一片欣欣向榮背后，深度學習在計算機視覺領(lǐng)域的瓶頸已至

一片欣欣向榮背后，深度學習在計算機視覺領(lǐng)域的瓶頸已至。

提出這個觀點的，不是外人，正是計算機視覺奠基者之一，約翰霍普金斯大學教授Alan Yuille，他還是霍金的弟子。

他說，現(xiàn)在做AI不提神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成果都很難發(fā)表了，這不是個好勢頭。

如果人們只追神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的潮流，拋棄所有老方法；如果人們只會刷榜，不去想怎樣應對深度網(wǎng)絡(luò)的局限性，這個領(lǐng)域可能很難有更好的發(fā)展。

面對深度學習的三大瓶頸，Yuille教授給出兩條應對之道：靠組合模型培養(yǎng)泛化能力，用組合數(shù)據(jù)測試潛在的故障。

觀點發(fā)表之后，引發(fā)不少的共鳴。Reddit話題熱度快速超過200，學界業(yè)界的AI科學家們也紛紛在Twitter上轉(zhuǎn)發(fā)。

Reddit網(wǎng)友評論道，以Yuille教授的背景，他比別人更清楚在深度學習在計算機視覺領(lǐng)域現(xiàn)狀如何，為什么出現(xiàn)瓶頸。

深度學習的三大瓶頸

Yuille指出，深度學習雖然優(yōu)于其他技術(shù)，但它不是通用的，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，它的瓶頸已經(jīng)凸顯出來，主要有三個：

需要大量標注數(shù)據(jù)

深度學習能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是大量經(jīng)過標注的數(shù)據(jù)，這使得計算機視覺領(lǐng)域的研究人員傾向于在數(shù)據(jù)資源豐富的領(lǐng)域搞研究，而不是去重要的領(lǐng)域搞研究。

雖然有一些方法可以減少對數(shù)據(jù)的依賴，比如遷移學習、少樣本學習、無監(jiān)督學習和弱監(jiān)督學習。但是到目前為止，它們的性能還沒法與監(jiān)督學習相比。

過度擬合基準數(shù)據(jù)

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在基準數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)很好，但在數(shù)據(jù)集之外的真實世界圖像上，效果就差強人意了。比如下圖就是一個失敗案例。

一個用ImageNet訓練來識別沙發(fā)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如果沙發(fā)擺放角度特殊一點，就認不出來了。這是因為，有些角度在ImageNet數(shù)據(jù)集里很少見。

在實際的應用中， 如果深度網(wǎng)絡(luò)有偏差，將會帶來非常嚴重的后果。

要知道，用來訓練自動駕駛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中，基本上從來沒有坐在路中間的嬰兒。

對圖像變化過度敏感

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對標準的對抗性攻擊很敏感，這些攻擊會對圖像造成人類難以察覺的變化，但可能會改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對一個物體的認知。

而且，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對場景的變化也過于敏感。比如下面的這張圖，在猴子圖片上放了吉他等物體，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就將猴子識別成了人類，吉他識別成了鳥類。

背后的原因是，與猴子相比，人類更有可能攜帶吉他，與吉他相比，鳥類更容易出現(xiàn)在叢林中。

這種對場景的過度敏感，原因在于數(shù)據(jù)集的限制。

對于任何一個目標對象，數(shù)據(jù)集中只有有限數(shù)量的場景。在實際的應用中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會明顯偏向這些場景。

對于像深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這樣數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來說，很難捕捉到各種各樣的場景，以及各種各樣的干擾因素。

想讓深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理所有的問題，似乎需要一個無窮大的數(shù)據(jù)集，這就給訓練和測試數(shù)據(jù)集帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

為什么數(shù)據(jù)集會不夠大？

這三大問題，還殺不死深度學習，但它們都是需要警惕的信號。

Yuille說，瓶頸背后的原因，就是一個叫做“組合爆炸”的概念：

就說視覺領(lǐng)域，真實世界的圖像，從組合學觀點來看太大量了。任何一個數(shù)據(jù)集，不管多大，都很難表達出現(xiàn)實的復雜程度。

那么，組合學意義上的大，是個什么概念？

大家想象一下，現(xiàn)在要搭建一個視覺場景：你有一本物體字典，要從字典里選出各種各樣的物體，把它們放到不同的位置上。

說起來容易，但每個人選擇物體、擺放物體的方法都不一樣，搭出的場景數(shù)量是可以指數(shù)增長的。

就算只有一個物體，場景還是能指數(shù)增長。因為，它可以用千奇百怪的方式被遮擋；物體所在的背景也有無窮多種。

人類的話，能夠自然而然適應背景的變化；但深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對變化就比較敏感了，也更容易出錯：

△是的，前面出現(xiàn)過了

也不是所有視覺任務(wù)都會發(fā)生組合爆炸(Combinatorial Explosion) 。

比如，醫(yī)學影像就很適合用深度網(wǎng)絡(luò)來處理，因為背景少有變化：比如，胰腺通常都會靠近十二指腸。

但這樣的應用并不常見，復雜多變的情況在現(xiàn)實中更普遍。如果沒有指數(shù)意義上的大數(shù)據(jù)集，就很難模擬真實情況。

而在有限的數(shù)據(jù)集上訓練/測試出來的模型，會缺乏現(xiàn)實意義：因為數(shù)據(jù)集不夠大，代表不了真實的數(shù)據(jù)分布。

那么，就有兩個新問題需要重視：

1、怎樣在有限的數(shù)據(jù)集里訓練，才能讓AI在復雜的真實世界里也有很好的表現(xiàn)？

2、怎樣在有限的數(shù)據(jù)集里，高效地給算法做測試，才能保證它們承受得了現(xiàn)實里大量數(shù)據(jù)的考驗？

組合爆炸如何應對？

數(shù)據(jù)集是不會指數(shù)型長大的，所以要試試從別的地方突破。

可以訓練一個組合模型，培養(yǎng)泛化能力。也可以用組合數(shù)據(jù)來測試模型，找出容易發(fā)生的故障。

總之，組合是關(guān)鍵。

訓練組合模型

組合性 (Compositionality) 是指，一個復雜的表達，它的意義可以通過各個組成部分的意義來決定。

這里，一個重要的假設(shè)就是，一個結(jié)構(gòu)是由許多更加基本的子結(jié)構(gòu)，分層組成的；背后有一些語法規(guī)則。

這就表示，AI可以從有限的數(shù)據(jù)里，學會那些子結(jié)構(gòu)和語法，再泛化到各種各樣的情景里。

與深度網(wǎng)絡(luò)不同，組合模型 (Compositional Models) 需要結(jié)構(gòu)化的表示方式，才能讓結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)更明確。

組合模型的推斷能力，可以延伸到AI見過的數(shù)據(jù)之外：推理、干預、診斷，以及基于現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu)去回答不同的問題。

引用Stuart German的一句話：

The world is compositional or God exists.
世界是組合性的，不然，上帝就是存在的。

雖然，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有些組合性：高級特征是由低級特征的響應組成的；但在本文所討論的意義上，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不是組合性的。

組合模型的優(yōu)點已經(jīng)在許多視覺任務(wù)里面體現(xiàn)了：比如2017年登上Science的、用來識別CAPTCHA驗證碼的模型。

還有一些理論上的優(yōu)點，比如可解釋，以及可以生成樣本。這樣一來，研究人員就更加容易發(fā)現(xiàn)錯誤在哪，而不像深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是個黑盒，誰也不知道里面發(fā)生了什么。

但要學習組合模型，并不容易。因為這里需要學習所有的組成部分和語法；

還有，如果要通過合成 (Synthesis) 來作分析，就需要有生成模型(Generative Models) 來生成物體和場景結(jié)構(gòu)。

就說圖像識別，除了人臉、字母等等少數(shù)幾種很有規(guī)律的圖案之外，其他物體還很難應付：

從根本上說，要解決組合爆炸的問題，就要學習3D世界的因果模型(Causal Models) ，以及這些模型是如何生成圖像的。

有關(guān)人類嬰兒的研究顯示，他們是通過搭建因果模型來學習的，而這些模型可以預測他們生活環(huán)境的結(jié)構(gòu)。

對因果關(guān)系的理解，可以把從有限數(shù)據(jù)里學到的知識，有效擴展到新場景里去。

在組合數(shù)據(jù)里測試模型

訓練過后，該測試了。

前面說過，世界那么復雜，而我們只能在有限的數(shù)據(jù)上測試算法。

要處理組合數(shù)據(jù) (Combinatorial Data) ，博弈論是一種重要的方法：它專注于最壞情況(Worst Case) ，而不是平均情況 (Average Case) 。

就像前面討論過的那樣，如果數(shù)據(jù)集沒有覆蓋到問題的組合復雜性，用平均情況討論出的結(jié)果可能缺乏現(xiàn)實意義。

而關(guān)注最壞情況，在許多場景下都是有意義的：比如自動駕駛汽車的算法，比如癌癥診斷的算法。因為在這些場景下，算法故障可能帶來嚴重的后果。

如果，能在低維空間里捕捉到故障模式 (Failure Modes) ，比如立體視覺的危險因子 (Hazard Factors) ，就能用圖形和網(wǎng)格搜索來研究這些故障。

但是對于大多數(shù)視覺任務(wù)，特別是那些涉及組合數(shù)據(jù)的任務(wù)，通常不會有能找出幾個危險因子、隔離出來單獨研究的簡單情況。

△對抗攻擊：稍稍改變紋理，只影響AI識別，不影響人類

有種策略，是把標準對抗攻擊(Adversarial Attacks) 的概念擴展到包含非局部結(jié)構(gòu)(Non-Local Structure) ，支持讓圖像或場景發(fā)生變化的復雜運算，比如遮擋，比如改變物體表面的物理性質(zhì)，但不要對人類的認知造成重大改變。

把這樣的方法應用到視覺算法上，還是很有挑戰(zhàn)性的。

不過，如果算法是用組合性(Compositional) 的思路來寫，清晰的結(jié)構(gòu)可能會給算法故障檢測帶來很大的幫助。

關(guān)于Alan Yuille

Alan Yuille，目前就職于約翰霍普金斯大學，是認知科學和計算機科學的杰出教授。

1976年，在劍橋大學數(shù)學專業(yè)獲得學士學位。之后師從霍金，在1981年獲得理論物理博士學位。

畢業(yè)之后，轉(zhuǎn)而開拓計算機視覺領(lǐng)域。并先后就職于麻省理工學院的人工智能實驗室，哈佛大學計算機系等等學術(shù)機構(gòu)。

2002年加入UCLA，之后擔任視覺識別與機器學習中心主任，同時也在心理學系，計算機系，精神病學和生物行為學系任客座教授。

2016年，加入約翰霍普金斯大學。

他曾獲得ICCV的最佳論文獎，2012年，擔任計算機視覺頂級會議CVPR的主席，計算機視覺界的奠基人之一。

此外，Alan Yuille也直接影響了中國AI的發(fā)展，其嫡系弟子朱瓏博士學成后，回國創(chuàng)辦了AI公司依圖科技，現(xiàn)在也是中國CV領(lǐng)域最知名的創(chuàng)業(yè)公司之一。

這篇文章中的觀點，出自Yuille在2018年5月發(fā)表的一篇論文，共同作者是他的博士生Chenxi Liu，在今年一月份，他們對這篇論文進行了更新。

因為我對計算機視覺比較熟，就從計算機視覺的角度說一下自己對深度學習瓶頸的看法。

一、深度學習缺乏理論支撐
大多數(shù)文章的idea都是靠直覺提出來的，背后的很少有理論支撐。通過實驗驗證有效的idea，不一定是最優(yōu)方向。就如同最優(yōu)化問題中的sgd一樣，每一個step都是最優(yōu)，但從全局來看，卻不是最優(yōu)。

沒有理論支撐的話，計算機視覺領(lǐng)域的進步就如同sgd一樣，雖然有效，但是緩慢；如果有了理論支撐，計算機視覺領(lǐng)域的進步就會像牛頓法一樣，有效且迅猛。

CNN模型本身有很多超參數(shù)，比如設(shè)置幾層，每一層設(shè)置幾個filter，每個filter是depth wise還是point wise，還是普通conv，filter的kernel size設(shè)置多大等等。

這些超參數(shù)的組合是一個很大的數(shù)字，如果只靠實驗來驗證，幾乎是不可能完成的。最后只能憑直覺試其中一部分組合，因此現(xiàn)在的CNN模型只能說效果很好，但是絕對還沒達到最優(yōu)，無論是效果還是效率。

以效率舉例，現(xiàn)在resnet效果很好，但是計算量太大了，效率不高。然而可以肯定的是resnet的效率可以提高，因為resnet里面肯定有冗余的參數(shù)和冗余的計算，只要我們找到這些冗余的部分，并將其去掉，效率自然提高了。一個最簡單而且大多人會用的方法就是減小各層channel的數(shù)目。

如果一套理論可以估算模型的capacity，一個任務(wù)所需要模型的capacity。那我們面對一個任務(wù)的時候，使用capacity與之匹配的模型，就能使得效果好，效率優(yōu)。

二、領(lǐng)域內(nèi)越來越工程師化思維
因為深度學習本身缺乏理論，深度學習理論是一塊難啃的骨頭，深度學習框架越來越傻瓜化，各種模型網(wǎng)上都有開源實現(xiàn)，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)很多人都是把深度學習當樂高用。

面對一個任務(wù)，把當前最好的幾個模型的開源實現(xiàn)git clone下來，看看這些模型的積木搭建說明書（也就是論文），思考一下哪塊積木可以改一改，積木的順序是否能調(diào)換一樣，加幾個積木能不能讓效果更好，減幾個積木能不能讓效率更高等等。

思考了之后，實驗跑起來，實驗效果不錯，文章發(fā)起來，實驗效果不如預期，重新折騰一遍。

這整個過程非常的工程師化思維，基本就是憑感覺trial and error，深度思考缺位。很少有人去從理論的角度思考模型出了什么問題，針對這個問題，模型應該做哪些改進。

舉一個極端的例子，一個數(shù)據(jù)實際上是一次函數(shù)，但是我們卻總二次函數(shù)去擬合，發(fā)現(xiàn)擬合結(jié)果不好，再用三次函數(shù)擬合，三次不行，四次，再不行，就放棄。我們很少思考，這個數(shù)據(jù)是啥分布，針對這樣的分布，有沒有函數(shù)能擬合它，如果有，哪個函數(shù)最合適。

深度學習本應該是一門科學，需要用科學的思維去面對她，這樣才能得到更好的結(jié)果。

三、對抗樣本是深度學習的問題，但不是深度學習的瓶頸
我認為對抗樣本雖然是深度學習的問題，但并不是深度學習的瓶頸。機器學習中也有對抗樣本，機器學習相比深度學習有著更多的理論支撐，依然沒能把對抗樣本的問題解決。

之所以我們覺得對抗樣本是深度學習的瓶頸是因為，圖像很直觀，當我們看到兩張幾乎一樣的圖片，最后深度學習模型給出兩種完全不一樣的分類結(jié)果，這給我們的沖擊很大。

如果修改一個原本類別是A的feature中某個元素的值，然后使得svm的分類改變?yōu)锽，我們會覺得不以為然，“你改變了這個feature中某個元素的值，它的分類結(jié)果改變很正常啊”。

個人認為，當前深度學習的瓶頸，可能在于 scaling。是的，你沒有聽錯。

我們已經(jīng)有海量的數(shù)據(jù)，海量的算力，但我們卻難以訓練大型的深度網(wǎng)絡(luò)模型（GB 到 TB 級別的模型），因為 BP 難以大規(guī)模并行化。數(shù)據(jù)并行不夠，用模型并行后加速比就會大打折扣。即使在加入諸多改進后，訓練過程對帶寬的要求仍然太高。

這就是為什么 nVidia 的 DGX-2 只有 16 塊 V100，但就是要賣到 250 萬。因為雖然用少得多的錢就可以湊出相同的總算力，但很難搭出能高效運用如此多張顯卡的機器。

而且 DGX-2 內(nèi)部的 GPU 也沒有完全互聯(lián)：

又例如 AlphaGo Zero 的訓練，實際用于訓練的只是很少的 TPU。即使有幾千幾萬張 TPU，也并沒有辦法將他們高效地用于訓練網(wǎng)絡(luò)。

如果什么時候深度學習可以無腦堆機器就能不斷提高訓練速度（就像挖礦可以堆礦機），從而可以用超大規(guī)模的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，學會 PB EB 級別的各類數(shù)據(jù)，那么所能實現(xiàn)的效果很可能會是令人驚訝的。

那么我們看現(xiàn)在的帶寬：

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_interface_bit_rates

2011年出了PCI-E 3.0 x16，是 15.75 GB/s，現(xiàn)在消費級電腦還是這水平，4.0還是沒出來，不過可能是因為大家沒動力（游戲?qū)捯鬀]那么高）。

NVLink 2.0是 150 GB/s，對于大型并行化還是完全不夠的。

大家可能會說，帶寬會慢慢提上來的。

很好，那么，這就來到了最奇怪的問題，我想這個問題值得思考：

AI芯片花了這么大力氣還是帶寬受限，那么人腦為何沒有受限于帶寬？

我的想法是：

人腦的并行化做得太好了，因此神經(jīng)元之間只需要kB級的帶寬。值得AI芯片和算法研究者學習。

人腦的學習方法比BP粗糙得多，所以才能這樣大規(guī)模并行化。

人腦的學習方法是去中心化的，個人認為，更接近 energy-based 的方法。

人腦的其它特點，用現(xiàn)在的遷移學習+多任務(wù)學習+持續(xù)學習已經(jīng)可以模仿。

人腦還會用語言輔助思考。如果沒有語言，人腦也很難快速學會復雜的事情。

稍后我還會再進一步寫寫這個問題，歡迎大家探討和指正。

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