深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的瓶頸已至

一片欣欣向榮背后，深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的瓶頸已至。提出這個觀點(diǎn)的，不是外人，正是計(jì)算機(jī)視覺奠基者之一，約翰霍普金斯大學(xué)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(yīng)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(xué)習(xí)的三大瓶頸，Yuille教授給出兩條應(yīng)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(diǎn)發(fā)表之后，引發(fā)不少的共鳴。Reddit話題熱度快速超過200，學(xué)界業(yè)界的AI科學(xué)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(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域現(xiàn)狀如何，為什么出現(xiàn)瓶頸。

深度學(xué)習(xí)的三大瓶頸

Yuille指出，深度學(xué)習(xí)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(biāo)注數(shù)據(jù)

深度學(xué)習(xí)能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是大量經(jīng)過標(biāo)注的數(shù)據(jù)，這使得計(jì)算機(jī)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(xué)習(xí)、少樣本學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)和弱監(jiān)督學(xué)習(xí)。但是到目前為止，它們的性能還沒法與監(jiān)督學(xué)習(xí)相比。

過度擬合基準(zhǔn)數(shù)據(jù)

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

一個用ImageNet訓(xùn)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(diǎn)，就認(rèn)不出來了。這是因?yàn)椋行┙嵌仍贗mageNet數(shù)據(jù)集里很少見。

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

要知道，用來訓(xùn)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(biāo)對象，數(shù)據(jù)集中只有有限數(shù)量的場景。在實(shí)際的應(yīng)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(xùn)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(xué)習(xí)，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(shí)世界的圖像，從組合學(xué)觀點(diǎn)來看太大量了。任何一個數(shù)據(jù)集，不管多大，都很難表達(dá)出現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜程度。

那么，組合學(xué)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?yàn)?，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(yīng)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(xué)影像就很適合用深度網(wǎng)絡(luò)來處理，因?yàn)楸尘吧儆凶兓罕热?，胰腺通常都會靠近十二指腸。

但這樣的應(yīng)用并不常見，復(fù)雜多變的情況在現(xiàn)實(shí)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(shí)情況。

而在有限的數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練/測試出來的模型，會缺乏現(xiàn)實(shí)意義：因?yàn)閿?shù)據(jù)集不夠大，代表不了真實(shí)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(xùn)練，才能讓AI在復(fù)雜的真實(shí)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(shí)里大量數(shù)據(jù)的考驗(yàn)？

組合爆炸如何應(yīng)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(xùn)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(xùn)練組合模型

組合性 (Compositionality) 是指，一個復(fù)雜的表達(dá)，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(xué)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(yù)、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(yīng)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(diǎn)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(yàn)證碼的模型。

還有一些理論上的優(yōu)點(diǎn)，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(xué)習(xí)組合模型，并不容易。因?yàn)檫@里需要學(xué)習(xí)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(yīng)付：

從根本上說，要解決組合爆炸的問題，就要學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)的，而這些模型可以預(yù)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(xué)到的知識，有效擴(kuò)展到新場景里去。

在組合數(shù)據(jù)里測試模型

訓(xùn)練過后，該測試了。

前面說過，世界那么復(fù)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(fù)雜性，用平均情況討論出的結(jié)果可能缺乏現(xiàn)實(shí)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?yàn)樵谶@些場景下，算法故障可能帶來嚴(yán)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(xiǎn)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(xiǎn)因子、隔離出來單獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)對抗攻擊(Adversarial Attacks) 的概念擴(kuò)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(fù)雜運(yùn)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(rèn)知造成重大改變。

把這樣的方法應(yīng)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(xué)，是認(rèn)知科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的杰出教授。

1976年，在劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位。之后師從霍金，在1981年獲得理論物理博士學(xué)位。

畢業(yè)之后，轉(zhuǎn)而開拓計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域。并先后就職于麻省理工學(xué)院的人工智能實(shí)驗(yàn)室，哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)系等等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。

2002年加入U(xiǎn)CLA，之后擔(dān)任視覺識別與機(jī)器學(xué)習(xí)中心主任，同時(shí)也在心理學(xué)系，計(jì)算機(jī)系，精神病學(xué)和生物行為學(xué)系任客座教授。

2016年，加入約翰霍普金斯大學(xué)。

他曾獲得ICCV的最佳論文獎，2012年，擔(dān)任計(jì)算機(jī)視覺頂級會議CVPR的主席，計(jì)算機(jī)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(xué)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(diǎn)，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(jìn)行了更新。