如何用深度學(xué)習(xí)模型，模仿人類的教練過程？

DeepMind日前公開了他們首款醫(yī)療AI落地產(chǎn)品，能診斷50多種眼疾，精度超越人類醫(yī)生。為了訓(xùn)練這個系統(tǒng)，DeepMind 用了近1.5萬個人工標注的數(shù)據(jù)。盡管這項工作非常了不起，但從更廣闊的視角看，從不會學(xué)習(xí)的電子計算機，到需要大數(shù)據(jù)才能“教會”的深度學(xué)習(xí)，有沒有可能更進一步，實現(xiàn)像人類一樣只需要小數(shù)據(jù)就能學(xué)習(xí)的方法？本文作者復(fù)星集團AI首席科學(xué)家、大數(shù)醫(yī)達創(chuàng)始人鄧侃博士認為，Deep Coaching 或許是一種可行之道。

DeepMind是Google旗下專注于人工智能研究的公司，DeepMind最出名的成就是AlphaGo系統(tǒng)，它戰(zhàn)勝了當(dāng)今世界所有圍棋高手。

2018年8月13日，DeepMind一組研究員，在Nature Medicine上發(fā)表了一篇論文，題為“Clinically applicabledeep learning for diagnosis and referral in retinal disease”，用深度學(xué)習(xí)算法，學(xué)習(xí)視網(wǎng)膜疾病的診斷和轉(zhuǎn)診，并付諸臨床實踐。

這篇論文的內(nèi)容，媒體上已經(jīng)有不少報導(dǎo)，似乎沒有必要進一步讀解。但是我們不妨退后幾步，用更廣闊的視角，審視從電子計算機到智能機器的演進。我們已經(jīng)實現(xiàn)了哪些成就，目前主要的障礙有哪些，并探討如何解決這些問題。

三位大師成就電子計算機，但只能服從指令不會學(xué)習(xí)

說到電子計算機，就必須仰望三位大師：圖靈、馮·諾依曼、香農(nóng)。

電子計算機與傳統(tǒng)機器的本質(zhì)區(qū)別是，計算機把指令與操作分離，機器預(yù)先不知道要進行哪些操作，根據(jù)實時下達的指令完成操作。而且，計算機還可以把一系列指令，編制成程序，動態(tài)地生成指令，讓機器完成更復(fù)雜的復(fù)合操作。

計算機的原理，由圖靈首創(chuàng)。用電子器件完成計算機的工程實現(xiàn)，由馮·諾依曼首創(chuàng)。而數(shù)碼信息的通訊，包括編碼解碼和傳輸通道，由香農(nóng)首創(chuàng)。

但是，電子計算機只是機械地執(zhí)行程序賦予的指令，并不會像人類那樣思考，尤其是不會像人類那樣學(xué)習(xí)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會“學(xué)習(xí)”，但需要大數(shù)據(jù)，與人腦思考方式不符

那什么是“學(xué)習(xí)”？

有一種觀點認為，學(xué)習(xí)=函數(shù)擬合。如果把函數(shù)表達為y = f(x)，又有一大堆訓(xùn)練數(shù)據(jù)，也就是一大堆 (x，y)數(shù)組，那么學(xué)習(xí)過程，就是從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中，得出對原函數(shù)的近似模擬

。

1940年代，科學(xué)家們模仿神經(jīng)元的解剖學(xué)構(gòu)造，發(fā)明了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——神經(jīng)元perceptron。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，把多個神經(jīng)元組合在一起，構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠表達幾乎任何函數(shù)。換而言之，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通用的函數(shù)，學(xué)習(xí)的過程，等同于猜測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。海量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的用途，在于不斷地優(yōu)化對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的猜測，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠更好地模擬目標函數(shù)。

“學(xué)習(xí)”等于猜測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，大數(shù)據(jù)用于不斷優(yōu)化對參數(shù)的猜測

但是，要表達復(fù)雜函數(shù)，需要規(guī)模龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括上百層神經(jīng)元，每層包含幾千個神經(jīng)元。Geoffrey Hinton教授，給這種超大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取了一個名字——深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）也是由此而來。

深度學(xué)習(xí)是一種通用的方法，能夠應(yīng)用在很多領(lǐng)域，尤其在圖像識別、語音識別、自然語言處理三大領(lǐng)域的應(yīng)用，與傳統(tǒng)方法相比較，深度學(xué)習(xí)取得了突破性的進展。

但是，深度學(xué)習(xí)經(jīng)常遭人詬病的弱點有三：

1.需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)。譬如DeepMind昨天發(fā)表的論文中提到，他們用14,884個經(jīng)過人工標注的訓(xùn)練數(shù)據(jù)（醫(yī)學(xué)圖像），學(xué)習(xí)50 多種視網(wǎng)膜疾病的診斷。人工標注14,884張醫(yī)學(xué)圖像，工作量不小。但對于深度學(xué)習(xí)來說，經(jīng)常需要百萬級訓(xùn)練數(shù)據(jù)。從百萬數(shù)量級，降低到14,884張標注圖片，已經(jīng)是很了不起的進步了。

2.黑盒子。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部參數(shù)，沒有明確的物理意義，無法用人類聽得懂的語言，解釋深度學(xué)習(xí)的結(jié)果。

3.沒有仿生學(xué)基礎(chǔ)。人類不需要幾萬張圖片的訓(xùn)練，就能學(xué)習(xí)掌握讀片的訣竅。很顯然，人類大腦的學(xué)習(xí)過程，與深度學(xué)習(xí)并不相符。

DeepMind的方法：分兩步降低數(shù)據(jù)量，符合人類醫(yī)生診斷習(xí)慣

DeepMind的改進方法，是把讀片分成兩步：第一步從原始圖像中，提取病灶特征，類似于人類醫(yī)生讀片報告中“檢查所見”的段落內(nèi)容；第二步根據(jù)檢查所見的病灶特征，用分類的辦法，診斷出罹患的疾病，類似于人類醫(yī)生撰寫的讀片報告中“檢查結(jié)論”的段落內(nèi)容。

把讀片分成兩步，好處有三，

1.把一大步分解為兩小步，每一小步的復(fù)雜度降低，導(dǎo)致神經(jīng)模型的規(guī)模降低，導(dǎo)致訓(xùn)練神經(jīng)模型所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的數(shù)量降低。

論文自豪地聲稱，他們只用了14,884個經(jīng)過人工標注的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，就訓(xùn)練出了圖像識別系統(tǒng)，其精度媲美人類醫(yī)生對視網(wǎng)膜疾病的診斷精度。

不同設(shè)備拍攝出的圖像效果不同，因此每一種設(shè)備，最好都配有自己專用的深度學(xué)習(xí)模型（也即N種設(shè)備有N個模型）。但是，這些模型的輸出，卻都是標準化的“檢查所見”的病灶特征。從標準化的病灶特征，到“檢查結(jié)論”的疾病診斷，只需要一個模型（因此，總共需要N+1個模型）。

雖然不同設(shè)備的專屬模型，理論上各不相同。但是在生成新設(shè)備的專屬模型時，可以在已經(jīng)生成了的其它設(shè)備的專屬模型的基礎(chǔ)上，做進一步調(diào)優(yōu)。調(diào)優(yōu)需要的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，數(shù)量大大降低。

2.通過分析診斷模型的參數(shù)，可以窺探到哪些輸入的病灶特征，對診斷結(jié)果的影響更大。也就是說，可以基于從輸入到輸出的敏感性分析，來解釋深度學(xué)習(xí)模型的內(nèi)在邏輯。

3.把讀片的過程，從一個大步，分解為兩個小步（檢查所見與檢查結(jié)論），符合人類醫(yī)生讀片的習(xí)慣。

遺留的問題，是如何進一步降低對訓(xùn)練數(shù)據(jù)（人工標注過的醫(yī)學(xué)圖片）的數(shù)量要求，尤其是第一步，從不同設(shè)備拍攝的照片中，提取病灶特征。

深度教練：讓深度學(xué)習(xí)模仿人類教學(xué)過程，大幅減少訓(xùn)練數(shù)據(jù)

假如我們把深度學(xué)習(xí)（Deep Learning），改進為深度教練（Deep Coaching），或許可以大幅度降低對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的數(shù)量要求。

深度教練（Deep Coaching）模仿人類老師指導(dǎo)人類學(xué)生的過程。

人類老師指著一張醫(yī)學(xué)圖片說：“看這里，這里是某種病灶。注意，某種病灶的形狀和紋理，具有這些特點?！?/p>

學(xué)生指著圖片中另一個區(qū)域說：“老師，這里也是病灶嗎？”

老師說：“不是的，因為病灶的面積太小?！?/p>

學(xué)生又指著圖片中第三個區(qū)域說：“老師，這里應(yīng)該是病灶了吧？”

。。。

如何用深度學(xué)習(xí)模型，模仿人類的教練過程？需要解決以下幾個問題：

1.如何識別形狀、紋理和大小？

形狀、紋理、大小，是圖像識別中的通用特征，有大量已經(jīng)被人工標注過了的圖片，可以用于模型的訓(xùn)練。問題在于如何窺探深度學(xué)習(xí)模型中哪一層的哪些神經(jīng)元，分別代表形狀、紋理和大小。這個問題，有多種解決方案，譬如dropout等等。

2.如何讓深度學(xué)習(xí)模型，理解“看這里，這里是某種病灶。注意，某種病灶的形狀和紋理，具有這些特點”。

沿用CNN的辦法，把整個圖像分割成若干小區(qū)域。然后對深度學(xué)習(xí)模型進行調(diào)參，盡可能放大病灶區(qū)域，與其它區(qū)域的差別，假設(shè)其它區(qū)域是無病灶區(qū)域。如果老師明確說，形狀和紋理是關(guān)鍵特征，那么對于深度學(xué)習(xí)模型而言，等同于先驗地放大相關(guān)參數(shù)的初始設(shè)置。

3.如何讓深度學(xué)習(xí)模型模仿學(xué)生，指著圖片中另一個區(qū)域說：“老師，這里也是病灶嗎？”

用第二步訓(xùn)練出來的模型，掃描整個圖像，標記出其它疑似病灶區(qū)域。

4.如何讓深度學(xué)習(xí)模型理解老師的糾正，“不是的，因為病灶的面積太小?！?/p>

等同于對深度學(xué)習(xí)模型進行調(diào)參，尤其是與病灶面積相關(guān)的參數(shù)，使得模型的輸出正確。

。。。

完成深度教練的全部過程，應(yīng)該最多只需要幾十個回合。所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，也就是標注過的圖片，估計不超過十張。而且每張標注的圖片，不需要把所有病灶都標注出來。

深度學(xué)習(xí)vs深度教練的比較研究，似乎值得探討。

有志者，不妨來合作。