內容適配中基于本體的傳輸上下文模型

摘 要：在內容適配的研究中，傳輸上下文的描述語言得到了廣泛的關注，然而現有的描述語言在語義表達能力和用戶偏好描述方面存在不足。為此提出了一種基于本體的傳輸上下文模型，通過將本體引入建模過程，提高了模型的語義表達能力和用戶偏好的描述能力，較好地滿足了elearning背景下的內容適配的需求。

關鍵詞：內容適配；本體；傳輸上下文

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)07-1983-03

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Model of delivery context based on ontology for content adaptation

TONG Mingwen，YANG Zongkai，ZHANG Jingzhong

(Engineering Research Center for Education Information Technology， Central China Normal University， Wuhan 430079， China)

Abstract:To realize universal multimedia access， researches propose content adaptation techniques in which the technique of delivery context description has attracted much more attentions. However， the existed techniques of context description are lack of the ability of semantic presentation and expression of user preference. Facing the music，this paper proposed a model of delivery context based on ontology. By introducing ontology theory to the modeling process， the model was equipped with good features in respect of semantic presentation and expression of user preference， which would meet the requirement of content adaptation in elearning environment prettily.

Key words:content adaptation;ontology;delivery context



0 引言

近年來，隨著多媒體技術、網絡技術和電子技術的迅速發展，用戶已經可以隨時、隨地訪問網絡中的多媒體內容。這一方面極大地推動了網絡多媒體服務的發展;另一方面也產生了一些新的問題和挑戰。其中最為突出的是多媒體內容的呈現形式和傳輸上下文不匹配，而無法保證服務質量（QoS）。傳輸上下文是網絡多媒體內容的接入環境，包括用戶偏好、終端設備能力和網絡特征等主、客觀因素^[1]。現在多媒體內容服務的傳輸上下文呈現出多樣化趨勢。例如，用戶可以利用mobile通過WLAN（無線局域網）訪問多媒體內容；也可以利用PC通過ADSL訪問多媒體內容。而這兩種傳輸上下文無論從終端能力、網絡特征，還是用戶的個人偏好都存在很多差異。顯然，在不同的傳輸上下文中，傳送相同形式的多媒體內容將很難保證服務質量。為解決這一問題，研究人員提出了內容適配技術，以期實現異構傳輸上下文中多媒體內容的統一訪問（universal multimedia access，UMA）^[2]。內容適配是在給定傳輸上下文中，通過選擇、創建或更改等技術手段，產生一個或幾個適合該傳輸上下文消費的感知單元（perceivable units），以響應對特定多媒體內容的網絡請求過程^[1]。內容適配要求多媒體內容的呈現形式能夠隨著傳輸上下文的變化而自動適配，并且整個適配過程對用戶透明。

在內容適配技術中，一個重要的問題是如何感知傳輸上下文。即完成內容適配的主機如何自動獲取當前的傳輸上下文的信息。關于傳輸上下文感知國外已有相關研究。現在常用的實現方法是利用描述語言記錄傳輸上下文信息，并以描述文件的形式存儲在網絡節點中，當適配主機執行內容適配時，通過檢索描述文件實現傳輸上下文感知。近年來，國外的一些組織和研究機構已經提出一些傳輸上下文描述語言，但是它們都出于通用性目的設計，當它們應用于特定領域的內容適配時還存在一些問題。首先，它們的語義表達能力不夠，尤其是對用戶偏好的表達能力不足；其次，它們大部分基于RDF（資源描述框架），不能支持邏輯推理，這給后續的內容形式決策帶來諸多不便；最后，它們僅僅提供數據的表達方式，沒有上升到知識表達的層面。這樣一方面描述的數據需要經過二次加工才能應用于內容適配的其他過程；另一方面描述文件的數據量和文件數量很大，難以管理。鑒于上述問題，本文以elearning為應用背景，提出了一種基于本體的傳輸上下文模型，并利用本體設計軟件——protege實現了模型設計。通過定義傳輸上下文本體，側重于用戶對媒體以及媒體格式偏好的表達，并充分考慮后續內容形式決策所需要知識的描述，使該模型克服了已有描述語言存在的問題，適合elearning背景下的內容適配。

1 相關研究

關于傳輸上下文描述語言，一些國際組織和研究機構已經作了廣泛的研究，并制定了相應的規范。其中主要包括：

a）CC/PP（composite capability/ preference profiles）是由W3C（World Wide Web Consortium）中移動接入組（MAIG）首次提出，用于設備與服務器交換各種特征的標準。CC/PP建立在resource description framework (RDF)之上，CC/PP體系模型用RDF定義模式，在此之上詞匯可以獨立開發和實現。它非常適合設備通過低帶寬、大時延的接入機制與服務器相連接。因為CC/PP建立在RDF之上，并利用XML的命名空間，使得CC/PP易于擴展，當出現新的設備時，可以通過擴展詞匯集實現對新設備的描述。另外，CC/PP還提供了通用的描述文件，以描述用戶代理和用戶偏好。

b）UED（usage environment description） tools屬于DIA （digital item adaptation） tools 的子集。DIA tools是由ISO/IEC中的運動圖像專家組（MPEG）提出，用于描述與內容適配相關內容的標準（如傳輸上下文、資源、適配質量、元數據適配等）。UED tools包括四個規范，即用戶特性、終端能力、網絡特性和自然環境特性，它基于XML語法，描述上述四種特性。其中：用戶特性包括用戶信息、內容偏好和使用歷史記錄、呈現方式偏好、訪問能力和用戶位置；終端能力包括編/解碼能力、形態參數、輸入/輸出能力、音頻輸出能力、用戶交換方式、電源屬性、存儲能力、設備類型和I/O速度；網絡特征包括信道容量、最小帶寬、序列傳送、錯誤傳送、誤碼率、延時、可用帶寬、時間戳；自然環境特性包括地理位置和時間、周圍聲音和光線情況。

c）UAProf（user agent profile）由OMA（open mobile alliance）提出，專門應用于移動通信環境下傳輸上下文的描述規范。它是CC/PP詞匯集在移動通信領域的具體化。除了定義詞匯外，UAProf還定義了在無線網絡中有效傳輸上下文信息的協議。遵守UAProf規范的移動電話可以給服務器提供自身的能力信息。內容服務器、網關和代理可以利用這些信息，并優化為設備或用戶提供的內容。信息通過XML文檔進行交換，其中主要包括如下內容：硬件平臺（顯示尺寸、音頻處理能力等）、軟件平臺（操作系統、媒體類型、字符集、轉移解碼器、音頻/適配解碼器）、網絡特性（GSM/GPRS能力、安全支持、藍牙支持）、瀏覽器特性（瀏覽器信息、HTML/XHTML支持、Java支持、幀和表格能力）、WAP特性（WAP/WML支持、停靠欄尺寸）和推送特性（推送內容類型、推送消息尺寸）。由于UAProf描述的設備屬性十分完備， UAProf描述文件一般較大（如NOKIA6230的描述文件為17 KB），在客戶的HTTP/WAP請求中之間附件該信息將大大影響服務質量。對于描述文件的傳送，UAProf提出通過在HTTP/WAP請求中，附件XWAPPROFILE首部的方式實現。XWAPPROFILE首部保存了描述文件的URL，服務器利用該URL信息，能夠從指定的服務器取回描述文件，從而獲取設

備屬性信息。典型的XWAPPROFILE首部如下：

XWAPPROFILE：‘http://ndsl.nds.nokia.com/uaprof/N6230100.xml’

d）UPS（universal profiling schema）是由Tayeb等研究人員在OPERA項目中提出，用于實現在異構環境下進行內容協商的通用描述文件模式。該模式建立在RDF之上，與CC/PP共享相同的詞匯集，并以與用戶和設備獨立的方式設計，使得模式易于擴展。UPS以統一的方式設計模型，換言之，在網絡服務中的所有元素（包括用戶、設備、服務器、文檔等）都以描述文件的方式加以描述。

已有的上下文描述語言注重網絡特性、設備能力等客觀屬性的描述，而忽略了用戶偏好。雖然一些語言能夠描述簡單的用戶偏好，但是表達不夠準確，很難滿足個性化服務的需求。此外，它們都以通用性為目的而設計，當應用于特定領域時，語義表達能力存在明顯不足。

近年來，語義Web成為網絡研究中新的熱點，它主要用于解決網絡中難以獲取用戶需要信息的問題。實現語義Web最重要的技術之一是定義領域本體。本體可以有效地對信息進行語義級描述，從而便利地實現人機協同處理，提高網絡中信息獲取的效率和準確性^[3]。本體已經在用戶建模中得以應用，研究人員提出了基于本體的用戶模型和用戶偏好模型^[4]，取得了良好的應用效果。另外，本體支持知識的表達和邏輯推理。因此，將本體引入內容適配中傳輸上下文的描述可以較好地解決已有描述語言存在的問題。



2 傳輸上下文本體模型

在知識表示領域，ontology是對某一個領域概念的形式化描述，通常包括一組概念、關系、實體、實例、函數和公理^[4]。本體論的主要優勢在于知識的共享與復用。采用本體論表示傳輸上下文具有以下幾個優點：

a)本體對某個領域的概念和關系進行抽象描述，允許應用開發者復用領域本體（如用戶、設備），而不用重新定義和建立上下文模型。

b)以本體描述的上下文具有清楚的語義表示，因此能夠有效利用語義網（semantic Web）相關技術，如基于知識的集成、共享、查詢和推理。

c)本體描述具有自然的實體關系，機器易于理解。

d)上下文本體中的概念是以分類學或層次結構組織的，新定義的概念很容易添加進去，具有良好的可擴展性。

針對elearning背景下對傳輸上下文描述的特殊要求——注重學習者的個性表達，以及后續內容形式決策的需要。本文設計的傳輸上下文本體模型如圖1所示。

傳輸上下文包括三個子類，即學習者、設備和網絡。在學習者擁有的偏好中，媒體偏好作為描述的重點。媒體偏好包含四個子類，即關于四種常用的媒體形式的偏好。以圖像為例，對于圖像的偏好描述了兩種信息:a）對于圖像媒體的喜好程度，用偏好權值表達，權值越大說明越喜歡圖像媒體；b）對于圖像格式的偏好，其中包括圖像的顏色、圖像的分辨率。在每個格式參數偏好的描述中，都有值和權值兩項。值代表參數的取值；權值代表學習者對于該參數的重視程度。關于設備的描述主要表達其處理媒體形式以及格式的能力。以處理圖像媒體為例，描述設備能處理的圖像顏色及能夠顯示的分辨率。至于網絡的描述主要表達網絡特征，如平均帶寬、丟包率、傳輸延時等。另外，在傳輸上下文本體的定義中還包括一套規則集，以支持邏輯推理。它主要描述諸如在怎樣的網絡特征下傳輸何種媒體形式；用戶偏好不滿足的情況下，如何生成用戶次偏好等的規則。因為，這些規則將用于內容形式決策過程，此處不再贅述。該模型具有良好的擴展性，當有新的描述需求時，可以方便地加入本體模型中，對已有的概念、關系不會產生很大的影響。

本文采用本體設計軟件Protege3.2.1實現傳輸上下文本體的描述。Protege是斯坦福大學研究開發的用于設計領域本體的開源軟件，它通過可視化界面實現本體的設計過程，并以多種文件形式保存本體，其中最為常用的是以OWL（Web ontology language）描述本體。OWL是語義網中的一個非常重要的標準，它提供對結構化、基于Web 的本體形式化定義。OWL 建立在RDF和RDFS基礎之上，增加了描述關系和類的形式化詞典。具有很強的語義表達能力。

利用Protege3.2.1建立傳輸上下文本體的OWL描述如下：

〈?xml version=\"1.0\"?〉

〈rdf:RDFxmlns:rdf=\"http://www.w3.org/1999/02/22rdfsyntaxns#\"

xmlns:xsd=\"http://www.w3.org/2001/XMLSchema#\"

xmlns:rdfs=\"http://www.w3.org/2000/01/rdfschema#\"

xmlns:owl=\"http://www.w3.org/2002/07/owl#\"

xmlns=\"http://www.owlontologies.com/Ontology1180423400.owl#\" 

xml:base=\"http://www.owlontologies.com/Ontology1180423400.owl\"〉

〈owl:Ontology rdf:about=\"http://itect.ccnu.edu.cn/comer#\"/〉

〈!-- partial definition of classes --〉

〈owl:class rdf:ID=\"Context\"/〉

〈owl:class rdf:ID=\"Learner\"/〉

〈rdfs:subClassOf rdf:resource= \"#ModalityCapability\"/〉

〈owl:class rdf:ID=\"MediaPreference\"/〉

〈owl:class rdf:ID=Image\"/〉

〈owl:ObjectProperty rdf:ID=\"hasPre\"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=\"#Learner\"/〉

〈rdfs:range rdf:resource=\"#mediaPreference\"/〉

〈/owl:ObjectProperty〉

……

〈owl:class rdf:ID=\"Device\"/〉

〈owl:class rdf:ID=\"ModalityCapability\"/〉

〈owl:class rdf:ID=\"Image\"/〉

〈rdfs:subClassOf rdf:resource= \"#ModalityCapability\"/〉

〈/owl:class〉

……

〈/rdf:RDF〉

基于本體的傳輸上下文實例如下：

〈Context rdf:ID=\"Tongmingwen\"〉

〈rdfs:subClassOf rdf:resource= \"#Learner\"/〉

〈hasPre rdf:resource=\"#MediaPreference\"〉

〈rdfs:subClassOf rdf:resource= \"#Image\"/〉

〈hasPreG〉

〈ImagePreGroup rdf:ID=\"1001\"〉

〈hasColorP〉

〈ColorPair rdf:ID=\"1001\"〉

〈hasValue〉256〈/hasValue〉

〈hasWeight〉0.6〈/hasWeight〉

〈/ColorPair〉

〈/hasColorP〉

〈hasReP〉

〈ResolutionPair rdf:ID=\"1001\"〉

〈hasValue〉200〈/hasValue〉

〈hasWeight〉0.4〈/hasWeight〉

〈/ColorPair〉

〈/hasColorP〉

〈hasWeight〉0.81〈/hasWeight〉

〈/ImagePreGroup〉

〈/hasPreG〉

〈/hasPre〉

……

〈/User〉

3 結束語

隨著電子、通信技術的飛速發展，網絡多媒體服務環境呈現出復雜、多變的態勢。如何在異構的服務環境中提供保證質量的多媒體內容服務受到了越來越多的關注。內容適配是解決這一問題的重要技術手段。在內容適配的研究中，如何自動地感知環境（傳輸上下文）成為一個必須解決的問題。本文充分調研已有傳輸上下文描述語言，分析出它們存在的問題，并提出了一種基于本體的傳輸上下文模型。該模型具有較強的語義描述能力和用戶偏好描述能力，比較符合elearning中強調個性化服務的應用需求。因為模型基于本體論，它還支持邏輯推理，減少了描述文件的數據量，便于傳輸和管理。

在此模型基礎之上，筆者將深入研究傳輸上下文的相關問題。其主要研究內容包括以下幾點：

a）基于傳輸上下文本體模型的推理系統。實現基于規則的自動推理，減少描述文件的數據量。

b）傳輸上下文信息的自動獲取技術。通過知識發現技術實現具體傳輸上下文知識的獲取。

c）傳輸上下文的管理。采用分布式與集中式知識庫相結合的方式組織和管理傳輸上下文，為elearning背景下實現內容適配提供保證。

總之，內容適配是一個新興的研究領域，其中還存在許多問題有待研究。隨著相關理論和技術的發展，內容適配中的問題一定可以得到很好的解決，為實現UMA打下堅實的技術基礎，從而極大地推動網絡多媒體服務業的發展。

參考文獻：

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[3] FARQUHAR A.Ontolingua tutorial[EB/OL].http://kslweb.stanford. Edu /people/axf/tutorial.pdf.

[4]楊艷，李建中，高宏.數字圖書館系統中基于ontology的用戶偏好模型[J].軟件學報， 2005，16（12）：80-87.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”