A Boxology of Design Patterns for Hybrid Learning and Reasoning Systems

We propose a set of compositional design patterns to describe a large variety of systems that combine statistical techniques from machine learning with symbolic techniques from knowledge representation. As in other areas of computer science (knowledge engineering, software engineering, ontology engineering, process mining and others), such design patterns help to systematize the literature, clarify which combinations of techniques serve which purposes, and encourage re-use of software components. We have validated our set of compositional design patterns against a large body of recent literature.Comment: 12 pages,55 reference

Modular Design Patterns for Hybrid Learning and Reasoning Systems: a taxonomy, patterns and use cases

The unification of statistical (data-driven) and symbolic (knowledge-driven) methods is widely recognised as one of the key challenges of modern AI. Recent years have seen large number of publications on such hybrid neuro-symbolic AI systems. That rapidly growing literature is highly diverse and mostly empirical, and is lacking a unifying view of the large variety of these hybrid systems. In this paper we analyse a large body of recent literature and we propose a set of modular design patterns for such hybrid, neuro-symbolic systems. We are able to describe the architecture of a very large number of hybrid systems by composing only a small set of elementary patterns as building blocks. The main contributions of this paper are: 1) a taxonomically organised vocabulary to describe both processes and data structures used in hybrid systems; 2) a set of 15+ design patterns for hybrid AI systems, organised in a set of elementary patterns and a set of compositional patterns; 3) an application of these design patterns in two realistic use-cases for hybrid AI systems. Our patterns reveal similarities between systems that were not recognised until now. Finally, our design patterns extend and refine Kautz' earlier attempt at categorising neuro-symbolic architectures.Comment: 20 pages, 22 figures, accepted for publication in the International Journal of Applied Intelligenc

Truth in fiction, impossible worlds, and belief revision

Franz Berto’s research was funded by the European Research Council (ERC CoG), Consolidator grant no. 681404, ‘The Logic of Conceivability’. Christopher Badura’s research was funded by the Ruhr University Research School PLUS, funded by Germany’s Excellence Initiative [DFG GSC 98/3].We present a theory of truth in fiction that improves on Lewis's [1978] ‘Analysis 2’ in two ways. First, we expand Lewis's possible worlds apparatus by adding non-normal or impossible worlds. Second, we model truth in fiction as (make-believed) belief revision via ideas from dynamic epistemic logic. We explain the major objections raised against Lewis's original view and show that our theory overcomes them.Publisher PDFPeer reviewe

Text-image synergy for multimodal retrieval and annotation

Text and images are the two most common data modalities found on the Internet. Understanding the synergy between text and images, that is, seamlessly analyzing information from these modalities may be trivial for humans, but is challenging for software systems. In this dissertation we study problems where deciphering text-image synergy is crucial for finding solutions. We propose methods and ideas that establish semantic connections between text and images in multimodal contents, and empirically show their effectiveness in four interconnected problems: Image Retrieval, Image Tag Refinement, Image-Text Alignment, and Image Captioning. Our promising results and observations open up interesting scopes for future research involving text-image data understanding.Text and images are the two most common data modalities found on the Internet. Understanding the synergy between text and images, that is, seamlessly analyzing information from these modalities may be trivial for humans, but is challenging for software systems. In this dissertation we study problems where deciphering text-image synergy is crucial for finding solutions. We propose methods and ideas that establish semantic connections between text and images in multimodal contents, and empirically show their effectiveness in four interconnected problems: Image Retrieval, Image Tag Refinement, Image-Text Alignment, and Image Captioning. Our promising results and observations open up interesting scopes for future research involving text-image data understanding.Text und Bild sind die beiden häufigsten Arten von Inhalten im Internet. Während es für Menschen einfach ist, gerade aus dem Zusammenspiel von Text- und Bildinhalten Informationen zu erfassen, stellt diese kombinierte Darstellung von Inhalten Softwaresysteme vor große Herausforderungen. In dieser Dissertation werden Probleme studiert, für deren Lösung das Verständnis des Zusammenspiels von Text- und Bildinhalten wesentlich ist. Es werden Methoden und Vorschläge präsentiert und empirisch bewertet, die semantische Verbindungen zwischen Text und Bild in multimodalen Daten herstellen. Wir stellen in dieser Dissertation vier miteinander verbundene Text- und Bildprobleme vor: • Bildersuche. Ob Bilder anhand von textbasierten Suchanfragen gefunden werden, hängt stark davon ab, ob der Text in der Nähe des Bildes mit dem der Anfrage übereinstimmt. Bilder ohne textuellen Kontext, oder sogar mit thematisch passendem Kontext, aber ohne direkte Übereinstimmungen der vorhandenen Schlagworte zur Suchanfrage, können häufig nicht gefunden werden. Zur Abhilfe schlagen wir vor, drei Arten von Informationen in Kombination zu nutzen: visuelle Informationen (in Form von automatisch generierten Bildbeschreibungen), textuelle Informationen (Stichworte aus vorangegangenen Suchanfragen), und Alltagswissen. • Verbesserte Bildbeschreibungen. Bei der Objekterkennung durch Computer Vision kommt es des Öfteren zu Fehldetektionen und Inkohärenzen. Die korrekte Identifikation von Bildinhalten ist jedoch eine wichtige Voraussetzung für die Suche nach Bildern mittels textueller Suchanfragen. Um die Fehleranfälligkeit bei der Objekterkennung zu minimieren, schlagen wir vor Alltagswissen einzubeziehen. Durch zusätzliche Bild-Annotationen, welche sich durch den gesunden Menschenverstand als thematisch passend erweisen, können viele fehlerhafte und zusammenhanglose Erkennungen vermieden werden. • Bild-Text Platzierung. Auf Internetseiten mit Text- und Bildinhalten (wie Nachrichtenseiten, Blogbeiträge, Artikel in sozialen Medien) werden Bilder in der Regel an semantisch sinnvollen Positionen im Textfluss platziert. Wir nutzen dies um ein Framework vorzuschlagen, in dem relevante Bilder ausgesucht werden und mit den passenden Abschnitten eines Textes assoziiert werden. • Bildunterschriften. Bilder, die als Teil von multimodalen Inhalten zur Verbesserung der Lesbarkeit von Texten dienen, haben typischerweise Bildunterschriften, die zum Kontext des umgebenden Texts passen. Wir schlagen vor, den Kontext beim automatischen Generieren von Bildunterschriften ebenfalls einzubeziehen. Üblicherweise werden hierfür die Bilder allein analysiert. Wir stellen die kontextbezogene Bildunterschriftengenerierung vor. Unsere vielversprechenden Beobachtungen und Ergebnisse eröffnen interessante Möglichkeiten für weitergehende Forschung zur computergestützten Erfassung des Zusammenspiels von Text- und Bildinhalten