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人間との相互作用に基づく
ヒューマノイドロボット上の語順
と挙動のオンライン学習


                      東京工業大学
                    佐藤彰洋 賀小淵
                   小倉和貴 長谷川修

 電子情報通信学会論文誌, D Vol.J91-D, No.8, pp.2045-2060 (2008)
1/22
    1.1 研究の背景
   サービスロボットへの期待が高まる
       人間とのコミュニケーション(言語能力)が重要な要素
   従来型ロボットの問題点(タスク依存)
       プログラムされた状況しか対応できない
           プログラムされていない言葉で話しかけられると・・・
   プログラムされていない状況に対応するには?
       知らない言葉でも、見たり、聞いたりして意味を獲得
        できれば良い


   オンラインで追加的に言語能力を獲得
    できるロボットが求められている
2/22
1.2 言語獲得における課題
1.単語グラウンディング(単語レベルの意味理解)
    音声パターンと概念(感覚情報)の対応付け

            「赤」   対応

2.文法の学習(文章レベルの意味理解)
    語順と意味の対応付け
    同じ単語を使っても、語順が違うと違う意味
        「りんご(を)、みかん(に)、近づける」
        「みかん(を)、りんご(に)、近づける」
3/22
1.3 既存研究
問題点       ・確率的な処理→大量の学習データが必要
          ・バッチ処理→オンライン・追加学習ができない

    単語グラウンディング
      Roy, Pentlandら(2002)
         手法:音と映像のクロスモーダル情報を最大化
         問題点:静止画像を利用(動的概念を獲得できない)
        Yu, Ballardら(2004)
         手法:マルチモーダル情報の確率的な対応付け
         問題点:物体と単語が1対1に対応、追加学習に問題がある
    文法の学習
      岩橋ら(2003)
         手法:HMMによる動的概念と語順の獲得
         問題点:事前にデータを用意し、バッチ学習
4/22
1.4 本研究の特徴
   実環境で追加的・自律的に概念を獲得
   言語の意味を発達的に学習

   従来研究に対する優位性
       事前知識なしで、概念を分類
       1つのデータから学習できる
       オンラインで文法(語順)を学習
       柔軟な追加学習を実現
5/22
    1.5 研究に使用したロボット

   ステレオカメラ
       色、形、位置を取得


   自由度:12
    (首:2、片腕:5)
       指定位置に手を移動
       物体を握る・放す
6/22
2.1 単語グラウンディング
   本研究で扱う単語(4種類)
       静的概念
           色、形、物体(色と形の組み合わせ)の3種類

                  色:「赤」
                  形:「丸」
                  物体:「りんご」
       動的概念
           動き
                       「近づく」
7/22
2.2 静的概念の獲得

   概念とは
       特徴ベクトルをクラスタリング
       抽出されたクラスを概念とする


   概念と音声ラベルの対応付け
       音声の入力数を基に確率的に対応付け
        →概念の分類が可能

        例          色を表す言葉?
            「赤」は   形を表す言葉?
                   物体を表す言葉?
8/22
2.3 特徴ベクトル
   色ベクトル(3次元)
       RGBの値を0~1に正規化
   形ベクトル(8次元)
                 物体の存在する領域の割合を
                  形ベクトルの要素とする


                中心付近は無視
   物体(11次元)
       色ベクトル+形ベクトル
9/22
2.4 静的概念の形成
   SOINNによるクラスタリングの例
10/22
2.5 音声との対応付け
11/22
2.6 動的概念の獲得
   特徴量:軌跡(位置ベクトルの時系列)
       軌跡は物体の位置関係によって正規化

   動きを表す言葉
       音声は文章として与える
       未知単語と軌跡を対応付ける

    例:「りんご、みかん、近づける」

         物体   物体   未知     ※静的概念(りんご、みかん)は
                           学習済みとする


        「近づける」が動きを表すと推定
12/22
2.7 概念学習と音声との対応付け
   Supervised SOINNによる学習
       時系列データの追加学習が可能
       軌跡のアップデートが可能          HMMなど
       学習データ1つから学習可能         では難しい
       軌跡の長さに依存せずに学習

                            音声
        正
        規
        化                   動的概念
        さ
        れ                   近づける
        た
        軌
        跡                    回す
13/22
2.8 動的概念の形成
14/22
3.1 文法の学習
   ボトムアップ学習とトップダウン学習の融合
       少数の学習例から正しい文法を獲得
       アップデート可能
   ボトムアップ学習
       単語クラスの遷移確率を学習
           様々な長さの文章を生成できる
   トップダウン学習
       実世界の状況との対応付け
           文法の解釈が一意に定まる
15/22
3.2 ボトムアップ学習
   単語クラス(色、形、物体、動き、未知)による
    Bigramモデルを構築




   長さnで最も確率の高い語順を生成
16/22
3.3 トップダウン学習
   実世界の状況と対応付けて文章を解釈
       例:「りんご、みかん、近づける」




                学
                習
    「動作の主体→動作の参照点→動きの種類」
      という語順を獲得
17/22
    3.4 少数例からの文法獲得
   語順の学習例
       「りんご、みかん、近づける」を学習
           トップダウン:動作の主体→動作の参照点→動きの種類
           ボトムアップ:物体→物体→動き


   文章生成の例

                           ※静的概念(メロン、ルビー)は
                            学習済みとする



        「メロン、 ルビー、 近づける」
18/22
4.1 実験の概要
   実験に使用した物体(9種類)

               色(3種類):赤、黄色、緑
               形(3種類):丸、三角、四角



   提示した動き(6種類)
       近づける、遠ざける、またぐ、回す、上げる、下げ
        る
19/22
4.2 学習結果:物体の指差し
20/22
4.3 学習結果:物体の移動
21/22
4.4 学習結果:動きの説明
22/22
5 まとめと課題
   実現されたシステム
       事前知識のない状態から、発達的に言語能力を獲得
       人間とコミュニケーションしながら、オンラインで学習


       見たり、聞いたりすることで発達するロボットの
        最初の一歩を実現
   今後の課題
       動作を増やす(現在は6種類)
       概念を増やす(現在は、色、形など4種類)
       複雑な文法に対応する(現在は「語順」のみ)

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  • 1. 人間との相互作用に基づく ヒューマノイドロボット上の語順 と挙動のオンライン学習 東京工業大学 佐藤彰洋 賀小淵 小倉和貴 長谷川修 電子情報通信学会論文誌, D Vol.J91-D, No.8, pp.2045-2060 (2008)
  • 2. 1/22 1.1 研究の背景  サービスロボットへの期待が高まる  人間とのコミュニケーション(言語能力)が重要な要素  従来型ロボットの問題点(タスク依存)  プログラムされた状況しか対応できない  プログラムされていない言葉で話しかけられると・・・  プログラムされていない状況に対応するには?  知らない言葉でも、見たり、聞いたりして意味を獲得 できれば良い  オンラインで追加的に言語能力を獲得 できるロボットが求められている
  • 3. 2/22 1.2 言語獲得における課題 1.単語グラウンディング(単語レベルの意味理解)  音声パターンと概念(感覚情報)の対応付け 「赤」 対応 2.文法の学習(文章レベルの意味理解)  語順と意味の対応付け  同じ単語を使っても、語順が違うと違う意味  「りんご(を)、みかん(に)、近づける」  「みかん(を)、りんご(に)、近づける」
  • 4. 3/22 1.3 既存研究 問題点 ・確率的な処理→大量の学習データが必要 ・バッチ処理→オンライン・追加学習ができない  単語グラウンディング  Roy, Pentlandら(2002) 手法:音と映像のクロスモーダル情報を最大化 問題点:静止画像を利用(動的概念を獲得できない)  Yu, Ballardら(2004) 手法:マルチモーダル情報の確率的な対応付け 問題点:物体と単語が1対1に対応、追加学習に問題がある  文法の学習  岩橋ら(2003) 手法:HMMによる動的概念と語順の獲得 問題点:事前にデータを用意し、バッチ学習
  • 5. 4/22 1.4 本研究の特徴  実環境で追加的・自律的に概念を獲得  言語の意味を発達的に学習  従来研究に対する優位性  事前知識なしで、概念を分類  1つのデータから学習できる  オンラインで文法(語順)を学習  柔軟な追加学習を実現
  • 6. 5/22 1.5 研究に使用したロボット  ステレオカメラ  色、形、位置を取得  自由度:12 (首:2、片腕:5)  指定位置に手を移動  物体を握る・放す
  • 7. 6/22 2.1 単語グラウンディング  本研究で扱う単語(4種類)  静的概念  色、形、物体(色と形の組み合わせ)の3種類 色:「赤」 形:「丸」 物体:「りんご」  動的概念  動き 「近づく」
  • 8. 7/22 2.2 静的概念の獲得  概念とは  特徴ベクトルをクラスタリング  抽出されたクラスを概念とする  概念と音声ラベルの対応付け  音声の入力数を基に確率的に対応付け →概念の分類が可能 例 色を表す言葉? 「赤」は 形を表す言葉? 物体を表す言葉?
  • 9. 8/22 2.3 特徴ベクトル  色ベクトル(3次元)  RGBの値を0~1に正規化  形ベクトル(8次元) 物体の存在する領域の割合を 形ベクトルの要素とする 中心付近は無視  物体(11次元)  色ベクトル+形ベクトル
  • 10. 9/22 2.4 静的概念の形成  SOINNによるクラスタリングの例
  • 12. 11/22 2.6 動的概念の獲得  特徴量:軌跡(位置ベクトルの時系列)  軌跡は物体の位置関係によって正規化  動きを表す言葉  音声は文章として与える  未知単語と軌跡を対応付ける 例:「りんご、みかん、近づける」 物体 物体 未知 ※静的概念(りんご、みかん)は 学習済みとする 「近づける」が動きを表すと推定
  • 13. 12/22 2.7 概念学習と音声との対応付け  Supervised SOINNによる学習  時系列データの追加学習が可能  軌跡のアップデートが可能 HMMなど  学習データ1つから学習可能 では難しい  軌跡の長さに依存せずに学習 音声 正 規 化 動的概念 さ れ 近づける た 軌 跡 回す
  • 15. 14/22 3.1 文法の学習  ボトムアップ学習とトップダウン学習の融合  少数の学習例から正しい文法を獲得  アップデート可能  ボトムアップ学習  単語クラスの遷移確率を学習  様々な長さの文章を生成できる  トップダウン学習  実世界の状況との対応付け  文法の解釈が一意に定まる
  • 16. 15/22 3.2 ボトムアップ学習  単語クラス(色、形、物体、動き、未知)による Bigramモデルを構築  長さnで最も確率の高い語順を生成
  • 17. 16/22 3.3 トップダウン学習  実世界の状況と対応付けて文章を解釈  例:「りんご、みかん、近づける」 学 習 「動作の主体→動作の参照点→動きの種類」 という語順を獲得
  • 18. 17/22 3.4 少数例からの文法獲得  語順の学習例  「りんご、みかん、近づける」を学習  トップダウン:動作の主体→動作の参照点→動きの種類  ボトムアップ:物体→物体→動き  文章生成の例 ※静的概念(メロン、ルビー)は 学習済みとする 「メロン、 ルビー、 近づける」
  • 19. 18/22 4.1 実験の概要  実験に使用した物体(9種類) 色(3種類):赤、黄色、緑 形(3種類):丸、三角、四角  提示した動き(6種類)  近づける、遠ざける、またぐ、回す、上げる、下げ る
  • 23. 22/22 5 まとめと課題  実現されたシステム  事前知識のない状態から、発達的に言語能力を獲得  人間とコミュニケーションしながら、オンラインで学習  見たり、聞いたりすることで発達するロボットの 最初の一歩を実現  今後の課題  動作を増やす(現在は6種類)  概念を増やす(現在は、色、形など4種類)  複雑な文法に対応する(現在は「語順」のみ)