王勁東，武 頻，朱永華

(上海大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院,上海 200444)

基于Jena的電影素材領(lǐng)域本體構(gòu)建及推理研究

王勁東，武 頻，朱永華

(上海大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院,上海 200444)

在電影素材數(shù)字化和大數(shù)據(jù)環(huán)境下能夠快速準(zhǔn)確地檢索到目標(biāo)電影素材,實(shí)現(xiàn)電影素材的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，減少人工干預(yù)成為快速語(yǔ)義檢索和智能推薦的研究重點(diǎn)。為了解決該問(wèn)題，提出了一種基于Jena的電影素材領(lǐng)域本體推理模型。在電影領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c下抽取電影素材相關(guān)術(shù)語(yǔ)和概念，然后根據(jù)OWL語(yǔ)言規(guī)則，利用本體建模工具Protégé構(gòu)建電影素材領(lǐng)域本體，并進(jìn)行了語(yǔ)義公理和自定義規(guī)則的推理，描述了本體概念、屬性相互之間的關(guān)系及本體構(gòu)建和推理的細(xì)節(jié)。建立了一個(gè)基于Lucene影視素材的檢索查詢系統(tǒng)，進(jìn)行了基于關(guān)鍵字查詢和拓展查詢。結(jié)果表明,該本體推理模型可以很好地對(duì)電影素材的知識(shí)進(jìn)行表示，支持基于語(yǔ)義推理的智能查詢，并且有較高的效率。

電影素材；領(lǐng)域本體；Jena；推理

0 引 言

電影素材蘊(yùn)含著豐富的價(jià)值，是電影制作過(guò)程的藝術(shù)寶庫(kù)。電影素材本身包含的知識(shí)與電影素材知識(shí)庫(kù)相結(jié)合能夠大大豐富電影素材的信息，為電影制作提供信息。在影視動(dòng)漫創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)實(shí)施過(guò)程中，作為影視動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，電影素材的管理維護(hù)在電影文化創(chuàng)意及制作業(yè)務(wù)的全流程中起到了至關(guān)重要的作用。它需要一套有效的電影素材數(shù)據(jù)資源庫(kù)的管理技術(shù)與工具。視頻制作過(guò)程的海量信息，包括維護(hù)文本、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、視頻、音頻等結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化三種大數(shù)據(jù)。

電影素材語(yǔ)義模型包括：電影素材是什么，電影素材可以應(yīng)用在哪里制作場(chǎng)景以及電影素材的應(yīng)用環(huán)境。因此，電影素材信息不僅包括電影素材的色彩、形狀、內(nèi)容以及制作信息等，更重要的是電影素材本身所蘊(yùn)含的藝術(shù)價(jià)值以及對(duì)當(dāng)時(shí)社會(huì)、人文信息的反映。目前，在多媒體檢索領(lǐng)域主要有基于文本的檢索和基于內(nèi)容的檢索。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下,基于文本的檢索的查全率和查準(zhǔn)率不高。因此，文中研究電影素材整體和電影素材部件、電影素材部件和部件間的關(guān)系，通過(guò)電影素材語(yǔ)義標(biāo)注方法標(biāo)注的電影素材的內(nèi)容設(shè)計(jì)并構(gòu)建一個(gè)領(lǐng)域本體。通過(guò)該本體對(duì)檢索條件進(jìn)行推理，實(shí)現(xiàn)電影素材整體、電影素材部件的檢索。

1 相關(guān)工作

目前對(duì)海量非結(jié)構(gòu)化的電影素材數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索往往達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—MPEG-7可以很好地描述媒體內(nèi)容，逐漸成為基于內(nèi)容描述和檢索的規(guī)范。李偉等[1]提出了基于內(nèi)容的電影動(dòng)畫(huà)素材檢索；劉東波建立了基于本體的動(dòng)畫(huà)素材檢索系統(tǒng)[2]；郭嘉琦[3]建立了基于本體的電影領(lǐng)域檢索模型；曾維明[4]建立了基于本體的電影領(lǐng)域的推薦系統(tǒng)。但是目前電影素材的檢索還是基于電影領(lǐng)域的某一塊領(lǐng)域，并沒(méi)有從整個(gè)電影領(lǐng)域去實(shí)現(xiàn)電影素材的關(guān)聯(lián)。

文中的基于語(yǔ)義本體的電影素材分類(lèi)方法以及語(yǔ)義推理的電影素材檢索研究包括兩方面的特色：

(1)電影素材領(lǐng)域本體的構(gòu)建是整個(gè)研究的核心。構(gòu)建一個(gè)完整的包含電影素材各種關(guān)系的本體將為后續(xù)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，包括電影素材的構(gòu)件部件、大小、位置、時(shí)間、主題等元數(shù)據(jù)信息，涵蓋了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、歷史、建筑、人文、動(dòng)漫等多領(lǐng)域語(yǔ)義信息。

(2)電影素材的檢索效果與推理展示關(guān)系用戶滿意度。將電影素材與電影素材關(guān)聯(lián)起來(lái)，為電影制作人員所用，并能夠快速準(zhǔn)確地得到電影素材及其相關(guān)的電影素材是文中的重點(diǎn)。

2 本體相關(guān)概念

所謂本體[5](Ontology)是一種共享概念模型的形式化規(guī)范說(shuō)明，是對(duì)知識(shí)世界的一種描述。該定義主要包含四層含義：概念模型、明確、形式化和共享。其中，概念模型是指從客觀世界中抽象出事物的相關(guān)概念并建立其相應(yīng)的關(guān)系而得到的模型，該模型所表現(xiàn)的含義不同于具體的一些環(huán)境狀態(tài)；明確是指在本體所使用的概念及這些概念的相關(guān)約束條件都有著明確的定義；形式化是指本體能被計(jì)算機(jī)處理，如果不能被計(jì)算機(jī)處理，這個(gè)本體就是無(wú)意義的；共享是指本體中體現(xiàn)的是人類(lèi)共同認(rèn)可的知識(shí)，它反映的是相關(guān)領(lǐng)域中被公認(rèn)的概念集。

2.1 領(lǐng)域本體

所謂的領(lǐng)域本體[6](domain-specific ontology)就是對(duì)學(xué)科領(lǐng)域的一種知識(shí)描述，包括學(xué)科中的概念、屬性、概念間的關(guān)系以及屬性間關(guān)系的約束。特定的學(xué)科知識(shí)都有顯著的領(lǐng)域特性，而領(lǐng)域本體能夠更為合理而有效地進(jìn)行學(xué)科知識(shí)的表示。領(lǐng)域本體可以表示某一特定領(lǐng)域范圍內(nèi)的特定知識(shí)。這里的“領(lǐng)域”是根據(jù)領(lǐng)域本體構(gòu)建者的需求來(lái)確立的，它可以是某個(gè)特定學(xué)科領(lǐng)域，或者這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的某個(gè)特定范圍，也可以是幾個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)合。

2.2 領(lǐng)域本體的構(gòu)建

理論上，可以通過(guò)5種類(lèi)型的構(gòu)件類(lèi)/概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例來(lái)形式化描述一個(gè)本體。領(lǐng)域本體的類(lèi)(Classes)和概念(Concepts)的含義很廣泛，可以指任何事物的描述，如功能、行為、工作描述或者策略和推理過(guò)程等，是對(duì)領(lǐng)域知識(shí)術(shù)語(yǔ)的描述。

文中用C表示類(lèi)集，I表示類(lèi)集中的實(shí)例集，R表示關(guān)系集合，Ax表示公理集合，來(lái)約束類(lèi)間的屬性及關(guān)系，所以本體可以表示為一個(gè)四元組，O=(C,I,R,Ax)。若把上述關(guān)系集合R劃分成函數(shù)和關(guān)系，即加入函數(shù)F,公理A，那么就把四元組變成五元組[7]，O=(C,R,F,A,I),作為基本的建模原語(yǔ)。

領(lǐng)域本體的構(gòu)建一般都有領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c。領(lǐng)域本體的構(gòu)建方法[8]主要有METHONTOLOGY、骨架法、KACTUS工程法、SENSUS法、IDEF-5方法、七步法等。不同的領(lǐng)域本體可以采用不同的構(gòu)建方法，文中主要采用斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的七步法構(gòu)建本體。

2.3 Jena簡(jiǎn)介

Jena[9]是一個(gè)基于Java框架的本體語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具包，最早來(lái)源于SIRPAC API的工作，可以支持多種本體描述語(yǔ)言構(gòu)建本體。Jena自帶相關(guān)推理機(jī)制，有著完整的本體解析、存儲(chǔ)、推理和查詢函數(shù)以及相關(guān)調(diào)用接口[10]。構(gòu)建本體是為了讓計(jì)算機(jī)能解析本體并進(jìn)行推理，得到需要拓展和一些隱藏的信息。領(lǐng)域本體在通過(guò)一致性檢驗(yàn)后，存入知識(shí)庫(kù)中并進(jìn)行推理，得到額外的隱含信息[11],即推薦出來(lái)的信息。Jena2提供了ARQ查詢引擎，實(shí)現(xiàn)RDQL和SPARQL查詢語(yǔ)言，從而支持對(duì)模型的查詢。另外，查詢引擎與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，可以將本體中的數(shù)據(jù)存入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中?；贘ena的推理機(jī)支持OWL[12]的公理推理和自定義規(guī)則的推理；將已生成的本體模型同相應(yīng)的推理機(jī)聯(lián)合，能從本體所描述的實(shí)例和類(lèi)中推出隱含信息。

3 電影素材本體的本體模型的構(gòu)建

3.1 本體模型的建立

(1)確定核心類(lèi)及類(lèi)的等級(jí)關(guān)系。電影素材領(lǐng)域本體是以現(xiàn)有的影視素材網(wǎng)站和多媒體文件為知識(shí)源所構(gòu)建的，電影素材本體主要分為五個(gè)核心類(lèi)：文本(影視評(píng)論、劇本、演員導(dǎo)演信息、影視新聞等等)、圖片、視頻、音頻、工具(影視制作工具)。其中，圖片的子類(lèi)又可以分為人物、動(dòng)物、植物、自然景觀、人文景觀、物品、社會(huì)紀(jì)實(shí)(真實(shí)反映具有實(shí)效性的人或事，災(zāi)難、戰(zhàn)爭(zhēng)、貧困等)、生活百態(tài)(反映社會(huì)各階層人群的社會(huì)活動(dòng)和社會(huì)現(xiàn)象)，其中人文景觀的子類(lèi)又包括城市、街道、建筑、園林、民居等。圖1為部分電影素材本體概念簡(jiǎn)單層次圖。

圖1 部分電影素材本體概念簡(jiǎn)單層次圖

(2)確定類(lèi)間非等級(jí)的語(yǔ)義關(guān)系。分析電影素材及結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)確定整體部分關(guān)系、同義關(guān)系、不相交關(guān)系、操作關(guān)系等。創(chuàng)建的概念間語(yǔ)義關(guān)系如下：

整體與部分關(guān)系(IsPartOf)指概念間的構(gòu)成關(guān)系,如設(shè)置“城市景觀”類(lèi)的部分類(lèi)為街道類(lèi)、民居類(lèi)、建筑類(lèi)和園林類(lèi)。

同義關(guān)系(equal)指概念之間或者屬性之間有相同的含義，如周星馳和“星爺”指同一個(gè)人。

不相交關(guān)系(disjointWith)指概念間沒(méi)有交集,如“動(dòng)物叫聲”和“人類(lèi)聲音”。

操作關(guān)系指概念間存在操作或者被處理關(guān)系，如視頻剪輯工具可以處理視頻。

(3)確定數(shù)據(jù)屬性。本體的層次概念確定以后，還要確定概念的數(shù)據(jù)屬性，例如圖片類(lèi)的子類(lèi)—人物類(lèi)主要包括人物類(lèi)型、人物行為、版權(quán)、景別(近景、中景、遠(yuǎn)景、全景、特寫(xiě))、拍攝角度(正平視、仰視、斜視、俯視、側(cè)視)、季節(jié)(春季、夏季、秋季)、格式(jpg、bmp、gif等)，父類(lèi)的屬性子類(lèi)一定也會(huì)繼承。

(4)構(gòu)建本體。目前本件構(gòu)建工具一般采用Protégé(斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物信息研究中心開(kāi)發(fā)的一款本體構(gòu)建工具)，它是基于Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的用來(lái)進(jìn)行知識(shí)獲取和本體編輯的軟件。Protégé提供了本體概念類(lèi)、屬性、關(guān)系和實(shí)例的構(gòu)建，并且用戶只需在本體概念層次上進(jìn)行領(lǐng)域本體模型的構(gòu)建，進(jìn)而屏蔽了具體的本體描述語(yǔ)言。Protégé4.3的特點(diǎn)是插件可以拓展特殊的功能，具有方便快捷的圖形化的用戶界面，簡(jiǎn)單易用，支持OIL、DAMA、OWL、RDF等語(yǔ)言，適合本體的概念化和形式化階段。圖2為電影素材本體的部分圖解。

圖2 電影素材本體的部分圖解

(5)創(chuàng)建實(shí)例。以Picture類(lèi)的子類(lèi)Human為例，取電影《大話西游》的一張圖片，如圖3所示。

圖3 《大話西游》圖片實(shí)例

生成的OWL文件片段如圖4所示。

圖4 人物圖片實(shí)例的OWL文件片段

可以看出，該圖片名稱為XiYou_23，人物個(gè)數(shù)為兩位，人物行為為站立，圖片格式為jpg,人物類(lèi)別為青年，圖片版權(quán)屬于電影《大話西游》，景別為中景，視角為仰視，圖片中人物所處的季節(jié)為冬季。

3.2 基于電影素材本體的推理規(guī)則構(gòu)造

文中采用的是基于Jena的推理技術(shù)。在構(gòu)建本體的過(guò)程中，通過(guò)推理機(jī)對(duì)其一致性進(jìn)行檢測(cè)并得到一些隱含的信息。Jena內(nèi)自帶了一個(gè)通用的規(guī)則推理機(jī)，該推理機(jī)根據(jù)其自帶的前向鏈、后向鏈以及混合的規(guī)則觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行解釋的方式進(jìn)行推理[13]。該推理機(jī)除了支持OWL的公理推理，還可以基于自定義規(guī)則的推理，在推理過(guò)程中把需要進(jìn)行查詢推理的本體和推理機(jī)進(jìn)行綁定，進(jìn)而得到需要檢索的模型對(duì)象InfModel。最后借助Model API和Ontology API就可以對(duì)已建立的模型對(duì)象進(jìn)行操作和處理。

Jena本身已經(jīng)自帶了一定的通用推理規(guī)則，用于檢查概念的可滿足性以及類(lèi)之間的關(guān)系和屬性的傳遞性、互逆、不相交等其他一些通用推理規(guī)則。通過(guò)這些通用規(guī)則可以對(duì)本體類(lèi)別信息、屬性信息和實(shí)例信息進(jìn)行拓展推理和查詢。基于電影素材本體的基本規(guī)則歸納如表1所示。

例如傳遞性的規(guī)則1，對(duì)稱性的規(guī)則6和屬性繼承規(guī)則11可以描述為：

Rule1:(?a rdfs:subClassOf ?b),(?b rdfs:subClassOf ?c)->(?a rdfs:subClassOf ?c)

Rule6:(?a name ?b)->(?b name ?a)

Rule11:(?a rdfs:subClassOf ?b),(?a has ?q)->(?b has ?q)

表1 電影素材本體的基本規(guī)則

為了滿足在應(yīng)用過(guò)程中的個(gè)性化需求，還可以自定義一些推理規(guī)則作為對(duì)基本推理規(guī)則的補(bǔ)充。自定義規(guī)則的構(gòu)造是根據(jù)本體中的邏輯結(jié)構(gòu)推理出某類(lèi)或者某個(gè)實(shí)例不存在或者不明顯的屬性，也就是隱含的信息。例如

Rule14:(?a has property ?q),(?q>100 M)->(?a is a big vidio)

Rule15:(?a part of ?b ),(?b hasSeason winter)->(?b hasSeason winter)

Rule16:(?a hasname ?q),(?b songname ?q)->(?a part of ?b )

Rule14的意思是視頻片段a擁有屬性q(視頻大小)，如果q的值大于100 M,則認(rèn)為視頻片段a是大視頻。

Rule15表示圖片a是b的局部圖片，如果b圖片季節(jié)屬性為冬季，則a圖片季節(jié)屬性也是冬季。

Rule16表示音頻類(lèi)文件音樂(lè)類(lèi)的子類(lèi)歌曲實(shí)例a名字為q,且視頻類(lèi)的子類(lèi)音樂(lè)類(lèi)的子類(lèi)mv類(lèi)的實(shí)例屬性“歌名”為q,則認(rèn)為音頻a為視頻b的一部分。

4 基于推理規(guī)則的查詢實(shí)現(xiàn)

通過(guò)Jena的推理引擎對(duì)定義的規(guī)則進(jìn)行推理，然后將滿足條件的實(shí)例加入到相應(yīng)的查詢結(jié)果中，如下所示：

Rule17:(?a belongArea china),(?a issueYear ?q),(?q>2013)->(?a is new Chinese song MV);

這條規(guī)則的推理結(jié)果是滿足發(fā)行年代大于2013的內(nèi)地歌曲MV實(shí)例歸類(lèi)最新內(nèi)地歌曲MV,是音樂(lè)類(lèi)的子類(lèi)，音樂(lè)類(lèi)又是電影片段的子類(lèi)。歌曲MV擁有發(fā)行年代(issueYear)、地區(qū)(belongArea)、歌手(singer)、時(shí)長(zhǎng)(duration)、格式(vidioStyle)、歌曲類(lèi)型(songStyle)等基本屬性。

推理過(guò)程主要是：使用Model Fctory中的CreateOntology Model方法來(lái)創(chuàng)建model，加載本體模型文件Movie.owl，然后加載推理規(guī)則文件Movie.rules，接著創(chuàng)建推理機(jī)reasoner，使用Create infModel()方法來(lái)創(chuàng)建含有推理規(guī)則的模型對(duì)象infModel，最后推理并產(chǎn)生結(jié)果。圖5是對(duì)“最新內(nèi)地歌曲MV”的查詢結(jié)果。

圖5 對(duì)“最新內(nèi)地歌曲MV”的查詢展示

建立基于Lucene搜索引擎[14]的查詢系統(tǒng)。由圖5可以看出,在搜索框輸入“最新內(nèi)地歌曲MV”的查詢結(jié)果為《Love With You》和《老婆》，其展示結(jié)果按照MV發(fā)行年份的順序排序，展示框的右邊顯示的是實(shí)例的父類(lèi)及更上層的類(lèi)。雖然該電影素材本題庫(kù)中的實(shí)例還不夠完善，但是從查詢結(jié)果來(lái)看，不僅完全滿足了查詢要求，而且很高效。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中采用本體構(gòu)建工具Protégé4.3完成了電影素材領(lǐng)域本體的構(gòu)建，并利用該模型進(jìn)行了有效的電影素材推薦。主要內(nèi)容如下：

(1)梳理出電影領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)，并根據(jù)抽取的術(shù)語(yǔ)構(gòu)建概念模型，用本體建模工具Protégé4.3完成了電影素材領(lǐng)域本體的構(gòu)建。

(2)根據(jù)本體推理工具Jena進(jìn)行了語(yǔ)義公理和自定義規(guī)則的推理,并通過(guò)實(shí)例查詢驗(yàn)證了推理的有效性。

文中構(gòu)建的電影素材本體及其推理方法可以廣泛用于電影素材的檢索查詢和電影素材的推薦，但是由于電影素材本體涵蓋太多的概念，在領(lǐng)域本體的構(gòu)建過(guò)程中還不夠完善。下一步研究將會(huì)完善電影素材本體及其規(guī)則庫(kù)，將Jena推理技術(shù)和本體概念相似度計(jì)算相結(jié)合進(jìn)行電影素材的拓展查詢和智能推薦。

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Research on Reasoning and Construing of Movie Material Domain Ontology Based on Jena

WANG Jin-dong,WU Pin,ZHU Yong-hua

(School of Computer Engineering and Science,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Under the environment of the digitization of movie material and the big data,it is the focus of research for fast semantic retrieval and intelligent recommendation to quickly and accurately retrieve the target film material,and realize the automatic relevance of movie material and reduce the manual intervention.In order to solve the problem,a reasoning model of domain ontology for movie material based on Jena is proposed.The related terms and concepts of film material is extracted with the participation of experts in the field of cinema,then the movie material domain ontology is constructed with the ontology modeling tool Protégé based on OWL rules.Then,it uses inference engine to perform reasoning for semantic axioms and user-defined rules,which describes the relationship of concept and attributes of ontology with each other and the details of the construction and reasoning for the ontology.Search query system is constructed based on Lucene,supporting keyword-based query and expand query.The results show that the model can well represent the movie material knowledge,supporting intelligent recommendation based on the semantic reasoning with a high efficiency.

movie material;domain ontology;Jena;reasoning

2015-09-26

2015-12-29

時(shí)間：2016-08-01

上海市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目資助(14590500500)

王勁東(1988-)，男，碩士研究生,研究方向?yàn)檐浖y(cè)試、并行計(jì)算、圖像處理等；武 頻，副教授，博士，研究方向?yàn)镃FD數(shù)值計(jì)算、高性能計(jì)算、圖像處理等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160801.0842.008.html

TP391

A

1673-629X(2016)08-0030-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.08.006