隨著Google、Microsoft和Facebook等巨頭的大力投入，深度學(xué)習(xí)正在超越機器學(xué)習(xí)，人工智能來勢兇猛。那么，如今人工智能最熱門的技術(shù)趨勢是什么?

　　黑匣認(rèn)為，復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、LSTMs(長短期記憶網(wǎng)絡(luò))、注意力模型(Attention Models)等十大趨勢將塑造人工智能未來的技術(shù)格局。

　　上述判斷來自NIPS(神經(jīng)信息處理系統(tǒng)) 2015大會。NIPS始于1987年，是人工智能領(lǐng)域兩大重要學(xué)習(xí)會議之一，由于AI的爆炸式發(fā)展，近年來逐漸成為許多硅谷公司必須參加的年度會議。

　　在蒙特利爾召開的NIPS 2015吸引了眾多AI學(xué)界與業(yè)界的頂級專家，與會人數(shù)接近4000。大會總共收錄了403篇論文，其中深度學(xué)習(xí)課題約占11%。來自Dropbox的高級軟件工程師Brad Neuberg分享了他所注意到的十大技術(shù)趨勢，黑匣將對每種趨勢做了詳細分析。

　　1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)正變得越來越復(fù)雜

　　感知和翻譯等大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)正變得越來越復(fù)雜，遠非此前簡單的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所能比。特別需要注意的是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正與不同的技術(shù)(如LSTMs、卷積、自定義目標(biāo)函數(shù)等)相混合。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是多數(shù)深度學(xué)習(xí)項目的根基。深度學(xué)習(xí)基于人腦結(jié)構(gòu)，一層層互相連接的人工模擬神經(jīng)元模仿大腦的行為，處理視覺和語言等復(fù)雜問題。這些人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以收集信息，也可以對其做出反應(yīng)。它們能對事物的外形和聲音做出解釋，還可以自行學(xué)習(xí)與工作。

(人工模擬神經(jīng)元試圖模仿大腦行為 | 圖片來源：Frontiers)

　　但這一切都需要極高的計算能力。早在 80 年代初期，Geoffrey Hinton和他的同事們就開始研究深度學(xué)習(xí)。然而彼時電腦還不夠快，不足以處理有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些龐大的數(shù)據(jù)。當(dāng)時AI研究的普遍方向也與他們相反，人們都在尋找捷徑，直接模擬出行為而不是模仿大腦的運作。

　　隨著計算能力的提升和算法的改進，今天，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為人工智能領(lǐng)域最具吸引力的流派。這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還在變得更復(fù)雜，當(dāng)年“谷歌大腦”團隊最開始嘗試“無監(jiān)督學(xué)習(xí)”時，就動用了1.6萬多臺微處理器，創(chuàng)建了一個有數(shù)十億連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在一項實驗中觀看了千萬數(shù)量級的YouTube圖像。

　　2、酷的人都在用LSTMs

　　當(dāng)你閱讀本文時，你是在理解前面詞語的基礎(chǔ)上來理解每個詞語的。你的思想具有連續(xù)性，你不會丟棄已知信息而從頭開始思考。傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一大缺陷便是無法做到這一點，而遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)能夠解決這一問題。

　　RNN擁有循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以持續(xù)保存信息。過去幾年里，RNN在語音識別和翻譯等許多問題上取得了難以置信的成功，而成功的關(guān)鍵在于一種特殊的RNN——長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTMs)。

　　普通的RNN可以學(xué)會預(yù)測“the clouds are in the sky”中最后一個單詞，但難以學(xué)會預(yù)測“I grew up in France… I speak fluent French.”中最后一個詞。相關(guān)信息(clouds、France)和預(yù)測位置(sky、French)的間隔越大，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就越加難以學(xué)習(xí)連接信息。這被稱為是“長期依賴關(guān)系”問題。

(長期依賴問題 | 圖片來源：CSDN)

　　LSTMs被明確設(shè)計成能克服之一問題。LSTMs有四層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層，它們以特殊的方式相互作用。這使得“能記住信息很長一段時間”可以被視作LSTMs的“固有行為”，它們不需要額外學(xué)習(xí)這一點。對于大多數(shù)任務(wù)，LSTMs已經(jīng)取得了非常好的效果。

　　3、是時候注意“注意力模型(attention models)了

　　LSTMs是人們使用RNNs的一個飛躍。還有其他飛躍嗎?研究者共同的想法是：“還有注意力(attention)!”

　　“注意力”是指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行任務(wù)時知道把焦點放在何處。我們可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在每一步都從更大的信息集中挑選信息作為輸入。

　　例如，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為一張圖片生成標(biāo)題時，它可以挑選圖像的關(guān)鍵部分作為輸入。

(擁有“注意力”的RNN在圖像識別中的成功運用 | 圖片來源：Github)

　　4、神經(jīng)圖靈機依然有趣，但還無法勝任實際工作

　　當(dāng)你翻譯一句話時，并不會逐個詞匯進行，而是會從句子的整體結(jié)構(gòu)出發(fā)。機器難以做到這一點，這一挑戰(zhàn)被稱為“強耦合輸出的整體估計”。NIPS上很多研究者展示了對跨時間、空間進行耦合輸出的研究。

　　神經(jīng)圖靈機(Neural Turing Machine)就是研究者們在硅片中重現(xiàn)人類大腦短期記憶的嘗試。它的背后是一種特殊類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它們可以適應(yīng)與外部存儲器共同工作，這使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以存儲記憶，還能在此后檢索記憶并執(zhí)行一些有邏輯性的任務(wù)。

(模仿人類短期工作記憶的神經(jīng)圖靈機 | 圖片來源：arXiv)

　　2014年10月，Google DeepMind公布了一臺原型電腦，它可以模仿一些人類大腦短期工作記憶的特性。但直到NIPS2015，所有的神經(jīng)圖靈機都過于復(fù)雜，并且只能解決一些“小玩具”問題。在未來它們或?qū)⒌玫綐O大改進。

　　5、深度學(xué)習(xí)讓計算機視覺和自然語言處理不再是孤島

　　卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)最早出現(xiàn)在計算機視覺中，但現(xiàn)在許多自然語言處理(NLP)系統(tǒng)也會使用。LSTMs與遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)最早出現(xiàn)在NLP中，但現(xiàn)在也被納入計算機視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　此外，計算機視覺與NLP的交匯仍然擁有無限前景。想象一下程序為美劇自動嵌入中文字幕的場景吧。

　　6、符號微分式越來越重要

　　隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其目標(biāo)函數(shù)變得日益復(fù)雜和自定義，手動推導(dǎo)出“反向傳播”(back propagation)的梯度(gradients)也變得更加苦難而且容易出錯。谷歌的TensorFlow等最新的工具包已經(jīng)可以超負(fù)荷試驗符號微分式，能夠自動計算出正確的微分，以確保訓(xùn)練時誤差梯度可被反向傳播。

　　7、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型壓縮的驚人成果

　　多個團隊以不同方法大幅壓縮了訓(xùn)練一個良好模型所需的素材體量，這些方法包括二值化、固定浮點數(shù)、迭代修剪和精細調(diào)優(yōu)步驟等。

　　這些技術(shù)潛在的應(yīng)用前景廣闊，可能將會適應(yīng)在移動設(shè)備上進行復(fù)雜模型的訓(xùn)練。例如，不需要延遲就可以得到語音識別結(jié)果。此外，如果運算所需要的空間和時間極大降低，我們就可以極高幀率(如30 FPS)查詢一個模型，這樣，在移動設(shè)備上也可以運用復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而近乎實時地完成計算機視覺任務(wù)。

　　8、深度學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)繼續(xù)交匯

　　雖然NIPS 2015上沒有什么強化學(xué)習(xí)(reinforcement learning)的重要成果，但“深度強化學(xué)習(xí)”研討會還是展現(xiàn)了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和強化學(xué)習(xí)相結(jié)合的前景。

　　在“端對端”(end-to-end)機器人等領(lǐng)域出現(xiàn)了令人激動的進展，現(xiàn)在機器人已經(jīng)可以一起運用深度和強化學(xué)習(xí)，從而將原始感官數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為實際動作驅(qū)動。我們正在超越“分類”等簡單工作，嘗試將“計劃”與“行動”納入方程。還有大量工作需要完成，但早期的工作已經(jīng)使人感到興奮。

　　9、難道你還沒有使用批標(biāo)準(zhǔn)化?

　　批標(biāo)準(zhǔn)化(batch normalization)現(xiàn)在被視作評價一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具包的部分標(biāo)準(zhǔn)，在NIPS 2015 上被不斷提及。

　　10、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究與優(yōu)化齊頭并進

　　創(chuàng)造新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法需要研究者，還需要能將它們迅速付諸實踐的方法。谷歌的TensorFlow是少數(shù)能夠做到這些的庫：使用Python 或 C++等主流編程語言，研究者可以迅速創(chuàng)作新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，接著在單一或多個設(shè)備(包括移動設(shè)備)上進行測試。

五大關(guān)鍵詞讀懂2015年人工智能的那些事
李彥宏、馬化騰、柳傳志、雷軍都看好人工智能、機器人和VR