R是概念和關(guān)系,a,b是OI中的個(gè)體,解釋I滿足關(guān)系斷言(a,b):R(概念斷言a:C),當(dāng)且僅當(dāng)(aI,bI)∈RI(aI∈CI)成立。由此可見,本文的本體可以用描述邏輯知識(shí)庫表示,描述邏輯是本文的邏輯基礎(chǔ)。選擇OWL語言是因?yàn)镺WL語言可以更好地作為表示描述邏輯本體的一種實(shí)現(xiàn)。

OWL有以下屬性推理:

(1)函數(shù)屬性(FunctionalProperty):若對(duì)象屬性P,它具有函數(shù)性,則對(duì)于實(shí)例 x,y,z,P(x,y)^ P(x,z)=＞y≡z。

(2)對(duì)稱屬性(SymmetricProperty):若對(duì)象屬性P具有對(duì)稱性,則P(x,y)=＞P(y,x)。

(3)逆反屬性(InverseOf):任意對(duì)象屬性A是對(duì)象屬性B的逆反屬性,則A(x,y)(B(y,x)。

(4)傳遞屬性(TransitiveProperty):若對(duì)象屬性P具有傳遞性,P(x,y)^P(y,z)=＞P(x,z)。

4 語義虛擬環(huán)境本體圖形內(nèi)容的查詢與推理

根據(jù)以上的方法建成語義虛擬環(huán)境本體后,要將本文的查詢與推理模型真正發(fā)揮作用,應(yīng)該結(jié)合某個(gè)具體的虛擬場景,本文選擇了語義虛擬家具商店場景,并對(duì)其可視化,如圖1所示。

圖1 語義虛擬家具商店本體可視化場景

基于例1與例2的描述,對(duì)場景中虛擬對(duì)象實(shí)例table語義信息與圖形內(nèi)容的描述如下:

例3 虛擬對(duì)象table的本體描述片段

例3中聲明了hasChild對(duì)象屬性及其InverseOf屬性是hasParent,描述了本體中類之間的父子關(guān)系,如Tranform類hasChild Shape類,通過OWL逆反屬性推理得到Shape類hasParent Transform類。在對(duì)本體中類實(shí)例化后,推理引擎也能推理出它們的個(gè)體存在這樣的關(guān)系。

除上述推理外,還可以推理出2個(gè)虛擬對(duì)象共享的圖形內(nèi)容,例3中定義了SVobject類hasMaterial Material類,如 table hasMaterial material1,chair hasMaterial material1,即當(dāng)2個(gè)SVobject類的實(shí)例擁有相同的Material類的實(shí)例時(shí),它們便是共享材質(zhì),但hasMaterial這一屬性不能描述共享材質(zhì)特性,因此,本文引入shareMaterial屬性來表達(dá)2個(gè)或多個(gè)實(shí)例之間的共享材質(zhì)關(guān)系,在本文的語義虛擬商店本體中定義 table shareMaterial chair,chair shareMaterial bed。為從任一實(shí)例開始可以查詢到其與哪些實(shí)例共享材質(zhì),這里定義shareMaterial具有SymmetricProperty與TransitiveProperty屬性,由以上對(duì)稱屬性推理可得:

shareMaterial(table,chair)=＞shareMaterial(chair,table)

由傳遞屬性推理可得:

shareMaterial(table,chair)^shareMaterial(chair,bed)=＞shareMaterial(table,bed)

經(jīng)過上述推理后可以得到table與chair,bed共享材質(zhì),chair與 table,bed共享材質(zhì),bed與 table, chair共享材質(zhì),即此推理可以得到任一實(shí)例在某對(duì)象屬性上相關(guān)的其他所有實(shí)例。

建立語義虛擬環(huán)境本體及其推理模型后,就可以用SPARQL語言對(duì)其查詢,根據(jù)文獻(xiàn)[9]的定義,目前,SPARQL查詢規(guī)范已經(jīng)成為W3C的推薦標(biāo)準(zhǔn),為了簡化查詢語句,本體里命名空間前綴用ex代替。

查詢與bed共享材質(zhì)的語義虛擬對(duì)象實(shí)例:

Select?x where{ex:SVobject ex:bed ex:shareMaterial ex:SVobject ?x}

借助上面的推理,查詢會(huì)返回table、chair及其他所有的實(shí)例,若繼續(xù)查詢共享的材質(zhì)實(shí)例名,則直接查詢table的Material實(shí)例:

Select?material where{ex:SVobject ex:table ex: hasMaterial ex:Material ?material}

查詢會(huì)返回material1,如果需要修改這些虛擬對(duì)象材質(zhì)的屬性,只需要修改查詢到的material1即可。查詢虛擬對(duì)象中顏色為白色的所有實(shí)例的名稱:

查詢會(huì)返回Refrigerator與Oven實(shí)例。

5 語義虛擬環(huán)境本體語義信息的查詢與推理

在一個(gè)大的虛擬場景中,基于語義信息的查詢可以幫助用戶更好地實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的漫游與導(dǎo)航,但盲目查詢很難得到正確的結(jié)果,本文引入語義搜索方法,先根據(jù)基于語義距離計(jì)算本體概念相似度的方法計(jì)算語義虛擬環(huán)境本體中類之間的相似度,然后搜索與被查詢實(shí)例語義相似度最大的實(shí)例,并借助推理找出它們之間的關(guān)系。語義距離方法認(rèn)為概念間的語義相似度可以通過語義距離經(jīng)過公式轉(zhuǎn)化而得,具體定義如下[10]:

語義距離即2個(gè)概念間最短路徑上的有向邊權(quán)值之和。這種方法需要結(jié)合其他一些因素才能得到較為準(zhǔn)確的有向邊的權(quán)值,本文考慮了本體概念樹中有向邊的深度、強(qiáng)度因素來計(jì)算有向邊的權(quán)值,下面給出相關(guān)定義。

定義1 有向邊深度

有向邊eij的深度為Dep(eij)=min(Dep(Ci),Dep(Cj))。其中,eij是連接概念Ci和Cj的有向邊,Dep(C)為概念C的深度,定義根節(jié)點(diǎn)深度為1,Dep(C)=Dep(Parent(C))+1。隨著有向邊的不斷加深,它的權(quán)值會(huì)減少,概念之間的語義距離隨之減小,語義相似度會(huì)增加,有向邊深度的權(quán)值為:

定義2 有向邊強(qiáng)度

有向邊eij的強(qiáng)度為Int(eij)=|Info(Ci)-Info(Cj)|,其中,Info(C)為概念C的信息量,根據(jù)文獻(xiàn)[11]的定義,Info(C)=-lbP(C),P(R)=1(R為根節(jié)點(diǎn)),P(C)=P(P)/n,概念P為概念C的父概念,n為概念P直接子概念的數(shù)量,每一個(gè)子概念是其父概念的細(xì)化,概念的子節(jié)點(diǎn)越多,有向邊強(qiáng)度越大,經(jīng)過分析,當(dāng)有向邊強(qiáng)度增大時(shí),其權(quán)值成反比地減小,由此可得有向邊強(qiáng)度的權(quán)值為:

綜合以上2個(gè)因素,即可得到有向邊eij的權(quán)值計(jì)算公式[12]:

Weight(eij)=WeightDep(eij)×WeightInt(eij)

根據(jù)語義距離法計(jì)算本體概念相似度,該方法定義語義距離為2個(gè)概念間最短路徑上的有向邊權(quán)值之和,則:

其中,m為連接兩概念間最短路徑上的邊數(shù)和。

本文的語義虛擬家具商店本體片段如圖2所示。

圖2 語義虛擬家具商店本體片段

當(dāng)查詢某一水龍頭實(shí)例時(shí),不能確定它是在浴室用品,還是在廚房用品中,可以分別計(jì)算兩者語義相似度,然后取相似度高的。設(shè)水龍頭為Ci,浴室用品區(qū)為Cj,由上面的公式可得:Dep(Ci)=3,WeightDep(eij)= 1/2,P(Cj)=1/3,Info(Cj)=-lb(1/3),……,依次計(jì)算可得Sim(水龍頭,浴室用品)=0.760 2,Sim(水龍頭,廚房用品)=0.666 7。

在虛擬商店場景中,將用品分類放到相應(yīng)的區(qū)中,如本文中的浴室用品區(qū)(bathroom)、廚房用品區(qū)(cookingroom)、客廳用品區(qū)(livingroom)。當(dāng)用以上公式計(jì)算出水龍頭與浴室用品語義相似度更高時(shí),在語義虛擬場景中查詢某一水龍頭實(shí)例時(shí),可以先搜索浴室用品區(qū),然后推理它們之間是否存在一些語義關(guān)系,這樣可以縮小查詢范圍,更好地定位。在語義虛擬環(huán)境本體中,定義Contain與Within這一互逆屬性來表現(xiàn)它們之間的包含與被包含關(guān)系,即Contain (bathroom,bathtub),其中,bathtub表示水龍頭。然后查詢bathtub是否在bathroom里,使用Sparql語句:

Select?y where{ex:Bathtub?y ex:Within ex: Bathroom bathroom}

由上面的定義Contain與Within是互逆屬性,則Contain(bathroom,bathtub)= ＞W(wǎng)ithin(bathtub, bathroom),那么上面的查詢就會(huì)返回bathtub。

6 模型功能分析

為了方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)只是在語義虛擬環(huán)境本體中添加了部分的可視化信息,并沒有對(duì)虛擬對(duì)象的語義信息進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì),本文對(duì)X3D標(biāo)準(zhǔn)用本體進(jìn)行了描述,構(gòu)建的X3D標(biāo)準(zhǔn)本體包含了X3D標(biāo)準(zhǔn)中描述虛擬現(xiàn)實(shí)所需的所有節(jié)點(diǎn)及其屬性。其次,傳統(tǒng)的對(duì)虛擬環(huán)境的語義查詢涉及更多的只是比較簡單的信息,也沒有引入推理機(jī)制幫助查詢,而本文通過X3D標(biāo)準(zhǔn)本體和映射本體統(tǒng)一集成了語義虛擬環(huán)境本體的可視化信息與語義信息,借助本體推理與語義搜索方法,可以發(fā)掘出隱含的信息,更有效率地查詢到需要的信息,進(jìn)而幫助語義虛擬環(huán)境的自動(dòng)建立、漫游與導(dǎo)航。最后,中間本體擴(kuò)展了可視化模型的應(yīng)用范圍,將領(lǐng)域本體可視化,使推理可以輔助知識(shí)可視化決策。

7 結(jié)束語

本文在X3D標(biāo)準(zhǔn)本體與映射本體對(duì)領(lǐng)域本體可視化的基礎(chǔ)上,通過OWL語言統(tǒng)一描述虛擬場景圖形內(nèi)容與語義信息,提出基于本體的語義虛擬環(huán)境查詢與推理模型,在對(duì)兩者查詢的過程中,引入本體推理與基于語義距離的本體概念相似度計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了查詢的有效性和該模型的可行性。但本文只是提出了一種通用的模型,并未具體說明此模型將如何幫助虛擬現(xiàn)實(shí)的漫游與導(dǎo)航,也未說明知識(shí)輔助可視化決策的過程,所以,上述兩點(diǎn)將是下一步研究的內(nèi)容。

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編輯 金胡考

Semantic Virtual Environment Querying and Reasoning Model Based on Ontology

LIU Yi-song,WANG Yan-lian
(School of Computer Science and Telecommunication Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The research on introducing ontology into semantic virtual environment at present,only uses ontology to visualize the specific domain ontology,and does not display ontology’s advantage.Aiming at this problem,this paper proposes a semantic virtual environment querying and reasoning model based on ontology.The web ontology language named OWL is used to uniformly describe the graphic content and semantic information,and query them respectively.In the process of querying graphic content,it introduces reasoning method of ontology to get out the connotative graphic content,then queries the information which is needed.In the process of querying semantic information,it introduces semantic search method,according to the method which is based on semantic distance to compute ontology concept similarity to compute the similarity between classes in the semantic virtual environment ontology,then searches the instance which has the maximum similarity with the queried instance,and finds out the relation between them with the help of reasoning.This model makes ontology play bigger role in semantic virtual environment,and the feasibility of this Mapping Ontology(MO)is proved by querying and reasoning a semantic virtual furniture shop ontology.

X3D standard;semantic virtualenvironment;ontology;OWL language;querying;reasoning;

1000-3428(2014)10-0181-05

A

TP181

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.034

江蘇大學(xué)高級(jí)專業(yè)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(10JDG063);江蘇省社會(huì)發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(BS2001046);江蘇省高校自然科學(xué)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(03kjd520075)。

劉一松(1965-),男,教授、博士,主研方向:人工智能,虛擬現(xiàn)實(shí);王艷蓮,碩士研究生、CCF會(huì)員。

2013-08-26

2013-10-01E-mail:liuyisong@ujs.edu.cn

中文引用格式:劉一松,王艷蓮.基于本體的語義虛擬環(huán)境查詢與推理模型[J].計(jì)算機(jī)工程,2014,40(10):181-185.

英文引用格式:Liu Yisong,Wang Yanlian.Semantic Virtual Environment Querying and Reasoning Model Based on Ontology[J].Computer Engineering,2014,40(10):181-185.

semantic similarity