2017 年是 AI 爆炸發展年!2018 年人類終將學會如何 CONNECT with AI

【我們為什麼挑選這篇文章】本文將帶你瀏覽 2017 年幾乎所有最有意義的 AI 研究,從文本、語音、計算機視覺到強化學習和最重要的新聞,全面盤整在 2017 年 AI 為何會爆發性成長,而在 2018 年,人類將會學會如何應用 2017 年的研究成果,學會如何 CONNECT with AI。(責任編輯:林子鈞)

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假設你在 2017 年昏睡了一年,忽然驚醒的時候,想要了解這個世界在今年有哪些最值得驕傲的成就,這篇文章值得你花幾十分鐘讀一讀。

這一年,Google 發布了 Google Translate 的新模型,並詳細描述了網路結構——循環神經網路。Facebook 的聊天機器人,因為失控創造了自己的語言被關閉。DeepMind  的研究員在他們的文章中展示了如何生成語音。一個已經成功超越人類的深度學習成就叫做唇語識別。

本文將帶你瀏覽 2017 年幾乎所有最有意義的 AI 研究,從文本、語音、計算機視覺到強化學習和最重要的新聞。其中的大部分事件,文摘菌都在其發生之時做過相關報導,回憶起來,感慨萬分,我們也在相應部分附上了報導連結,方便查看細節。

1:文本

1.1 Google 神經機器翻譯

大約一年前,Google 發布了 Google Translate 的新模型,並詳細描述了網路結構——循環神經網路。

連結:https://blog.statsbot.co/machine-learning-translation-96f0ed8f19e4

關鍵成果:與人類翻譯的準確率之差縮小了 55%-85%(研究者使用 6 分制打分標準評估得到)。如果不依賴 Google 龐大的數據庫進行訓練,這一結果很難復現。

1.2: 談判

你可能聽過這個謠言:Facebook 的聊天機器人,因失控創造自己的語言而被關閉。

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該聊天機器人原本被設計用來談判,其目的是與其他機器人(代理)進行文本談判並達成協議: 如何在兩個人之間分配物品(書籍和帽子等)。每一個機器人(代理)有對方不掌握的交易信息。同時,談判的設定是不達成交易就不終止。

他們收集了一個人類談判的數據庫,並訓練出了一個監督式的循環網路。隨後,他們讓強化訓練後的機器人,通過自我對話的方式繼續訓練,直到與人類語言近似到一定程度為止。

該機器人已經學會了一種真正的談判技巧——對交易中的某些因素假裝表現出興趣,隨後僅僅通過犧牲它們來達成真正目的。

新聞裡聲稱機器人發明了一種新語言,這種說法有點過於誇張。當用同一個機器人來訓練的時候,它沒有被限制必須用與人類語言,所以算法進行了一些變異,這很正常。

文章連結:https://blog.statsbot.co/machine-learning-translation-96f0ed8f19e4

在過去的一年裡,循環網路得到了很大的改進,並被應用於諸多領域。RNN 的結構也越來越複雜,但是在某些領域,簡約前向網路(DSSM)都取得了相似的結果。例如,在郵件智能回覆方面, Google 取得了與 LSTM 之前一樣的效果。另外,Yandex 基於這套網路,發布了新的搜索引擎。

2:語音

2.1:WaveNet,一種針對音源的生成模型

DeepMind 的研究員在他們的文章中展示瞭如何生成語音。簡單的說,他們基於之前生成圖像的方法,PixelRNN 和 PixelCNN,創造了一個自回歸全卷積的 WaveNet 模型。

該網路被以點到點的方式訓練:文本作為輸入,語音作為輸出。最終研究人員取得了極好的結果。在語音生成方面,機器人與人類的差距縮小了 50%。

該網路的主要缺陷在於效率低下。因為使用了自回歸技術,音頻是按順序生成,並且每 1-2 分鐘,才能生成一秒語音。

如果去掉對文字輸入的依賴,僅僅基於前期產生的語音,該網路會產生出類似人類的語言。但這樣並沒有實際意義。

這一模型不僅僅可以用於語音生成,也可以用於音樂創作。設想,在不依賴輸入數據的情況下,僅僅被鋼琴遊戲的數據庫訓練,該模型便可生成音頻。

2.2:唇語識別

唇語識別是另外一個已經成功超越人類的深度學習成就。

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《Lip ReadingSentences in the Wild》。Google Deepmind 在這篇於牛津大學合作發表的論文中,公佈了他們給予電視數據訓練的模型。該模型性能超越了 BBC 頻道專業的唇語閱讀員。

該數據集包括 10 萬條配有音頻和影片的語句。LSTM 訓練音頻,CNN+LSTM 訓練影片。最後將兩者的狀態向量作為最終 LSTM 模型的輸入,以產生文字輸出。

訓練中,使用不同的數據類型,包括音頻,影片以及音頻+影片。換句話說,這是個多渠道模型。

2.3:合成歐巴馬——從音頻中同步嘴唇動作

華盛頓大學進行了一項研究,以合成美國前總統歐巴馬的嘴唇動作。選擇他為對象的原因在於,在網路上有大量他的影片(17 小時的高清影片)。

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他們不能過多地直接使用網路模型輸出的合成畫面。因此,論文的作者使用了一些技巧來改善紋理的時間方面的問題。

效果如此令人震驚。 也許不久的將來,即使是總統演講影片都有可能是合成的。

3:計算機視覺

3.1:OCR——Google 地圖和街景

Google 大腦團隊在他們公佈的文章中,介紹了他們如何將新一代 OCR(光學字符識別)引擎引入 Google 地圖中,以實現街道標誌和店鋪標誌的自動識別。

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在開發過程中, Google 解碼了新的 FSNS(法語街道名標示),有很多複雜的場景。

為了識別出每一個標誌,網路模型最多使用了標誌的四張圖片。特徵通過 CNN 提取後,經過空間變化(考慮像素坐標)再輸入到 LSTM 模型中。

相似的方法被用於識別佈告牌中店鋪名稱的的項目。但是該項目的圖像數據有很多無關信息,網路模型必須對焦正確的信息進行讀取。這一算法已經被應用於 800 億張圖片上。

3.2:視覺推理

另一種稱做視覺推理的任務,是要讓神經網路利用圖片中訊息來回答問題。例如:圖片中有於黃色金屬圓柱體一般大的橡膠物品嗎?這種問題對算法來講很難,到目前為止,準確率只有 68.5%。

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DeepMind 在這一領域取得了突破,在 CLEVR 數據集中,他們取得了 95.5% 的超高準確率。

這一網路模型的結構很有意思:

  1. 通過預訓練好的 LSTM 模型,從文字問題中抽像出問題。
  2. 使用 4 層的 CNN 模型,從圖片中得到特徵圖(下圖中的黃色,藍色,和紅色部分),再加入坐標,將其與文字對應起來。
  3. 之後,再用另一個網路模型處理並集成這三類特徵。
  4. 最終,通過一個前反饋網路中的柔性最大激活函數(softmax),將答案呈現出來。

3.3:Pix2Code——用戶圖形界面代碼自動生成

Uizard(一家哥本哈根創業公司)開發了一款趣味十足的基於神經網路的應用程序:它能夠根據界面設計師的截屏圖片生成 GUI(圖形用戶界面)的佈局代碼。

這是一款十分實用的神經網路應用程序,它能夠讓軟件開髮變得更加容易。開發者(作者)聲稱該應用可以達到 77% 的準確率。不過,這款應用程序仍處在研究階段,尚未投入實際使用。

現在暫無項目的開源代碼和數據集,但是該公司承諾未來會在網上發布。

3.4:SketchRNN——教會機器如何作畫

也許你已經見識過了 Google 的 “Quick,Draw!”,一款讓用戶在 20 秒內畫出不同物體草圖的小程序。Google 公司收集該程序的數據集來教會神經網路如何作畫,正如他們在博客和文章中介紹的那樣。

公司收集到的數據集中包含 70000 張草圖,這個數據集現已公開。草圖不是以圖片的形式表示的,而是以圖中線條的詳細的向量形式表示。

研究人員使用 RNN 訓練出序列到序列的變分自動編碼器來作為編碼/解碼機制。

最後,為了適應自動編碼器,模型接收描述原始圖片特徵的特徵向量(隱向量)作為輸入。

而解碼器可以從輸入的向量中提取出一個圖,並且可以通過改變輸入向量獲得新的草圖。

甚至可以通過向量運算創造出 “catpig”(貓豬)的形象。

3.5:生成對抗網路(GANS)

生成對抗網路(GANS)是深度學習中最受關注的主題之一。多數情況下,這個網路是用來處理圖像的。

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《一文看懂生成式對抗網絡 GANs:介紹指南及前景展望》

《“未卜先知”、“自學成才”:GANs 奇思妙想 TOP10 榜單》

《生成對抗網絡(GANs)最新家譜:為你揭秘 GANs 的前世今生》

文章連結:https://blog.statsbot.co/generative-adversarial-networks-gans-engine-and-applications-f96291965b47

GANS 的思想是兩個網路——生成器和鑑別器——的競爭。第一個網路生成一張圖片,第二個網路則是試圖分辨出該圖片是真正的圖片還是生成的圖片。

GANS 的示意圖如下所示:

在訓練過程中,生成器首先通過一個隨機向量(噪音)生成圖像,然後把它輸入能夠判別圖像真假的鑑別器中。來自真實世界的圖像同樣會被輸入到鑑別器中。

這樣的結構難以訓練,因為很難找到兩個網路之間的平衡點。多數情況鑑別器獲勝然後訓練過程陷入停滯。不過,該系統的優點是可以解決鑑別器的損失函數(比如,提高照片的質量)難以設置的問題。

經典的 GAN 訓練結果樣例是臥室圖片以及人臉圖片:

先前我們討論了自動編碼(Sketch-RNN),即將原始數據編碼成一個潛在的表示形式。生成器的工作原理也是一樣的。

使用向量生成圖像的想法在這個項目中的人臉生成樣例中有很好的體現。你可以通過改變向量來觀察人臉是如何改變的。

同樣的算法也適用於潛空間:

「戴眼鏡的男人」-「男人」+「女人」=「戴眼鏡的女人」

3.6:通過 GANS 改變臉部年齡

如果在訓練過程中,你賦予潛向量一個被控參數,那麼當你生成該向量時,你就可以通過改變它來管理圖片中必需的圖像了。這種方法稱為條件 GAN(conditional GAN)。

“Face Aging With Conditional Generative Adversarial Networks.” 的作者們就是這樣做的。通過 IMDB 數據集中年齡已知的演員的照片來訓練模型,研究人員們就有機會來改變他們的臉部年齡。

3.7:專業照片

Google 又找到了一個 GAN 的趣味應用——篩選並改善照片。GAN 由專業圖片數據集訓練而來:生成器要改善不盡人意的照片),而鑑別器要做到區分「改善後的」照片和真實的專業照片。

訓練好的算法通過 Google 街景全景尋找最佳的構圖,同時獲得一些專業的、半專業質量的圖片。(根據攝像師的等級)

3.8:通過文本描述生成圖像

一個令人印象深刻的 GANs 的例子是通過文本生成圖像。

這項研究的作者提出不僅要將文本嵌入生成器(條件 GAN)的輸入中,還要嵌入到鑑別器中,以便驗證文本和圖片的相關性。為了確保鑑別器能夠學習並執行預期的功能,除了正常的訓練過程,他們還添加了錯誤描述真實圖片的文本及相應圖片,並一起投入訓練。

3.9:Pix2pix

2016 年度引人注目的文章之一是 BAIR 的 “Image-to-Image Translation with Conditional AdversarialNetworks” 。研究人員解決了由圖像生成圖像的問題,比如當需要由衛星圖像生成地圖或者通過草圖繪製物體的真實紋理。
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這是條件 GAN 的又一個出色表現的例子。在這個例子中,條件由整個圖片決定。圖像分割中的熱門技術 UNet 被用來作為生成器的結構,新提出的 PatchGAN 分類器被用來作為鑑別器以防圖像難以區分。(圖片被分割為 N 小塊,每一塊的真假分別預測)

Christopher Hesse 做了一個貓的演示,這個演示引起了用戶對 Pix2pix 的極大興趣。

3.10:CycleGAN

為了應用 Pix2pix,你需要來自不同領域的對應成對的圖片數據集。比如,在這種情況下,通過紙牌來生成這樣的數據集並不是件難事兒。然而,如果你想做些更複雜的,像「改變」圖片中的物體或圖片風格,從原則上來講這樣的數據集無法獲取。

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因此,Pix2pix 的作者們繼續深入思考並提出了 CycleGAN 來實現不同領域圖片之間的轉換而不需要明確的匹配—— “Unpaired Image-to-Image Translation.”

CycleGAN 的思路是訓練兩對生成器-鑑別器來把圖像從一個領域轉變到另一個領域再轉變回來,這樣的話需要保證週期一致性——在一系列的轉變之後,要得到與原始 L1 損失相近的圖像。週期損失則是保證生成器轉變後的圖片不會與原始圖片完全不相關。

這個方法能讓你把馬變成斑馬:

這樣的轉變並不穩定,經常會出現失敗案例:

3.11:腫瘤分子的發展

機器學習同樣在醫藥領域大展身手。除了超聲波圖像、核磁共振圖像和診斷識別外,機器學習還可以用於尋找新的抗癌藥物。

我們曾經報導過該研究的詳細內容。簡單來說就是在對抗自編碼器(AEE)的幫助下,可以得到分子的潛在表示並用以尋找新的分子。基於此,已有 69 種新分子被發現,約有 35 種已經投入到對抗癌症的使用中,其餘的分子也擁有巨大潛力。

3.12:對抗性攻擊

很多學者都對對抗性攻擊這個主題展開了積極探索。什麼是對抗性攻擊?舉個例子,在 ImageNet 上訓練得到的標準網路在受到特殊噪聲影響的圖片上進行分類會變得十分不穩定。在下面的例子中可以看到,人眼觀察到經過噪聲影響的圖像與原始圖像相比基本沒有變化,但是模型卻出現預測錯誤的問題。

 

模型的穩定通過 FGSM 算法已經實現:通過調節模型的參數,可以朝著期望類別的方向改變一個或多個梯度步長,並且改變原始圖片。

Kaggle 上的一個項目就與此相關:參賽者需要創造萬能的攻擊/防禦圖片,最終決出誰是最好的。

為什麼還應該研究攻擊呢?第一,如果我們想要保護自己的產品,可以在驗證碼上添加噪聲來阻止垃圾信息傳播者自動識別它們。第二,算法逐漸融入到我們的生活中——人臉識別和自動駕駛。這時候,攻擊者就可以利用算法的弱點了。

下面是一個特殊眼鏡欺騙人臉識別系統並「冒充他人」的例子。因此,在訓練模型的時候我們應該把可能遭受的攻擊納入考慮範圍內。

這樣處理後的指示牌也是無法正確識別的。

4:強化學習

強化學習是機器學習中最有意思且最有活力的發展路徑之一。

這種路徑的核心在於學習 agent 的成功行為,而這基於一個通過經驗給予獎勵的環境,就和人類通過他們的生活學習一樣。

強化學習被積極應用於遊戲、機器人和系統控制中(比如交通系統)

當然很多人都已經聽說「阿法狗」在比賽中戰勝了頂級的職業選手。研究人員使用「加強學習」訓練機器人,機器人通過自己的演練,來提升自己的策略。

4.1:強化訓練與不受控制的輔助任務

在過去的幾年裡,DeepMind 已經學會了使用深度強化學習來玩遊戲,甚至比人類玩得更好。目前,算法已經學會玩更複雜的遊戲,比如 Doom。

大部分的注意力集中於加速學習,因為在與環境的交互作用下,agent 的經驗需要在 modern GPUs 上進行大量訓練。

在他的博客中,Deepmind 報告說,引入額外的損耗(輔助任務),比如預測幀的變化(像素控制),使 agent 更好地理解行為的結果,從而顯著加快學習速度。

在 OpenAI 中,他們通過虛擬環境中的人已經積極研究出了 agent 的培養方式,與現實生活相比較而言,這對於實驗來說更安全。

在其中一項研究中,研究小組展示了 one-shot learning 的可能性:一個人在虛擬現實中展示如何執行一項特定的任務,而一個演示足以讓算法學會它,然後在實際情況下進行複製。

4.2:學習人類的偏好

OpenAI 和 DeepMind 都在這個問題上進行了研究探索。項目的底線是每一個 agent 有一個任務,該算法為人提供兩種可能的解決方案,並指出哪一個更好。這個過程迭代重複,並且從人學習如何解決這個問題的過程中得到 900 位反饋(二進制標記)。

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在訓練過程中,有一個問題需要認真思考 – 我們正在教給機器什麼。例如,計算機決定該算法真的想要獲取這個對象,但實際上,他只是模擬了這個動作。

4.3:在複雜環境中的運動

還有另一項來自 DeepMind 的研究。教機器人複雜的行為(行走、跳躍等),甚至做得和人類很相似。你必須大量地參與到損耗功能的選擇中,這將鼓勵期望的行為。然而,如果算法自己能通過簡單的獎勵來學習複雜行為,就更好了。

研究人員成功地做到了這一點: 他們通過構建一個帶有障礙物的複雜環境以及用簡單的獎勵來教 agent(身體模擬器)完成複雜的動作,促進運動的進展。

你可以看到機器人已經做得很好了。

5:其它

5.1:冷卻數據中心

在 2017 年 7 月,Google 宣稱他們利用 Deep Mind 在機器學習開發中的優勢成果,來減少其數據中心的能源損耗。

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基於來自數據中心的上千個傳感器所傳遞的信息,Google 的開發人員編寫了一個模型來預測 PUE(能源使用效率)以及更高效的數據中心管理模式。該項目意義深遠。

5.2:全能模型

訓練模型在任務與任務間的轉換很差,每一個任務都需要特定的模型加以對應,在一篇題為「萬能模型」的文章中提到,Google 大腦的模型在適用的普遍性上已小有成就。

論文連結:https://arxiv.org/abs/1706.05137

研究人員已經編寫了一個可以在不同領域(文本、語音和圖像)執行 8 個任務的模型。例如,翻譯不同的語言,文本解析,圖像和聲音識別。

為了實現這一點他們搭建了一個複雜的網路架構,並利用不同的模塊處理輸入的數據和生成的結果。編碼與解碼的模塊主要有三種類型:卷積、attention、混合專家系統。

主要成果: 獲得了近乎完美的模型 (作者沒有對超參數進行微調)。

不同領域間的知識轉換,也就是說,在擁有充分數據的項目預測中,模型表現很穩定。

不同任務所需要的模塊之間不僅不會相互干擾而且還會彼此增益,比如 MoE 用於 Imagenet 任務。

順便說一下,這個模型存出現於 T2T 之中……

5.3:一小時學習 Imagenet

在他們的帖子裡,Facebook 的工作人員告訴我們,他們的工程師們僅用一個小時內就能在 Imagenet 上教授 resnet – 50 模型。這需要 256 個 gpu(特斯拉 P100)的集群。

他們使用 Gloo 和 caffe2 來進行分佈式學習。為了使過程有效,必須要大量的整學習策略 (8192 個元素):梯度平均、預熱階段、特殊學習速率等。

因此,當從 8 擴展到 256 GPU 時,可以達到 90% 的效率。現在,來自 Facebook 的研究人員可以更快進行實驗。

6:新聞

6.1:自動駕駛汽車

自動駕駛汽車領域正在快速發展,也進入了積極的測試階段。最近行業內的大事件主要有 Intel MobilEye 的收購,Uber 和 Google 前僱員盜取技術的醜聞,使用自動駕駛儀造成的第一起死亡事故。

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Google  Waymo 正在推出一個 beta 程序。Google 是該領域的先驅,技術廣受認可,他們的汽車已經累計行駛了超過 300 萬英里。

最近美國各州已經允許自動駕駛汽車運行上路了。

6.2:醫療保健

機械學習正在被引入醫學。例如,Google 與醫療中心合作幫助病患診斷。

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Deepmind 甚至建立了一個獨立的業務單元。

今年,在 “Data Science Bowl” 的項目下,舉辦了一項獎金為 100 萬美元競賽,競賽內容是以高清圖像為基礎,對肺癌一年內的發病率進行預測。

6.3:投資

就像之前大量資本進入大數據產業一樣,機器學習也在投資界受到熱捧。

中國在人工智能領域投資 1500 億美元,成為該領域的先驅。

我們看一組對比數據。百度研究院僱傭了 1300 人,在同領域臉書只雇了 80 個。

學習「機器學習」永遠不會算太晚。無論如何,隨著時間的推移,所有開發人員都將使用機器學習,這將成為一項通用技能,就像今天大家都會使用數據庫一樣。

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原文連結:https://blog.statsbot.co/deep-learning-achievements-4c563e034257

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈2017 年你错过了哪些 AI 圈大事?最全盘点,值得收藏!〉。)

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