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Folien (1Folie / Seite) 3.47MB - Lehrstuhl für Informatik IX - TUM

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Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Wissensbasierte Systeme<br />

WS 2003/04<br />

Abschnitt 1: Einfuehrung<br />

Organisatorisches, Motivation, Geschichte,<br />

Herangehensweisen, Beispiele<br />

Michael Beetz<br />

Michael Beetz, TU München 1


§ Vorlesungszeit und –ort:<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Organisatorisches<br />

§ Mo 11:00-12:00, MI 00.04.011<br />

§ Di 12:00-13:00, MI 00.08.011<br />

§ Uebung:<br />

§ Di 13:00-14:00, MI 00.04.01<br />

§ Dozent:<br />

§ Michael Beetz<br />

§ Webseite:<br />

§ http://wwwradig.in.tum.de/vorlesungen/wibas.WS03/<br />

Michael Beetz, TU München 2


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Vorlesungsunterlagen<br />

o Die Vorlesung basiert auf:<br />

Artificial Intelligence<br />

-A Modern Approach<br />

Stuart Russell and Peter Norvig<br />

o In der Bibliothek. Im Buchladen ca 45<br />

Euro.<br />

o Kopien der Vorlesungsfolien und weitere<br />

Informationen ueber die WWW-Homepage<br />

Michael Beetz, TU München 3


Lernziele der heutigen Vorlesung<br />

§ Diskussion des Begriffes “Kuenstliche<br />

Intelligenz”<br />

§ Gefuehl fuer die Loesbarkeit von Problemen<br />

§ Beispiele fuer erfolgreiche KI Systeme<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 4


Was ist Kuenstliche Intelligenz?<br />

Intelligenz<br />

§ Kuenstliche Intelligenz untersucht<br />

intelligente Entitaeten<br />

§ Im Gegensatz zur Philosophie und Psychologie:<br />

konstruktiv<br />

§ Untersuchung von intelligenten Systemen als<br />

Performanzsysteme<br />

§ Zentrale Fragestellung: Wie kann man mit einem<br />

kleinen und aeusserst langsamen (elektronischen)<br />

“Gehirn” eine komplexe Welt wahrnehmen, verstehen<br />

und in ihr kompetent handeln.<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 5


Systemsthat think like humans.<br />

Reasoning<br />

Behavior<br />

Systems that act like humans.<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Sichtweisen der KI<br />

(Russell and Norvig) Norvig<br />

Human Performance Ideal Intelligence<br />

Systems that think rationally.<br />

Systems that act rationally.<br />

Michael Beetz, TU München 6


Systeme, Systeme,<br />

die menschlich handeln<br />

Alan Turing (1950) “Computing machinery and intelligence”<br />

§ “Can machine think?” -> “can machines behave<br />

intelligently?”<br />

§ Durchfuehrbarer Test: Imitationsspiel “Turing Test”<br />

§ Sah die wichtigsten Argumente gegen KI, die in den<br />

nachfolgenden 50 Jahren vorgebracht wurden,<br />

voraus<br />

§ Schlug folgende Komponenten der KI vor: Wissen,<br />

Schlussfolgern, Sprachverstehen, Lernen<br />

Problem: Turing Test ist nicht reproduzierbar,<br />

konstruktiv, oder zugaenglich mit mathematischen<br />

Modellen.<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 7


Systeme, Systeme,<br />

die menschlich denken<br />

§ Welche kognitiven Faehigkeiten sind<br />

notwendig, um intelligente Leistungen zu<br />

erbringen?“<br />

§ Information processing psychology, cognitive<br />

science, cognitive neuro science<br />

§ Erfordert wissenschaftliche Theorien der<br />

internen Gehirnaktivitaeten<br />

§ Was ist die richtige Abstraktionsstufe?<br />

Wissen oder Neuronen<br />

§ Wie kann man die Theorien validieren?<br />

§ Vorhersage und Analyse des Verhaltens von Testpersonen<br />

§ Analyse neurologischer Daten<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 8


Systeme, Systeme,<br />

die rational denken<br />

§ Wertend (oder vorschreibend) anstatt beschreibend<br />

§ Aristoteles: was sind die korrekten Gesetze des<br />

Denkens<br />

§ Einige griechische Philosophieschulen entwickeln<br />

Logiken: Schreibweisen und Ableitungsregeln des<br />

Schlussfolgerns<br />

§ Probleme:<br />

§ Nur ein Teil des intelligenten Verhaltens beruht auf<br />

korrekter logischer Ueberlegung<br />

§ Was ist der Zweck des Denkens?<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 9


Systeme, Systeme,<br />

die rational handeln<br />

§ Rationale Agenten (oder rationale Akteure)<br />

§ Ein rationaler Agent agiert so, dass er seine<br />

gegebenen Ziele erreicht unter der Voraussetzung,<br />

dass seine Eindruecke von der Welt und seine<br />

Ueberzeugungen richtig sind.<br />

§ Das Richtige tun!!!<br />

§ Rationales Denken ist eine Voraussetzung fuer<br />

rationales Handeln, allerdings keine notwendige<br />

Voraussetzung.<br />

§ was z.B., wenn nicht genuegend Information<br />

vorliegt, um die richtige Entscheidung zu treffen?<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 10


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Diese Vorlesung…<br />

Vorlesung<br />

Systeme die rational agieren<br />

oder<br />

das Richtige tun!<br />

tun<br />

Michael Beetz, TU München 11


Kuenstliche Intelligenz: Intelligenz:<br />

Was ist<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

machbar? machbar<br />

Kann derzeit …<br />

§ Ein autonomes Fahrzeug auf einer kurvigen<br />

Gebirgsstrasse oder mit 120km/h auf der Autobahn<br />

fahren?<br />

§ Ein Auto durch die Stadtmitte von Muenchen<br />

fahren?<br />

§ Ein Software-Agent Lebensmittel im WWW<br />

einkaufen?<br />

§ Ein autonomer Roboter im Supermarkt einkaufen?<br />

§ Ein Roboter akzeptables Tischtennis spielen?<br />

§ Ein Computerprogramm den Schachweltmeister<br />

schlagen? Weltklasse Backgammon spielen?<br />

§ Ein Computerprogramm in Echtzeit<br />

Deutsch/Japanisch uebersetzen?<br />

Michael Beetz, TU München 12


Kuenstliche Intelligenz: Intelligenz:<br />

Was ist<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

machbar? machbar<br />

Kann derzeit …<br />

§ Ein Kontrollsystem eine Raumsonde steuern und<br />

wissenschaftliche Experimente durchfuehren?<br />

§ Ein Computerprogramm interessante mathematische<br />

Theoreme finden und beweisen?<br />

§ Ein Computerprogramm in spezialisierten<br />

Rechtsbereichen kompetent beraten? In<br />

medizinischen Bereichen mit Expertenkompetenz<br />

diagnostizieren?<br />

§ Ein Computerprogramm Satellitenbilder automatisch<br />

klassifizieren um interessante<br />

Wetterkonstellationen zu finden?<br />

§ Automatisches Sprachverstehen fuer einen<br />

Reiseberater<br />

Michael Beetz, TU München 13


Ueberraschungen in der KI Forschung<br />

Aufgaben, die fuer Menschen schwierig sind,<br />

haben sich als leicht herausgestellt<br />

§ Schach<br />

§ Dame, Othello<br />

§ Missionsplanung, Ablaufplanung fuer Space<br />

Shuttle Countdown<br />

§ Automatisches Beweisen<br />

§ Post sortieren<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 14


Ueberraschungen in der KI Forschung<br />

Aufgaben, die fuer Menschen leicht sind, haben<br />

sich als schwierig herausgestellt<br />

§ Spracherkennung<br />

§ Gesichtserkennung<br />

§ Autonome Navigation<br />

§ Motorik<br />

§ Sprachverstehen<br />

§ Alltagsschliessen<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 15


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Artificial Intelligence<br />

addresses:<br />

§ The construction of intelligent machines<br />

(whether or not they act like humans)<br />

§ The formalization of knowledge and<br />

mechanization of reasoning (both common<br />

sense and expert)<br />

§ The use of computational models to<br />

understand the psychology and behavior of<br />

people, animals, and artificial agents<br />

§ Making working with computers as easy and<br />

helpful as with human experts<br />

From: Doyle,Dean, et al.<br />

Strategical Directions in AI<br />

Michael Beetz, TU München 16


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

What AI has done<br />

§ Spawned subfields<br />

§ Data mining, virtual agents, logic programming,<br />

program specification and verification, program<br />

synthesis, software development environments,<br />

deductive database systems, …<br />

§ Programming styles<br />

§ Functional programming, logical programming,<br />

object-oriented programming, constraint<br />

programming, …<br />

§ Systems<br />

§ Space shuttle scheduling, autonomous space craft,<br />

museum tourguide robots, computer chess, medical<br />

diagnosis systems, google, Microsoft Wizard, …<br />

Michael Beetz, TU München 17


Artificial Intelligence: Where are we<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

now?<br />

§ The environment has changed:<br />

§ Computational power, embedded computing<br />

devices,<br />

§ Cheap sensors, multi media,<br />

§ Computer networks, World Wide Web<br />

§ Need for “intelligent” computer systems<br />

§ Information retrieval from the WWW, shopping<br />

agents, computer games, supply chain control and<br />

logistics, flood of data, …<br />

§ Many AI methods are usable<br />

§ Learning, data mining, probabilistic reasoning,<br />

description logics, probabilistic state estimation,<br />

…<br />

Michael Beetz, TU München 18


Artificial Intelligence: what lies ahead?<br />

Integrated intelligent systems<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 19


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Characteristics of<br />

Integrated Intelligent Systems<br />

§ Complete systems<br />

§ Extended existence<br />

§ Interacting with the environment<br />

§ Naturalistic tasks and everyday activity<br />

§ “AI completeness”<br />

Michael Beetz, TU München 20


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

The Concept of an Agent<br />

Working definition: An agent is anything that can be<br />

viewed as perceiving its environment through its<br />

sensors and acting upon it through its effectors.<br />

percepts<br />

Agent Environment<br />

actions<br />

Michael Beetz, TU München 21


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Is a Thermostat an Agent?<br />

•... Yes, it perceives and acts!<br />

measured temperature<br />

open valve<br />

close valve<br />

no-op<br />

•… but not a very interesting one<br />

Michael Beetz, TU München 22


Agents: The AGILO RoboCuppers at<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

percepts<br />

Intelligence =<br />

actions<br />

Play<br />

§Performing appropriate goal-directed action<br />

§Given uncertain and incomplete information<br />

§Using limited computational resources<br />

Michael Beetz, TU München 23


Agents: The AGILO RoboCuppers at<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Play<br />

Michael Beetz, TU München 24


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Rational Agents<br />

An ideal rational agent performs actions that are expected to<br />

maximize its performance measure based on the evidence<br />

provided by the percept sequence and the built-in knowledge<br />

percepts<br />

Agent Environment<br />

actions<br />

State 3<br />

State 2<br />

State 1<br />

State t<br />

Michael Beetz, TU München 25


Anwendungsfelder<br />

§ Sprachverstehende und<br />

–generierende Systeme<br />

§ Bildverstehende<br />

Systeme<br />

§ Robotik<br />

§ Assistenzsysteme<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Die KI Landschaft<br />

Methoden<br />

§ Problemloesen und Suche<br />

§ Wissensrepraesentation<br />

und –verarbeitung<br />

§ Handlungsplanung<br />

§ Maschinelles Lernen<br />

§ Verarbeitung von<br />

unsicherem Wissen<br />

Michael Beetz, TU München 26


§ Einfuehrung<br />

§ Rationale Agenten<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Inhalt der Vorlesung: Vorlesung:<br />

§ Zielorientierte Agenten/<br />

Problemloesen d. Suche<br />

methodenorientiert!!!<br />

methodenorientiert!!!<br />

§ Heuristische Suche<br />

§ Constraintbasierte Suche<br />

§ Schlussfolgernde Agenten<br />

§ Syntax, Semantik, Kalkuel<br />

§ Wumpuswelt und ihre<br />

Axiomatisierung<br />

§ Situationskalkuel<br />

§ Planende Agenten<br />

§ POCL Planung<br />

§ Planung und Ausfuehrung<br />

§ Agieren unter<br />

Unsicherheit<br />

§ Bayes Netze<br />

§ Entscheidungsnetze<br />

§ Markov<br />

Entscheidungsprozesse<br />

§ Lernende Agenten<br />

§ Entscheidungsbaumlernen<br />

§ Reinforcement Lernen<br />

Michael Beetz, TU München 27


Lehrveranstaltungen am <strong>Lehrstuhl</strong> <strong>IX</strong><br />

Muster-<br />

erkennung<br />

Interpr.von<br />

Bildfolgen<br />

+ Seminare<br />

+ Praktika<br />

+ DAs & SEPs<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Bildver-<br />

verstehen<br />

Industr.<br />

BV<br />

intelligente<br />

Autonome<br />

Roboter<br />

WIBAS 1<br />

WIBAS 2<br />

WBS in<br />

Industriellen<br />

Anwendungen<br />

Michael Beetz, TU München 28


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Anwendungen<br />

§ Autonome Raumsonden und Rovers<br />

§ Planungs- und Schedulinganwendungen:<br />

Space Shuttle scheduling and Golfkrieg-<br />

Logistik<br />

§ Spielprogramme: Schach und Backgammon<br />

§ Computeranimierte Charaktere<br />

§ Wissensbasierte Systeme (im WWW)<br />

§ Autonome Roboter: ROBOCUP<br />

§ Data Mining, Machine Learning<br />

§ Bayes Nets<br />

Michael Beetz, TU München 29


Autonome Raumsonden und Rover<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 30


courtesy JPL


Remote Agent (RA) Architecture<br />

PS generates plan<br />

Exec expands &<br />

executes it<br />

MIR looks for<br />

failures.<br />

Exec can respond<br />

to fault locally...<br />

… or request a<br />

new plan.<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Smart<br />

Executive<br />

ESL<br />

Monitors<br />

Planner &<br />

Scheduler<br />

HSTS / IRS<br />

Mode ID &<br />

Reconfiguration<br />

MIR / Livingstone<br />

Real-time Execution<br />

Adaptive Control<br />

Spacecraft Hardware<br />

Mission<br />

Goals<br />

Michael Beetz, TU München 32


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Rover Agents<br />

Michael Beetz, TU München 33


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Europa Submersible<br />

Examples of of Unknowns and Impact on Planning<br />

–Thickness and composition of of ice-cap<br />

•energy expended to to penetrate surface<br />

•data volume and type collected<br />

•ability to to communicate while below cap<br />

–Properties of of underground ocean<br />

•energy and time cost to to move/explore<br />

•effectiveness of of sensors<br />

Michael Beetz, TU München 34


Planungs- Planungs und Schedulinganwendungen<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 35


Beispiele:<br />

•Schach<br />

•Backgammon<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Spielprogramme<br />

Michael Beetz, TU München 36


“I could feel<br />

–I could<br />

smell – a<br />

new kind of<br />

intelligence<br />

across the<br />

table”<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Computer Schach: Schach:<br />

Deep Blue<br />

Saying Deep Blue<br />

doesn’t really think<br />

about chess is like<br />

saying an airplane<br />

doesn’t really fly<br />

because it doesn’t<br />

flap its wings.<br />

–Drew McDermott<br />

Michael Beetz, TU München 37


Backgammon: TD-Backgammon<br />

TD Backgammon<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 38


Computeranimierte Charaktere<br />

A Bug’s Life (Pixar/Disney) Toy Story (Pixar/Disney)<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Antz(Dreamworks)<br />

Tomb Raider 3 (Eidos Interactive) The Legend of Zelda (Nintendo) Final Fantasy VIII (SquareOne)<br />

Michael Beetz, TU München 39


Artificial Fish (Terzopoulous<br />

( Terzopoulous et al.)<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 40


Artificial Fish (Terzopoulous<br />

( Terzopoulous et al.)<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 41


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Das Dressieren von Hunden<br />

Michael Beetz, TU München 42


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Erwartungen und Emotionen<br />

§ Emotional Autonomic variable<br />

§ Surprise (unexpected observation)<br />

§ Confusion (negated expectation)<br />

§ Proportional to amount of culled probability<br />

§ Frustration (consistently negated<br />

expectations)<br />

V a riab le V a lu e<br />

Duncan instructed to approach sheep<br />

Discovers sheep is not<br />

in last-observed location<br />

Confusion Frustration<br />

Sheep found in<br />

unexpected location.<br />

Surprise<br />

t<br />

inst<br />

p −pn<br />

(<br />

highest<br />

pn (<br />

Michael Beetz, TU Time München 43<br />

s<br />

x = αx +<br />

βx<br />

t t−1t inst<br />

=<br />

t<br />

cinst = p =∑<br />

culled pn ( )<br />

n∈V *<br />

)<br />

*<br />

f = kc<br />

)<br />

t t<br />

inst


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Das Dressieren von Hunden<br />

(1)Movie: Duncan<br />

(2)Movie: maintaining belief states<br />

Michael Beetz, TU München 44


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Computer Game Players<br />

Real-time Strategy Games<br />

(e.g. Age of Kings (Microsoft Games/Ensemble Studios), …<br />

Building Competitive AI/Computer Players is challenging<br />

Michael Beetz, TU München 45


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 46


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Wissensrepraesentation<br />

§ Speech Recognition<br />

§ “word spotting” feasible today<br />

§ continuous speech – rapid progress<br />

§ turns out that “low level” signal not as<br />

ambiguous as we once thought<br />

§ Translation / Understanding<br />

§ very limited progress<br />

The spirit is willing but the flesh is weak. (English)<br />

The vodka is good but the meat is rotten. (Russian)<br />

Michael Beetz, TU München 47


§ John gave Pete a book.<br />

§ John gave Pete a hard time.<br />

§ John gave Pete a black eye.<br />

§ John gave in.<br />

§ John gave up.<br />

§ John’s legs gave out beneath him.<br />

§ It is 300 miles, give or take 10.<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 48


Syntaktisches,<br />

Syntaktisches,<br />

Semantisches,<br />

Semantisches,<br />

Analoges<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Wissen<br />

§ Time flies like an arrow.<br />

§ Fruit flies like a banana.<br />

§ Fruit flies like a rock.<br />

Michael Beetz, TU München 49


Knowledge<br />

Base<br />

Layers<br />

Arrangement, by Generality<br />

Upper<br />

Ontology<br />

Core<br />

Theories<br />

Domain-Specific<br />

Theories<br />

Facts<br />

(Database)<br />

Upper Ontology: Abstract Concepts<br />

Core Theories: Space, Time, Causality, …<br />

Domain-Specific Theories<br />

Facts: Instances


Knowledge<br />

Base<br />

Layers<br />

Arrangement, by Generality<br />

EVENT ˝ TEMPORAL-THING ˝ INDIVIDUAL ˝ THING<br />

Upper<br />

Ontology<br />

Core<br />

Theories<br />

Domain-Specific<br />

Theories<br />

Facts<br />

(Database)<br />

Upper Ontology: Abstract Concepts


Knowledge<br />

Base<br />

Layers<br />

Arrangement, by Generality<br />

EVENT ˝ TEMPORAL-THING ˝ INDIVIDUAL ˝ THING<br />

Upper<br />

Ontology<br />

Core<br />

Theories<br />

Domain-Specific<br />

Theories<br />

Facts<br />

(Database)<br />

Upper Ontology: Abstract Concepts<br />

Core Theories: Space, Time, Causality, …<br />

For all events a and b, a causes b<br />

implies a precedes b


Knowledge<br />

Base<br />

Layers<br />

Arrangement, by Generality<br />

EVENT ˝ TEMPORAL-THING ˝ INDIVIDUAL ˝ THING<br />

Upper<br />

Ontology<br />

Core<br />

Theories<br />

Domain-Specific<br />

Theories<br />

Facts<br />

(Database)<br />

Upper Ontology: Abstract Concepts<br />

Core Theories: Space, Time, Causality, …<br />

For all events a and b, a causes b<br />

implies a precedes b<br />

Domain-Specific Theories<br />

For any mammal m and any anthrax bacteria a,<br />

m’s being exposed to a causes m to be infected by<br />

a.


Knowledge<br />

Base<br />

Layers<br />

Arrangement, by Generality<br />

EVENT ˝ TEMPORAL-THING ˝ INDIVIDUAL ˝ THING<br />

Upper<br />

Ontology<br />

Core<br />

Theories<br />

Domain-Specific<br />

Theories<br />

Facts<br />

(Database)<br />

Upper Ontology: Abstract Concepts<br />

Core Theories: Space, Time, Causality, …<br />

For all events a and b, a causes b<br />

implies a precedes b<br />

Domain-Specific Theories<br />

For any mammal m and any anthrax bacteria a,<br />

m’s being exposed to a causes m to be infected<br />

by a.<br />

Facts: Instances<br />

John is a person infected by<br />

anthrax.


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Was das Web sein sollte! sollte<br />

§ "This is a pity, as in fact documents on the web describe real<br />

objects and imaginary concepts, and give particular relationships<br />

between them... For example, a document might describe a person.<br />

The title document to a house describes a house and also the<br />

ownership relation with a person. ... This means that machines, as<br />

well as people operating on the web of information, can do real<br />

things. For example, a program could search for a house and<br />

negotiate transfer of ownership of the house to a new owner. The<br />

land registry guarantees that the title actually represents reality.”<br />

§ Tim Berners-Lee plenary presentation at WWW Geneva, 1994<br />

Michael Beetz, TU München 55


Can’t we just use XML?<br />

This is what a web-page in natural language<br />

looks like for a machine


education><br />

< work><br />

< private><br />

XML helps<br />

XML allows “meaningful tags” to be added to<br />

parts of the text<br />

< CV><br />

< name>


< education><br />

XML „ machine accessible meaning<br />

But to your machine,<br />

the tags look like this….<br />

< work><br />

< private><br />

< CV ><br />

< name >


< education ><br />

< work><br />

< private ><br />

Schemas take a step in the right direction<br />

Schemas help….<br />

< CV ><br />

< name ><br />

<br />

< education ><br />

< work><br />

< private ><br />

< CV ><br />

< name ><br />

< CV > …by relating<br />

private<br />

common terms<br />

between documents


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Web Semantics<br />

Semantic WebLayerCake (Berners-Lee, 99;Swartz-Hendler, 2001)<br />

Michael Beetz, TU München 61


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Autonome Roboter<br />

Michael Beetz, TU München 62


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Research in<br />

Image Understanding and<br />

Intelligent Autonomous Systems<br />

Michael Beetz<br />

Technische Universitat Munchen<br />

Michael Beetz, TU München 63


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

An Example from the Past<br />

The Robot Museums Tourguide Robot MINERVA<br />

•Smithsonian’s National Museum<br />

of American History<br />

•>94 hours, 13days<br />

Michael Beetz, TU München 64


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Project FIPM:<br />

Football Interaction and Process Model<br />

Michael Beetz, TU München 65


§ A research group<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

What is FIPM?<br />

§ Informal, embedded in <strong>Lehrstuhl</strong> <strong>Informatik</strong> <strong>IX</strong><br />

§ Goal: integrated intelligent information system<br />

§ Members: Michael Beetz, Christian Holzer, Donald<br />

Kossmann, Thomas Stammeier,<br />

Maximilian Leinweber, ???<br />

§ A proposed DFG research project<br />

§ Headed by: Prof. Radig, Prof. Beetz,<br />

Prof. Hartmann<br />

§ 2 researchers (CS) + 1 researcher (Sport)<br />

+ 2 student researchers<br />

§ Software application system<br />

§ Based on the Cairos sensor system<br />

§ Basic research in Intelligent Systems and Game Analysis<br />

Michael Beetz, TU München 66


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

The FIPM Vision<br />

§ We will develop an integrated intelligent<br />

software system that<br />

§ serves as a testbed for our basic research in<br />

§ Perception of intentional activity<br />

§ (probabilistic) sensor data interpretation<br />

§ Intelligent autonomous systems<br />

§ Automatic game analysis and assessment<br />

§ Databases<br />

§ …<br />

§ will be publicly demonstrated and evaluated<br />

§ eg at the World Cup 2006<br />

Michael Beetz, TU München 67


FIPM: computational problem<br />

§ Computational problem:<br />

§ Input: positional data<br />

§ Output: game analysis, game summary<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 68


Competent game analysis – an example<br />

Beim Angriff ueberden rechten Fluegelhat der Spieler X einen<br />

Fehlpass gespielt, derallerdings zu Lasten des StuermersY geht, da<br />

dieser sich falsch freigelaufen hat. Durchden Fehlpass konnte die<br />

Mannschaft B einen schnellen Gegenangriff einleiten.<br />

§ Recognizing episodes (discretization)<br />

§ “Spielfaehigkeit”<br />

§ Interactions and situation context<br />

§ Concepts and key indices<br />

§ Expressive game representation<br />

§ Activity recognition, interpretation, and<br />

assessment<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 69


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Why Soccer is so difficult<br />

§ Control over ball and passing is technically<br />

difficult<br />

§ Game without ball<br />

§ Large field<br />

§ Many action options<br />

§ High failure rates<br />

§ …<br />

Michael Beetz, TU München 70


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

A Software Workbench for<br />

Motion Segmentation and Abstraction<br />

Michael Beetz, TU München 71


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Football Home Cinema<br />

Michael Beetz, TU München 72


Assistant Coach’s Workbench<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 73


Retrieving Information from the Web<br />

BL<br />

wrapper<br />

FCK<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

wrapper<br />

Kicker<br />

wrapper<br />

DAML+OIL/XML<br />

Data base<br />

Michael Beetz, TU München 74


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Project <strong>TUM</strong>BOT<br />

including Campus Guide<br />

Connected to the WWW<br />

using software agents<br />

Michael Beetz, TU München 75


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Mapping in Orleanstrasse<br />

Michael Beetz, TU München 76


Object-oriented Object oriented Environment Maps:<br />

Regions & Gateways<br />

•Metric Map of 2D line segments<br />

•Feature vector (recognition/localization)<br />

-bounding rectangle<br />

-moments of (laser) point cloud<br />

-main axes, free space .....<br />

•Rectangles in 2D & 3D, cubes<br />

•Measureof accuracy/completeness<br />

•Connected gateways<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

•Gateway points ( )<br />

•Crossing points (x)<br />

& traversal directions<br />

•Left/Right turn, X/Tjunction,<br />

narrow passage,<br />

open/close transition<br />

•Adjacent regions<br />

Michael Beetz, TU München 77


Vision-Based<br />

Vision Based<br />

3D<br />

Landmarks<br />

•rectangles, cubes, lines<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 78


Vision-Based<br />

Vision Based<br />

3D<br />

Landmarks<br />

•rectangles, cubes, lines<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Door???<br />

Table ???<br />

Poster ???<br />

Michael Beetz, TU München 79


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Project CCD<br />

The CCD Algorithm<br />

§DAGM 2002: Best Paper Award<br />

§RoboCup Engineering Award (2002)<br />

§CVPR Conference Paper<br />

§IJCV Article accepted<br />

§Implementation State<br />

Michael Beetz, TU München 80


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Project: AGILO<br />

Semi-automatic Semi automatic Acquisition of<br />

Cooperative Visuo-motoric<br />

Visuo motoric Plans<br />

Michael Beetz, TU München 81


The AGILO Soccer Robots<br />

§ Pioneer 1 robots<br />

§ Off-the-shelf CCD<br />

cameras<br />

§ Simple differential drive<br />

§ No laser range finders<br />

§ No omni-directional vision<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Challenges:<br />

1. Restricted camera view<br />

Ł cooperation<br />

2. Vibrations,spot light,shadow<br />

Ł inaccuracies, uncertainty<br />

• Vibrations of 1-2 pixels may<br />

yield more than 0.5m<br />

inaccuracy in depth est.<br />

3. Opponents move quickly and<br />

unpredictably<br />

Ł iterate with high frequency<br />

4. Simple drive<br />

Ł difficult steering<br />

Michael Beetz, TU München 82


The AGILO RoboCuppers at Play<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 83


Snapshots from the Episode (1)<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 84


Snapshots from the Episode (2)<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 85


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

The Project Title Revisited<br />

Semi-automatic Acquisition of<br />

Visuo-motoric<br />

Cooperative Plans<br />

§ Integration of programing and learning<br />

§ Programable hierarchical robot learning<br />

§ Robocup without color labeling<br />

§ Vision based probabilistic state estimation<br />

§ Robot control programs that can not only be<br />

executed but also reasoned about and manipulated<br />

Michael Beetz, TU München 86


Given: Given<br />

RoboCup: RoboCup:<br />

Game State Estimation<br />

§Fully implemented and empirically evaluated<br />

§Self localization transferred to Sony dogs<br />

§AAAI 2002 paper & plenary oral presentation<br />

§IEEE Journal article<br />

§etc<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Estimate: Estimate<br />

Michael Beetz, TU München 87


RoboCup: RoboCup:<br />

Robot Self-localization<br />

Self localization<br />

Given:<br />

Compute:<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 88


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

RoboCup: RoboCup:<br />

Opponent Tracking<br />

Michael Beetz, TU München 89


RoboCup: RoboCup:<br />

Experience-based Experience based Learning<br />

not<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

learn to play soccer<br />

but learn to solve critical reasoning tasks<br />

Robot becomes capable of inferring<br />

§ what happens if I set the voltage of the left motor to 2 volt?<br />

§ which control signal should i issue to arrive at (-2.0,1.0) with<br />

an orientation of 96° and a velocity of 0.6 m/sec ?<br />

§ how fast can I get the ball?<br />

§ how promising is it to dribble the ball into the goal?<br />

§ etc.<br />

•Full paper at AAMAS<br />

• Journal article submitted<br />

• Library for radial basis functions<br />

Robot controllers can call inference tasks as<br />

subroutines to select appropriate actions<br />

• Individual learning tasks at IROS, RoboCup<br />

Symposium,<br />

DARS, …<br />

Michael Beetz, TU München 90


Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Example Learning Task:<br />

the model of the robot´s dynamics<br />

Learning:<br />

1. record data: states ζ and commands ξ<br />

2. neural learning of the mapping ζ,ξ -> ζ<br />

< 2 hours of data<br />

acquisition<br />

< 2 hours of data<br />

acquisition<br />

> 330 hours of data<br />

acquisition<br />

training data<br />

10000 experiments<br />

in complex state space<br />

Michael Beetz, TU München 91


Project Camera-equipped Camera equipped Rooms<br />

Vorlesung Wissensbasierte Systeme<br />

Michael Beetz, TU München 92

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