快速了解人工智能：浪潮,技術及應用

所謂人工智能（Artificial Intelligence；縮寫：AI），是指以人工方式來實現(xiàn)人類所具有之智慧的技術。只不過，目前能實現(xiàn)與人類智能同等的技術還不存在，世界上絕大多數(shù)的人工智能還是只能解決某個特定問題。本篇文章是在我閱讀了幾本AI的相關書籍后，所概略統(tǒng)整出的架構，希望讓初次接觸AI的讀者，能透過333口訣，快速理解AI到底是什么。

一、AI的三次浪潮

第一次AI浪潮

第一次AI浪潮起于1950～1960年，止于1980年代。由于出現(xiàn)在網(wǎng)絡之前，因此又被稱為“古典人工智能”。這時期出現(xiàn)的“符號主義”與“聯(lián)結主義”，分別是日后“專家系統(tǒng)”與“深度學習”的雛形。只不過，雖然當時的成果已能解開拼圖或簡單的游戲，卻幾乎無法解決實用的問題。

第二次AI浪潮

第二次AI熱潮伴隨著計算機的普及，出現(xiàn)在1980年代。這時期所進行的研究，是以灌輸“專家知識”作為規(guī)則，來協(xié)助解決特定問題的“專家系統(tǒng)”（Expert system）為主。然而，縱使當時有商業(yè)應用的實例，應用范疇卻很有限，熱潮也因此逐漸消退。

第三次AI浪潮

第三次AI浪潮則出現(xiàn)于2010年代，伴隨著高性能計算機、因特網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、傳感器的普及，以及計算成本的下降，“機器學習”隨之興起。所謂機器學習（Machine leaning），是指讓計算機大量學習數(shù)據(jù)，使它可以像人類一樣辨識聲音及影像，或是針對問題做出合適的判斷。

二、AI的三大技術

快速了解了AI的發(fā)展史后，我們來看看當代人工智能的三大代表性模型：遺傳算法、專家系統(tǒng)、類神經(jīng)網(wǎng)絡。

1、遺傳算法

遺傳算法（Genetic algorithm；GA），又稱為演化式算法（Evolutionary algorithm），是受達爾文演化論所啟發(fā)的人工智能。它透過“適者生存”的規(guī)則，將“優(yōu)秀的個體”想象成“好的答案”，透過演化的方式來找出最佳解。

2、專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（Expert system），則是針對預設的問題，事先準備好大量的對應方式。它應用在很多地方，尤其是疾病診斷。只不過，專家系統(tǒng)只能針對專家預先考慮過的狀況來準備對策，它并沒有自行學習的能力，因此還是有其局限性。

3、類神經(jīng)網(wǎng)絡

從第三次AI浪潮所興起的機器學習（Machine learning）有許多種手法，其中最受矚目的，莫過于深度學習（Deep learning）了。所謂深度學習，是透過模仿人腦的“類神經(jīng)網(wǎng)絡”（Neural network）來學習大量數(shù)據(jù)的手法。

類神經(jīng)網(wǎng)絡的由來

若你去觀察腦的內(nèi)部，會發(fā)現(xiàn)有大量稱為“神經(jīng)元”的神經(jīng)細胞彼此相連。一個神經(jīng)元從其他神經(jīng)元那里接收的電氣信號量達某一定值以上，就會興奮（神經(jīng)沖動）；在某一定值以下，就不會興奮。

興奮起來的神經(jīng)元，會將電器信號傳送給下一個相連的神經(jīng)元。下一個神經(jīng)元同樣會因此興奮或不興奮。簡單來說，彼此相連的神經(jīng)元，會形成聯(lián)合傳遞行為。我們透過將這種相連的結構來數(shù)學模型化，便形成了類神經(jīng)網(wǎng)絡。

類神經(jīng)網(wǎng)絡：深度學習

我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)模型化的的類神經(jīng)網(wǎng)絡，是由“輸入層”（Input layer）、“隱藏層”（Hidden layer）及“輸出層”（Output layer）等三層所構成。另外，學習數(shù)據(jù)則是由輸入數(shù)據(jù)以及相對應的正確解答來組成。

以影像辨識為例，為了讓AI學習類神經(jīng)網(wǎng)絡的模型，首先必須先將影像學習數(shù)據(jù)分割成像素數(shù)據(jù)，然后將各像素值輸進輸入層。

接受了數(shù)據(jù)的輸入層，將像素值乘上“權重”后，便傳送給后方隱藏層的神經(jīng)元。隱藏層的各個神經(jīng)元會累加前一層所接收到的值，并將其結果再乘上“權重”后，傳送給后方的神經(jīng)元。最后，經(jīng)由輸出層的神經(jīng)元的輸出，便可得到影像辨識的預測結果。

為了讓輸出層的值跟各個輸入數(shù)據(jù)所對應的正解數(shù)據(jù)相等，會對各個神經(jīng)元的輸入計算出適當?shù)摹皺嘀亍敝怠?/p>

這個權重的計算，一般是使用“誤差倒傳遞算法”（Error Back Propagation），使用與正解數(shù)據(jù)之間的誤差，從輸出層逆推回去。透過各“權重”的調(diào)整，來縮小輸出層的值與正解數(shù)據(jù)的值之間的誤差，以建立出完成學習的模型。

由于過去類神經(jīng)網(wǎng)絡之間進行傳遞的權重值難以優(yōu)化，因此曾有多數(shù)研究者對類神經(jīng)網(wǎng)絡的研究持否定態(tài)度。直到2006年，辛頓（Geoffrey Hinton）開發(fā)出自動編碼器（Autoencoder）的手法，才突破了這項瓶頸。

自動編碼器是指，在類神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層和輸出層使用相同數(shù)據(jù)，并將隱藏層設置于二者之間，借此用來調(diào)整類神經(jīng)網(wǎng)絡之間的權重參數(shù)的一種手法。利用以自動編碼器所獲得的類神經(jīng)網(wǎng)絡權重參數(shù)值進行初始化后，便能應用“誤差倒傳遞算法”，提高多層類神經(jīng)網(wǎng)絡的學習準確度。

透過類神經(jīng)網(wǎng)絡，深度學習便成為了“只要將數(shù)據(jù)輸入類神經(jīng)網(wǎng)絡，它就能自行抽出特征”的人工智能，而這又稱為“特征學習”（feature learning）。

深度學習最擅長的，是它能辨識圖像數(shù)據(jù)或波形數(shù)據(jù)這類無法符號化的數(shù)據(jù)。自2010年代以來，如Google、Microsoft及Facebook等美國知名IT企業(yè)，都開始著手深度學習的研究。例如，蘋果“Siri”的語音識別，Microsoft搜索引擎“Bing”所具備的影像搜尋等等，而Google的深度學習項目也已超過1，500項。

至于深度學習如此飛躍的成長，要歸功于硬設備的提升。圖形處理器（GPU）大廠輝達（NVIDIA）利用該公司的圖形適配器來提升深度學習的性能，提供鏈接庫（Library）和框架（framework）產(chǎn)品，并積極開設研討課程。另外，Google也公開了框架“TensorFlow”，可以將深度學習應用于數(shù)據(jù)分析。

三、AI的三大應用

AI應用領域主要可分為語音識別、影像辨識以及自然語言處理等三部分。

1、語音識別

語音識別部分，透過多年來語音識別競賽CHiME的研究，已經(jīng)有了等同人類的辨識度（CHiME，是針對實際生活環(huán)境下的語音識別，所進行評測的國際語音識別競賽）。此外，Apple、Google、Amazon也相繼提出可應用于日常生活的服務，因此其成熟度已達到實用等級。

2、影像辨識

影像辨識部分，雖然一般圖片的辨識已有同等于人類的辨識率，但動態(tài)影像的辨識準確度卻仍比不上人類，目前還在進行各種算法的測試。其中，影像辨識目前最火熱的應用場域非自動駕駛莫屬了。

整個汽車、信息通訊產(chǎn)業(yè)都正朝著自駕車的方向努力，例如Google持續(xù)進行自動駕駛的研究，TOYOTA也在美國設立豐田研究所，可以知道現(xiàn)階段的開發(fā)已十分接近實用化。因此，我們可判斷目前影像辨識的成熟度是介在研究和實用等級之間。

3、自然語言處理

自然語言處理（Natural language processing；NLP），是試著讓人工智能能理解人類所寫的文字和所說的話語。NLP首先會分解詞性，稱之“語素分析”（morphemic analysis），在分解出最小的字義單位后，接著會進行“語法分析”（syntactic analysis），最后再透過“語意分析”（semantic analysis）來了解含意。

輸出部分，自然語言處理也與生成文法（generative grammar）密切相關。生成文法理論認為，只要遵循規(guī)則即可生成文句。這也代表著，只要把規(guī)則組合在一起，便可能生成文章。

在自然語言處理中，最具代表性的應用就是“聊天機器人”（Chatbot）了，它是一種如真人般，可透過文字訊息與人對話的程序。2016年，臉書推出了“Facebook Messenger Platform”，而Line也推出了“Messaging API”，因而促使這種搭載NLP技術的聊天機器人成為矚目的焦點。

另外，由IBM所開發(fā)的華生（IBM Watson），也是應用NLP的人工智能而成。華生可以從維基百科等語料庫中抽取知識，學習詞匯與詞匯之間的相關性。現(xiàn)在，就連軟件銀行（SoftBank）機器人Pepper也是搭載華生系統(tǒng)。

只不過，由于在日常對話中，我們很常省略詞句，也不一定會提及時空背景，因此當前的Chatbot尚無法與人類進行天花亂墜的對話。所以說，現(xiàn)行多數(shù)的Chatbot廠商，還是會限定對話的環(huán)境與應用領域。