Boid の実装とアフォーダンス理論による考察

(1)

2004 _年度 _卒業論文

Boid の実装とアフォーダンス理論による考察

指導教授村岡洋一教授 2005 年 2 月 2 日

早稲田大学理工学部情報学科

1G99P014-4

岩田隆

(2)

第 1 _{章序論}

本論文では人工生命Ｂｏｉｄについて、アフォーダンス理論による一般化フレーム問題の擬似解決について述べる。

1.1 本研究の背景

人工知能研究における最大の難問にフレーム問題という問題がある。Lispを考

案したMcCarthyらによって指摘されたこの問題は、それ以来人工知能の知識表

現における本質的な問題として様々な議論がなされてきた。フレーム問題は問題の定義も研究者によって異なり、人工知能研究だけではなく、認知心理学的側面、

哲学的側面などからも多くの議論がなされてきた。現在このフレーム問題の議論はその解決不可能性を踏まえた上で、なぜ人間や動物はフレーム問題に悩まされることなく生活できるのか、という擬似解決の問題へ焦点が変わってきている。

1.1.1 フレーム問題

McCarthyらが指摘したフレーム問題は当初、二つの状態の間で何が変化して何

が変化しないかをどのように効率的に記述すればよいか、という問題であった。この記述の量をいかに減らすかというフレーム問題は、McDermottらの非単調論理などの解決のアプローチがなされてきた。

1.1.2 一般化フレーム問題

一般化フレーム問題というのは、従来の人工知能におけるフレーム問題の議論が記述の問題のみであったことを踏まえて、記述の問題だけではなく処理の問題も統合して考えるべきであるという立場から、松原らによって提唱されたフレーム問題の定義である。一般化フレーム問題は、情報処理の主体が有限であることから、膨大な情報のうちの一部分しか参照することができないことから生じる問題であり。有限の情報処理能力しか持たない主体にとっては完全に解決することは不可能である。

1

(5)

1.1.3 擬似解決

一般化フレーム問題が解決不可能であるにもかかわらず、人間や動物は日常においてこの問題が障害になっていない。多くの場合に人間や動物があたかも一般化フレーム問題を解決しているのは何故かという問題を、擬似解決の問題と呼ぶ。

(6)

1.2 本研究の目的

人間がどのようにしてフレーム問題を回避しているか、擬似解決の問題は今もなお未解決のまま残されている。本研究では、人工生命Ｂｏｉｄを実装し、Ｂｏｉｄがなぜフレーム問題に遭わないか、どのようにして擬似解決しているかを明らかにすることを目的とする。この研究により、Ｂｏｉｄの擬似解決の方法を明らかにすることは、コンピュータ上に人間の知能モデルの構築を目指す人工知能研究における難題であるフレーム問題の擬似解決を実現するための手がかりになると考えられる。

3

(7)

1.3 本研究の内容

本論文では、アフォーダンス理論が人間の一般化フレーム問題の擬似解決の説明となりうることを述べた上で、人工生命Ｂｏｉｄを実装し、Ｂｏｉｄにアフォーダンス理論を適用してＢｏｉｄがいかにして擬似解決をおこなっているかを検証した。Ｂｏｉｄは３つのルールによりアフォーダンス理論を部分的に実現し、擬似解決を達成しているが、人間並みの擬似解決を行わせるためには、環境そのものの変化に対応するアフォーダンス理論における動的な知覚システムを構築する必要があることが分かった。

(8)

1.4 本論文の構成

本論文は５章からなる。

第１章本論文の研究背景、目的、概要、構成について述べる。

第2章アフォーダンス理論についてと、人間の擬似解決について述べる。

第3章人工生命Ｂｏｉｄについてと、Ｂｏｉｄの実装について述べる。

第4章Ｂｏｉｄに対しての考察を述べる。

第5章本論文のまとめと、今後の課題について述べる。

5

(9)

第 2 章アフォーダンス理論

本章ではアフォーダンス理論について述べる。

2.1 アフォーダンス理論とは

アメリカの知覚心理学者Gibsonによって提唱された知覚の理論。初期の人工知能のベースとなっていたデカルトの知覚理論などの従来の知覚理論では、人間は環境から刺激を受け、それを脳の中で処理して意味のある情報を得ていると考えられてきた。しかし、アフォーダンス理論では、情報は人間を取り巻く環境そのものに実在していると考える。

2.1.1 アフォーダンス

アフォーダンスとは、知覚者へ環境が与える価値のある情報である。環境内の存在するものは全てアフォーダンスを持ち、ぞれぞれのものに無数のアフォーダンスが存在している。知覚者はそれらのアフォーダンスを知覚システムによってピックアップして行動しているのである。

2.1.2 知覚システム

Gibsonは脊椎動物には、「基礎的定位づけシステム」・「聞くシステム」・「触るシ

ステム」・「味わい・嗅ぐシステム」・「視るシステム」の５つの知覚システムを持つとした。知覚システムは、動物がいままでどのような環境と接触してきたかによって個性的であり、知覚システムの動作は環境にあわせて変化しつづける。

(10)

2.2 人間の一般化フレーム問題の擬似解決

では、アフォーダンス理論は人間の擬似解決の問題の解決方法となりうるだろうか。Gibsonはアフォーダンス理論において、フレーム問題に関しての言及は行っていない。アフォーダンス理論によれば、人間は知覚システムによって環境内に存在する無数の情報の中から価値のある情報を探索している。擬似解決の問題とは、有限の処理能力しか持たない人間がどのようにして膨大な情報を処理しているかという問題であり、アフォーダンス理論は擬似解決の問題の解答の１つになりうると考えられる。

7

(11)

第 3 _章 Boid

本章ではＢｏｉｄについてと、本研究で実装したＢｏｉｄについて述べる。

3.1 Boid _とは

Ｒｅｙｎｏｌｄｓによって作られた人工生命で、Ｂｉｒｄｏｉｄ（鳥もどき）の略称。簡単な３つのルールで、鳥の編隊飛行を実現した。Ｂｏｉｄの考え方は、群れ行動生成アルゴリズムともよばれ、生態系のシミュレーションやＣＧアニメーションにおける生き物の集団の行動に応用されている。

(12)

3.2 Boid の３つのルール

Ｂｏｉｄの３つのルールは以下の通り。

3.2.1 Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ

視野の中で最も近くにいるＢｏｉｄの反対方向へ向かう

9

(13)

3.2.2 Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ

視野の中の全てのＢｏｉｄと同じ（平均化された）方向を向く

(14)

3.2.3 Ｃｏｈｅｓｉｏｎ

視野の中にいる全ての個体の中心点へ向かう

11

(15)

3.3 Ｂｏｉｄの実装

本研究で実装したＢｏｉｄの概要について述べる。

3.3.1 Boid の描画

Ｂｏｉｄの行動を分かりやすくするために、Ｂｏｉｄ本体に加えて、視野範囲と反発範囲を描画した。

(16)

3.3.2 Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎの実装

視野内にいる一番近いＢｏｉｄが、反発範囲にいた場合反対方向への移動ベクトルを計算する。

3.3.3 Ａｌｉｇｎｍｅｎｔの実装

視野内にいるＢｏｉｄとの平均方向への移動ベクトルを計算する。

3.3.4 Ｃｏｈｅｓｉｏｎの実装

視野内にいるＢｏｉｄの重心へ向かう移動ベクトルを計算する。

3.3.5 Ｂｏｉｄの移動ベクトル

３つの移動ベクトルを足したものがＢｏｉｄの移動ベクトルとなる。

13

(17)

3.4 実装したＢｏｉｄの実行画像

(18)

第 4 _{章考察}

本章では、Ｂｏｉｄの一般化フレーム問題の擬似解決についての考察を述べる。

4.1 Boid の一般化フレーム問題の擬似解決

4.1.1 Boid の一般化フレーム問題とは

Ｂｏｉｄの一般化フレーム問題の擬似解決を考える上で、Ｂｏｉｄの一般化フレーム問題とは何かということを明らかにする必要がある。一般化フレーム問題とは、１章でも述べた通り、無数の状態の全てを記述、処理することはできないという問題である。Ｂｏｉｄは３つのルールに従い、時間の経過とともに無数の状態を作り出す。もし、Ｂｏｉｄが一般化フレーム問題に直面しているのであれば、

Ｂｏｉｄは無数の状態を記述、処理できずに動けなくなってしまうはずである。

4.1.2 Boid の擬似解決

Ｂｏｉｄが一般化フレーム問題に直面していた場合、Ｂｏｉｄは動けないはずであるにも関わらず、Ｂｏｉｄは何の問題もなく動いている。つまり、擬似解決を行っているのである。Ｂｏｉｄはその実装において、Ｂｏｉｄの無数の状態に関しての記述、処理は行っていない。従来の人工知能においては、知識表現をいかに記述、処理するかという研究がなされてきたが、Ｂｏｉｄはそれを行わず、一般化フレーム問題を回避しているのである。

15

(19)

4.2 Boid へのアフォーダンス理論の適用

知識表現を記述、処理するという人工知能の考え方は、デカルトの知覚理論がベースとなっていたが、Ｂｏｉｄは状態の記述、処理は行っていない。つまり、デカルトの知覚理論とは異なる理論で情報処理を行っていると考えられる。そこで、

新しい知覚理論であるアフォーダンス理論をBoidに適用して考えてみた。Ｂｏｉｄはアフォーダンス理論を元にして作られたわけではないが、以下の点においてアフォーダンス理論を部分的に実現していると考えられる。

4.2.1 Boid の持つアフォーダンス

アフォーダンス理論では、環境内に存在する全てのものが無数のアフォーダンスを持つとする。アフォーダンスを言葉で表現することは難しいが、Ｂｏｉｄの行動を踏まえたうえで各Ｂｏｉｄが持つアフォーダンスを考えると、ぶつかる・はぐれる・並ぶなどが挙げられる。これらのアフォーダンスがＢｏｉｄの知覚システムを通してＢｏｉｄの動きを決定している。

4.2.2 Ｂｏｉｄの知覚システム

Ｂｏｉｄの知覚システムは、２章で述べた知覚システムのうちの、「基礎的定位づけシステム」と「視るシステム」の二つと似た知覚システムを持っていると考えられる。視野内に存在するＢｏｉｄは全て、並ぶアフォーダンスを持ち、Ｂｏｉｄの「基礎的定位づけシステム」によって視野内のＢｏｉｄと同じ方向を向く。

視野内の存在するＢｏｉｄは全て、はぐれるアフォーダンスを持ち、Ｂｏｉｄの

「視るシステム」によって視野内のＢｏｉｄの中心へ向かう。反発範囲内に存在するＢｏｉｄは、ぶつかるアフォーダンスをもち、Ｂｏｉｄの「視るシステム」のよって反発範囲内のＢｏｉｄの反対方向へ向かう。

(20)

第 5 _{章結論}

5.1 総括

本論文では、アフォーダンス理論という認知科学の理論の観点から、人工知能の難題であるフレーム問題の擬似解決に関して、人工生命Ｂｏｉｄの擬似解決について考察を行った。Ｂｏｉｄは状態の変化を記述、処理するのではなく、３つのルールによってアフォーダンス理論を部分的に実現することによって擬似解決を達成している。このことは、ある環境内におけるアフォーダンスと、そのアフォーダンスに対応する知覚システムを構築できれば、あらゆる状態の変化に対応することができることを示している。

17

(21)

5.2 今後の課題

Ｂｏｉｄは３つのルールにより、Ｂｏｉｄの環境内に存在する３つのアフォーダンスに対応する知覚システムを構成している。しかし、人間や動物が活動する環境は、環境そのものが常に変化している。人工知能の目標は人間であり、人間が行っている擬似解決を実現するためには、変化し続ける環境内のアフォーダンスをどのように定義し、そのアフォーダンスに対応する動的な知覚システムをどのように構築するかが課題となる。

(22)

謝辞

貴重な時間を割いて研究の方向性を御指導頂きました村岡洋一教授に心から感謝致します。

貴重な御意見，様々な御提案を頂いた村岡ゼミ、研究室の先輩方、同輩に深く感謝します。

最後に，私をここまで育てて下さった家族に深く感謝します．

2005年2月2日

19

(23)

Boid の実装とアフォーダンス理論による考察

2004 年度 卒業論文