Progetto Minerva: sviluppo di un agente assistente per la visita di un museo

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con il mondo delle arti figurative, perche´ e` basata sulla capacita` visiva di simula-
zione dell’uomo. L’arte figurativa, infatti, e` basata sostanzialmente sulla proprieta`
dell’immagine, quindi il suo valore e` contenuto prevalentemente nella percezione vi-
siva degli oggetti. Disponendo di una tecnologia grafica che offra la possibilita` di
manipolare ed elaborare le immagini in tutta la loro spazialita`, il contatto con l’arte
e` immediato e multiforme e si puo` svolgere a diversi livelli. Infatti, anche se spesso si
considerano i sensi separatamente, la sfera sensoriale dell’uomo e` un continuum con
un elevato grado di coerenza e correlazione interna, in cui i sensi agiscono in sinergia
tra loro, scambiando funzioni, competenze, sostituendosi, a seconda dei contesti e
delle menomazioni. Ogni senso ha delle abilita` o capacita` di estrarre determinate
informazioni dall’ambiente, quindi in una realta` virtuale, che e` in grado di attivare
una comunicazione multisensoriale, l’utente riceve e puo` assorbire la conoscenza in
modo molto efficace. Un altro aspetto positivo di questa tecnologia e` la possibilita`
di mettere a disposizione ovunque, tramite la rete, rappresentazioni realistiche degli
oggetti della comunicazione. Le potenzialita` che la realta` virtuale puo` offrire all’ar-
te risiedono tanto negli aspetti tecnici di diffusione, quanto nell’arricchimento del
processo di comunicazione fra l’opera d’arte e il visitatore, oggetto e soggetto dell’os-
servazione. Cio` significa che il progresso di queste tecnologie, insieme all’aumento di
potenza e di velocita` delle infrastrutture fisiche necessario alla loro implementazio-
ne, riporta finalmente le macchine al servizio dell’uomo e della sua comunicazione
naturale.
L’intelligenza artificiale e` una disciplina informatica che si propone di rendere l’e-
laboratore elettronico capace di risolvere un problema o rispondere ad una esigenza
assolvendo in tutto o in parte alle attivita` intellettive che nella scienza degli elabo-
ratori sono normalmente considerate patrimonio esclusivo dell’uomo. Una macchina
e` considerata ‘intelligente’ nel momento in cui si dimostra in grado di risolvere un
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quesito senza che l’operatore umano intervenga per specificare in modo dettagliato i
vari passi che compongono l’algoritmo di risoluzione. Per essere in grado di formula-
re in proprio un algoritmo, l’elaboratore dovra` riuscire ad acquisire un certo grado di
conoscenza, sulla base della quale poter sviluppare forme di ragionamento piu` o me-
no evolute che gli consentano di raggiungere l’obiettivo richiesto. Gli approcci usati
per ottenere questo ambizioso obiettivo sono fondamentalmente quello della simula-
zione dei processi elaborativi propri dell’uomo e quello dell’emulazione degli stessi.
Per simulazione s’intende il tentativo far affrontare un problema alla macchina ri-
producendo gli schemi e i procedimenti mentali propri dell’uomo: il frutto maturo
di questo approccio sono le reti neurali, che simulano l’apprendimento imitando il
funzionamento del cervello umano. Solitamente, pero`, i risultati piu` efficienti si ot-
tengono mediante l’emulazione, ossia l’uso di modelli non antropomorfici funzionali
allo scopo prefissato, in quanto questo paradigma sfrutta meglio le potenzialita` di
calcolo insite nelle macchine. Uno degli sviluppi di questa scienza e` rivolto alla riso-
luzione automatica di problemi e conduce direttamente allo sviluppo dei cosiddetti
sistemi esperti. Questo tema si propone l’obiettivo di dotare l’elaboratore di metodi
generali e di programmi efficienti che gli permettano di costruire, secondo processi
completamente automatici o interattivi, l’algoritmo risolvente di un problema. Un
altro ambito aperto e` rivolto verso il raggiungimento di una comunicazione naturale
con l’uomo, in particolare verso la comprensione del linguaggio naturale. I problemi
affrontati in quest’area di ricerca sono molto complessi perche´ riguardano alcuni dei
meccanismi piu` sfuggenti e articolati del comportamento umano.
Queste anime dell’informatica si fondono nel Progetto Minerva [22], nato nei
laboratori del Politecnico di Milano nel 1995 da un’idea del Prof. Marco So-
malvico. Il sistema Minerva e` un complesso di moduli cooperanti, chiamato anche
sistema a molti agenti [23]; questi ultimi sono progettati in modo da collaborare per
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raggiungere un fine comune. Il fine del sistema Minerva e` di allestire ed architettare
automaticamente, usando le tecniche inferenziali proprie dell’intelligenza artificiale,
un museo in un ambiente dato, e di mostrarlo in rete con le tecniche della realta` vir-
tuale. Inizialmente, il sistema Minerva e` stato utilizzato per il progetto di un museo
archeologico basato sui reperti contenuti negli archivi del Museo Archeologico
di Milano, ma in seguito, mediante l’operazione di ‘decorticazione’ condotta dal
Gruppo Minerva, si e` potuto utilizzarlo anche per progettare esposizioni di quadri,
con la collaborazione del Museo Paolo Giovio di Como, e di oggetti di design. La
generalizzazione del sistema Minerva e` tuttora in corso, e prevede l’applicazione alla
domotica, per l’allestimento di ambienti fruibili da persone disabili, ed alla didattica.
Recentemente, il sistema Minerva si e` arricchito di nuovi elementi, tesi soprattutto
all’aumento della fruibilita` del sistema da parte di utenti non esperti: un esempio
e` l’agente Navigatore, un’interfaccia per la creazione interattiva e dinamica di un
museo virtuale; un altro la possibilita` di generare musei virtuali tramite semplici
richieste in linguaggio naturale.
Lo scopo di questa tesi e` di estendere la dinamicita` del sistema Minerva dalla fase
di progettazione a quella di esplorazione del museo virtuale. L’obiettivo e` raggiunto
con la creazione di un agente, chiamato Assistente, che si propone come interlocutore
per l’utente che visita in rete un museo virtuale progettato. Dopo la generazione del
museo tramite il compilatore grafico del sistema Minerva, l’Assistente puo` proporre
all’utente una visita guidata, progettata in base alle regole desiderate dall’utente
stesso. L’Assistente e` presentato nell’ambiente virtuale come una personificazione
virtuale, chiamata nel gergo ‘avatar’, del sistema Minerva, cui e` possibile comunica-
re i criteri desiderati per la selezione delle opere. Tali criteri possono comprendere,
ad esempio, il tipo di opera, la sua datazione, la sua provenienza geografica o cultu-
rale. La comunicazione in uscita dall’avatar e` implementata in linguaggio naturale,
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con la possibilita` di gestione di piu` lingue, in vista della prossima internazionaliz-
zazione del sistema Minerva. La comunicazione in ingresso e` demandata invece ad
un interprete di linguaggio naturale, o ad un’interfaccia grafica intuitiva. In seguito
ad una richiesta, il sistema allestisce l’insieme di oggetti che soddisfano i desideri
dell’utente e progetta un percorso, all’interno dell’ambiente virtuale, che raggiunge
ogni oggetto dell’allestimento; il problema della progettazione del percorso e` affron-
tato mediante le tecniche della risoluzione automatica dei problemi. Infine l’avatar
percorre il museo virtuale, invitando l’utente ad una visita guidata del museo.
Le prospettive di ulteriore ricerca nei campi affrontati nel presente lavoro sono
multiformi. L’interazione con l’utente puo` essere resa ancora piu` immediata me-
diante l’integrazione nell’Assistente di sistemi di riconoscimento vocale, che insieme
all’ulteriore sviluppo nell’ambito del riconoscimento del linguaggio naturale, gia` at-
tualmente in corso nel Progetto Minerva, possono estendere il realismo dell’intera-
zione fra l’utente e il sistema. Non occorre sottolineare che l’aumento della potenza
di calcolo degli elaboratori e dei dispositivi grafici di uso comune puo` sicuramente
influire sulla resa complessiva dell’esperienza multimediale di realta` virtuale. Utiliz-
zando le tecnologie attualmente esistenti si puo` incrementare l’interazione creando
un ambiente che possa essere, oltre che visitato, anche modificato dall’utente. Inol-
tre si puo` studiare la possibilita`, sia tecnica che psicologica, di creare un ambiente
virtuale che non solo sia interagente con il visitatore, ma addirittura abbia la ca-
pacita` di adattare la sua stessa struttura in seguito allo studio del comportamento
dell’utente al suo interno. Il modello di avatar elaborato in questa tesi utilizza, per
orientarsi all’interno dell’ambiente virtuale, la conoscenza favoritagli dal sistema Mi-
nerva; uno sviluppo ulteriore, che possa trarre questa conoscenza dal mondo virtuale
stesso, potrebbe rendere l’avatar indipendente dal sistema. Il mondo degli algoritmi
di esplorazione degli spazi, inoltre, e` in continuo fermento a causa dell’importanza
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di queste tecniche in campo ludico, quindi e` possibile lo studio per la realizzazione
di algoritmi di minore complessita` o che possano gestire il movimento automatico
anche in ambienti dinamici, ossia con impedimenti variabili nel tempo e nello spazio.
La tesi e` strutturata nel modo seguente:
• Nel capitolo 2 s’illustra lo stato dell’arte nell’ambito della rappresentazione
della realta` virtuale tramite il vrml, e nell’ambito degli algoritmi inferenziali
di risoluzione automatica dei problemi.
• Nel capitolo 3 si descrive l’impostazione del problema di ricerca, ossia come e`
stato svolto il lavoro per questa tesi.
• Nel capitolo 4 si descrive il progetto logico della soluzione del problema, ossia
quali sono state le scelte, obbligate o preferite, per lo sviluppo del sistema.
• Nel capitolo 5 si presenta l’architettura del sistema proposto.
• Nel capitolo 6 si descrivono le realizzazioni sperimentali attuate nel corso di
questo studio e le loro valutazioni.
• Nel capitolo 7 si riassumono gli elementi salienti di questo studio e si prospet-
tano le ricerche future in questo campo.
• Nell’appendice A si riporta la documentazione del progetto e la sua architet-
tura logica, dal punto di vista implementativo.
• Nell’appendice B e` descritto lo schema di dettaglio della programmazione del
sistema, relativamente alle parti piu` interessanti del sistema.
• Nell’appendice C sono presentati i listati delle parti principali, o piu` innovative,
del sistema.
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• Nelle appendici D e E sono contenuti rispettivamente il manuale utente ed un
esempio di impiego del sistema, limitato alle possibilita` della carta stampata.
18 INTRODUZIONE
Capitolo 2
Stato dell’arte
2.1 Musei virtuali e Minerva
Con lo sviluppo della multimedialita` e della rete informatica a livello mondiale, negli
ultimi anni molte istituzioni culturali hanno incominciato ad offrire servizi in modo
attivo e diretto, cosicche´ non sia necessario, per l’utente, spostarsi fisicamente per
usufruirne. Fra queste, si possono annoverare moltissimi musei, desiderosi sia di in-
crementare il loro prestigio e la loro visibilita`, sia, soprattutto, di presentare i propri
contenuti culturali a persone lontane dalle loro sedi. Esistono, infatti, moltissimi
prodotti multimediali su supporti digitali, quali, ad esempio, il cd-rom ‘La Galleria
Borghese’ [1], del 1996, dedicato alle opere della collezione della Galleria Bor-
ghese di Roma, o il dvd-Video ‘Paestum on dvd’ [2], del 2000, un museo virtuale
dedicato al sito archeologico di Paestum realizzato nell’ambito del ‘Progetto Fina-
lizzato per i Beni Culturali’ del c.n.r.. Tali prodotti sfruttano pienamente tutte le
potenzialita` visuali e interattive di questi supporti, quali il multiangle, l’audio mul-
titraccia, l’iperfilm. Sono molti anche i siti internet dedicati ai musei, che forniscono
servizi per la ricerca delle informazioni sugli stessi, ad esempio ‘Musei on Line’ [3],
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20 STATO DELL’ARTE
un sito italiano patrocinato dal Ministero per i Beni e le Attivita` Cultura-
li. Vi sono anche progetti di infrastrutture globali per la fruizione dell’arte, come
il progetto europeo ‘Mosaic’ [4], che ha lo scopo di promuovere la cultura artistica
tramite le nuove tecnologie. Inoltre, si sta sperimentando l’utilizzo delle tecnologie
di realta` virtuale per provare le ricostruzioni di quei siti archeologici che, per ragioni
di conservazione, devono essere mantenuti inaccessibili al pubblico. Questo e` stato
tentato dal c.n.r., con l’e.n.e.l. e l’Infobyte, per la restituzione al pubblico della
tomba di Nefertari, nella ‘Valle delle Regine’ in Egitto; il sito archeologico e` stato
ricostruito virtualmente come doveva essere in origine, con la consulenza del Getty
Conservation Institute, che ha curato il restauro della tomba.
In quest’ambito s’inserisce il Progetto Minerva [5], che propose e sviluppo` dal
1995 il sistema a molti agenti Minerva. Diversamente dalle iniziative sopra citate, di
carattere puramente descrittivo nei confronti della realta` museale esistente, il sistema
Minerva si presentava come un sofisticato strumento per il progetto automatico
di mostre museali archeologiche in ambienti virtuali dati. Tale sistema, tramite
tecniche inferenziali, permette di allestire una mostra e di architettare la disposizione
delle opere nell’ambiente in cui devono essere esposte. A differenza di un semplice
‘museo virtuale’, riproduzione fedele in realta` virtuale di un museo reale, il museo
creato dal sistema Minerva puo` essere anche un ‘museo fittizio’, la cui peculiarita`
e` di non essere legato ne` alle opere effettivamente esposte in un museo reale, ne`
ad un ambiente realmente esistente. Questo permette, ad esempio, di recuperare la
visione di tante opere d’arte inaccessibili al pubblico, ma anche di alloggiare una
serie di mostre in un ambiente ideato per l’occasione, o, viceversa, una mostra in
molti ambienti diversi. La prima versione del sistema Minerva si proponeva come
uno strumento di progettazione assistita per museologi ed architetti di musei. In
seguito, si e` pensato di arricchire il sistema per renderlo facilmente fruibile in rete
Realta` virtuale 21
anche ad un pubblico non preparato tecnicamente dal punto di vista museologico:
sono nati quindi agenti di interfaccia con l’utente in grado di facilitare le sopra citate
operazioni, quali il modulo Navigatore, e, parallelamente, si sono sviluppate tecniche
di riconoscimento del linguaggio naturale italiano. Il risultato finale del progetto del
museo e` affidato ad agenti che permettono di visitare il museo come un ambiente
virtuale tridimensionale, tramite le tecniche della realta` virtuale. Il museo virtuale
cos`ı creato e` completo di modelli tridimensionali delle opere e persino di commenti
e informazioni multimediali sulle stesse, che vanno ben oltre le didascalie offerte dai
musei reali. L’ambiente creato e` statico, interattivo solo durante la consultazione
della singola opera, ma si sono gia` poste le basi per una navigazione piu` dinamica,
che prevede sia un interlocutore virtuale dell’utente, sviluppato in questa tesina,
sia la possibilita` di riprogettare continuamente il museo secondo le azioni intraprese
dall’utente nell’ambiente virtuale.
2.2 Realta` virtuale
In particolare per le arti figurative, la tecnologia informatica puo` essere molto utile
nella presentazione delle opere. Infatti, la grafica informatizzata permette di gestire
con grande potenza immagini di ogni genere e persino filmati, che, con adeguati
sistemi di compressione, possono essere veicolati attraverso la rete. L’ultima fron-
tiera della rappresentazione di un’opera d’arte figurativa e` la realta` virtuale, che
permette di visualizzare modelli tridimensionali di oggetti reali. La realta` virtuale
e` un insieme di tecnologie hardware e software che si propone di rendere piu` reali-
stica l’esperienza di contatto dell’utilizzatore con i dati, contenuti nella macchina,
relativi ad un ambiente o un oggetto. In questo modo, secondo Francesco Antinuc-
ci, direttore della sezione ‘Processi Cognitivi e Nuove Tecnologie’ dell’Istituto di
22 STATO DELL’ARTE
Psicologia del c.n.r., il mondo virtuale:
[...] tende a essere non distinguibile dalla realta`. [...] La percezione viene
ingannata, l’azione si svolge come se si stesse nella realta` e non lavorando
attraverso uno strumento. [6]
Nell’interazione standard fra l’uomo e l’elaboratore, quest’ultimo e` usato come pro-
cessore di simboli, e l’uomo deve possedere il substrato cognitivo necessario per
estrarre dai simboli il significato. Invece, secondo Antinucci:
[...] muovendosi in una realta` virtuale l’utente ha la possibilita` di as-
sumere conoscenza sugli oggetti, di analizzarli e classificarli, in modo
inconscio perche´ legato alla percezione e non alla razionalita`. [6]
2.2.1 Storia della realta` virtuale
La realta` virtuale ha una storia interessante e complessa [7]. Nel 1962, l’operato-
re cinematografico Morton Heilig tento`, con una macchina dal nome suggestivo di
Sensorama, di dare allo spettatore una sensazione di partecipazione alla scena cine-
matografica. Questa postazione di osservazione utilizzava immagini tridimensionali
ottenute con tre macchine da presa montate sul cineoperatore, il suono stereo, e
persino un ventilatore per la simulazione del vento durante una corsa in motocicletta.
Nel 1966, Ivan Sutherland utilizzo` due tubi a raggi catodici montati vicino alle
orecchie e un sistema di specchi per simulare l’esperienza tridimensionale. Questa
idea fu subito notata dalle autorita` militari degli Stati Uniti d’America, che utiliz-
zarono questa tecnica per i primi simulatori di volo. Inoltre, la nasa uso` questa
tecnologia per il volo spaziale e, successivamente, per la simulazione degli atterraggi
sulla luna.
Realta` virtuale 23
Gli ultimi trenta anni hanno visto importanti avanzamenti nelle tecnologie cru-
ciali per il paradigma della realta` virtuale. Queste includono i visori a tubo catodico
e a cristalli liquidi, i sistemi di generazione di immagine di elevato rendimento e,
soprattutto, i circuiti integrati ad alta velocita`. Di conseguenza, e` stato possibi-
le estendere le ricerche dal campo militare a quello commerciale. Lo sviluppo ha
coinvolto la tecnologia dell’esposizione, le interfacce utente e le tecnologie di genera-
zione e di visualizzazione dell’immagine. L’attuale stato tecnologico dei dispositivi
grafici, per risoluzione e velocita`, permette la generazione di un numero di poligo-
ni al secondo capace di dare una sensazione di realismo alle scene prodotte, anche
se non ancora sufficiente per l’adattamento ad ogni tipo di movimento dell’utente,
ad esempio un’improvvisa torsione del busto o del collo. La conseguenza del rag-
giungimento di queste tecnologie di formazione dell’immagine e` stata un’esplosione
nella creazione di nuovi dispositivi per la realta` virtuale. Poiche´ l’interattivita` e` un
concetto chiave in questo campo, sono stati studiati nuovi dispositivi di ingresso e
di uscita. In primo luogo sono stati prodotti i caschi e i guanti sensoriali per la
realta` virtuale, e siccome in un mondo virtuale e` necessario conoscere la posizione
in tempo reale dell’osservatore, sono stati sviluppati sensori di posizione. Questi si
sono evoluti usando i campi magnetici a bassa frequenza, gli ultrasuoni, il radar, o
le macchine fotografiche infrarosse per rilevare il movimento. Questi sistemi stanno
diventando importanti soprattutto nel campo dell’intrattenimento.
Per il futuro, sono allo studio allaUniversity of Washingtonmetodi per scri-
vere le immagini direttamente sulla retina dell’occhio tramite laser, con un sistema
chamato vrd, acronimo di ‘Virtual Retina Display’ [8]. Inoltre, si sta consideran-
do la possibilita` di impiantare macchine direttamente all’interno del corpo umano,
con il progetto dell”Agenzia Antropica’ del Politecnico di Milano. Con l’a-
vanzamento nelle prestazioni dei processori, milioni di segnali elettroencefalografici,
24 STATO DELL’ARTE
addetti all’attivita` del cervello, possono essere interpretati. E` gia` stato prodotto un
prototipo per il controllo di un cursore su uno schermo mediante l’interpretazione
delle onde cerebrali [9].
2.2.2 Le proposte attuali
Oggi esistono varie tecnologie che permettono di produrre una realta` virtuale su un
elaboratore da tavolo, ma le piu` utilizzate attualmente in rete sono senza dubbio
QuickTime VR e vrml. QuickTime VR [10] e` un’estensione del formato QuickTi-
me, proposta da Apple, che permette la visualizzazione ed esplorazione interattiva
di scene, costituite da viste di tipo panoramico derivate da fotografie; il sistema,
fondato su una rigida base geometrica, consente un’esplorazione ed un’immersione
visuale dell’utente nella scena, ma la scena e` pur sempre una fotografia e manca di
profondita`. Una proposta piu` completa e immersiva e` il vrml, che e` invece un vero
e proprio linguaggio, interpretato da appositi programmi.
2.2.2.1 VRML
L’idea primordiale del vrml, acronimo di ‘Virtual Reality Modeling Language’, fu
messa a fuoco all’interno della discussione sull’interfaccia di realta` virtuale per la
rete, durante la prima conferenza annuale sul ‘World Wide Web’ a Ginevra, nella
primavera del 1994. Da quel convegno nacque il progetto di sviluppare un linguaggio
comune per la descrizione di scenari tridimensionali e dei relativi collegamenti con la
rete. Prese cos`ı l’idea del vrml, un linguaggio a marcatori interpretato da apposite
applicazioni, chiamate ‘browser vrml’. Con la versione 1.0, del maggio 1995, il
linguaggio permetteva gia` la modellizzazione dettagliata di ambienti e oggetti, ma
rappresentava sostanzialmente una visione statica del mondo. Durante un periodo
Realta` virtuale 25
di crisi apparente, nel 1996 nacque il Web3d Consortium [13], con l’intento di
promuovere le tecnologie legate alla realta` virtuale su internet. Inoltre, molte aziende
si sono prodigate per munire gli utenti di sofisticati programmi di visualizzazione
e di creazione di mondi vrml. Ad esempio Parallel Graphics [14] fornisce
un ottimo browser vrml, Cortona, che e` stato prescelto dal Gruppo Minerva, su
suggerimento dell’autore del presente lavoro, per sostituire il precedentemente usato
Cosmo Player della sgi [15], perche´ piu` aggiornato nella gestione delle moderne
funzionalita` del linguaggio. Inoltre, Blaxxun [17] e` molto attiva nello studio di
mondi tridimensionali in multiutenza: ambienti completi dove gli utenti possono
muoversi e interagire con le persone e con gli oggetti; in questi mondi le persone sono
rappresentate dagli avatar, rappresentazioni grafiche degli utenti stessi, generate
dell’elaboratore. Dal 1997 e` stata definita la versione 2.0 del vrml, con lo standard
internazionale ISO/IEC 14772-1:1997 [18]. Questa versione ha introdotto importanti
caratteristiche nel linguaggio, fra le quali la possibilita` di associare una serie di
comportamenti agli oggetti. Particolarmente interessanti per il presente lavoro sono
le funzionalita` di gestione del tempo, che permettono la creazione di animazioni nel
mondo virtuale. Il vrml 2.0 presenta inoltre la possibilita` di interfacciarsi con altri
veri e propri linguaggi, come ad esempio il JavaTM , tramite l’interfaccia sai [19]
(Script Authoring Interface). Nel 2001 sono state accolte dall’organizzazione degli
standard le specifiche eai (External Authoring Interface), col nome ISO/IEC FDIS
14772-2:2001 [20], che forniscono nuove potenzialita` di interfaccia fra i linguaggi
di programmazione e il vrml. La possibilita` di interfacciamento del vrml e del
linguaggio JavaTM e` stata utilizzata pesantemente in questo lavoro.