大V吳恩達(dá)曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：做AI研究就像造宇宙飛船，除了充足的燃料之外，強(qiáng)勁的引擎也是必不可少的。假如燃料不足，則飛船就無(wú)法進(jìn)入預(yù)定軌道。而引擎不夠強(qiáng)勁，飛船甚至不能升空。類比于AI，深度學(xué)習(xí)模型就好像引擎，海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)就好像燃料，這兩者對(duì)于AI而言同樣缺一不可。

深度學(xué)習(xí)是一個(gè)近幾年備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，在機(jī)器學(xué)習(xí)中起著重要的作用。深度學(xué)習(xí)通過(guò)建立、模擬人腦的分層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行從低級(jí)到高級(jí)的特征提取，從而能夠解釋外部數(shù)據(jù)。

深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）的概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。含多隱層的多層感知器就是一種深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)。?

深度學(xué)習(xí)也稱為深度結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)【Deep Structured Learning】、層次學(xué)習(xí)【Hierarchical Learning】或者是深度機(jī)器學(xué)習(xí)【Deep Machine Learning】）是一類算法集合，是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)分支。它嘗試為數(shù)據(jù)的高層次摘要進(jìn)行建模。

機(jī)器學(xué)習(xí)通過(guò)算法，讓機(jī)器可以從外界輸入的大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到規(guī)律，從而進(jìn)行識(shí)別判斷。機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展經(jīng)歷了淺層學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)兩次浪潮。深度學(xué)習(xí)可以理解為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)人腦或生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本特征進(jìn)行抽象和建模，可以從外界環(huán)境中學(xué)習(xí)，并以與生物類似的交互方式適應(yīng)環(huán)境。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是智能學(xué)科的重要部分，為解決復(fù)雜問(wèn)題和智能控制提供了有效 的途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)曾一度成為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域備受關(guān)注的方向。

我們用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明，假設(shè)你有兩組神經(jīng)元，一個(gè)是接受輸入的信號(hào)，一個(gè)是發(fā)送輸出的信號(hào)。當(dāng)輸入層接收到輸入信號(hào)的時(shí)候，它將輸入層做一個(gè)簡(jiǎn)單的修改并傳遞給下一層。在一個(gè)深度網(wǎng)絡(luò)中，輸入層與輸出層之間可以有很多的層（這些層并不是由神經(jīng)元組成的，但是它可以以神經(jīng)元的方式理解），允許算法使用多個(gè)處理層，并可以對(duì)這些層的結(jié)果進(jìn)行線性和非線性的轉(zhuǎn)換。

深度學(xué)習(xí)的由來(lái)

１、人腦視覺(jué)機(jī)理啟示

人類每時(shí)每刻都面臨著大量的感知數(shù)據(jù)，但大腦總能很容易地捕獲重要的信息。人工智能的核心問(wèn)題就是模仿大腦這種高效準(zhǔn)確地表示信息的能力。通 過(guò) 近些年的研究，我們對(duì)大腦機(jī)理已有了一些了解，這些都推動(dòng)了人工智能的發(fā)展。

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神經(jīng)學(xué)研究表明，人的視覺(jué)系統(tǒng)的信息處理是分級(jí)的，從低級(jí)的Ｖ1區(qū)提取邊緣特征，到Ｖ2區(qū)的形狀，再到更高層。人類大腦在接收到外部信號(hào)時(shí)，不是直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而是通過(guò)一個(gè)多層的網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)獲取數(shù)據(jù)的規(guī)律。這種層次
結(jié)構(gòu)的感知系統(tǒng)使視覺(jué)系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大大減少，并保留了物體有用的結(jié)構(gòu)信息。

２、現(xiàn)有機(jī)器學(xué)習(xí)的局限性

深度學(xué)習(xí)與淺層學(xué)習(xí)相對(duì)。現(xiàn)在很多的學(xué)習(xí)方法都是淺層結(jié)構(gòu)算法，它們存在一定的局限性，比如在樣本有限的情況下表示復(fù)雜函數(shù)的能力有限，針對(duì)復(fù)雜的分類問(wèn)題其泛化能力受到一定制約。

而深度學(xué)習(xí)可通過(guò)學(xué)習(xí)一種深層非線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜函數(shù)逼近，表征輸 入數(shù)據(jù)分布式表示，并且能在樣本集很少的情況下去學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集的本質(zhì)特征。

雖然淺層學(xué)習(xí)的應(yīng)用也很廣泛，但它只對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算才有效，并不能到達(dá)人腦的反應(yīng)效果，這就需要深度的機(jī)器學(xué)習(xí)。這些都表明淺層學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)有很大的局限性，激發(fā)了我們對(duì)深度網(wǎng)絡(luò)建模的研究。

深度機(jī)器學(xué)習(xí)是數(shù)據(jù)分布式表示的必然結(jié)果。有很多學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)算法得到的學(xué)習(xí)器是局部估計(jì)算子，例如，由核方法構(gòu)造的學(xué)習(xí)器，是由對(duì)模板的匹配度加權(quán)構(gòu)成的。對(duì)于這樣的問(wèn)題，通常我們有合理的假設(shè)，但當(dāng)目標(biāo)函數(shù)非常復(fù)雜時(shí)，由于需要利用參數(shù)進(jìn)行描述的區(qū)域數(shù)目也是巨大的，因此這樣的模型 泛化能力很差。在機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中分布式表示可以處理維數(shù)災(zāi)難和局部泛化限制。分布式表示不僅可以很好地描述概念間的相似性，而且合適的分布式表示在有限的數(shù)據(jù)下能體現(xiàn)出更好的泛化性能。理解和處理接收到的信 息是人類認(rèn)知活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，由于這些信息的結(jié)構(gòu)一般都很復(fù)雜，因此構(gòu)造

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深度的學(xué)習(xí)機(jī)器去實(shí)現(xiàn)一些人類的認(rèn)知活動(dòng)是很有必要的。

３、特征提取的需要

機(jī)器學(xué)習(xí)通過(guò)算法，讓機(jī)器可以從外界輸入的大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到規(guī)律，從而進(jìn)行識(shí)別判斷。機(jī)器學(xué)習(xí)在解決圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言理解等問(wèn)題時(shí)的 大致流程如圖 １ 所示。

首先通過(guò)傳感器來(lái)獲得數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)預(yù)處理、特征提取、特征選擇，再到推理、預(yù)測(cè)和識(shí)別。良好的特征表達(dá)影響著最終算法的準(zhǔn)確性，而且系統(tǒng)主要的計(jì)算和測(cè)試工作都在這一環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)一 般都是人工完成的，靠人工提取特征是一種非常費(fèi)力的方法，不能保證選取的質(zhì)量，而且它的調(diào)節(jié)需要大量的時(shí)間。然而深度學(xué)習(xí)能自動(dòng)地學(xué)習(xí)一些特征，不需要人參與特征的選取過(guò)程。

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深度學(xué)習(xí)是一個(gè)多層次的學(xué)習(xí)，如圖２所示，用較少的隱含層是不可能達(dá)到與 人腦類似的效果的。這需要多層的學(xué)習(xí)，逐層學(xué)習(xí)并把學(xué)習(xí)的知識(shí)傳遞給下一 層，通過(guò)這種方式，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信息進(jìn)行分級(jí)表達(dá)。深度學(xué)的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)建立、模擬人腦的分層結(jié)構(gòu)，對(duì)外部輸入的聲音、圖像、文本等數(shù)據(jù)進(jìn)行從低級(jí)到高級(jí)的特征提取，從而能夠解釋外部數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)相比，深 度學(xué)習(xí)更加強(qiáng)調(diào)模型結(jié)構(gòu)的深度，通常含有多層的隱層節(jié)點(diǎn)，而且在深度學(xué)習(xí)中，特征學(xué)習(xí)至關(guān)重要，通過(guò)特征的逐層變換完成最后的預(yù)測(cè)和識(shí)別。

深度學(xué)習(xí)的經(jīng)典算法

深度學(xué)習(xí)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)分支，其學(xué)習(xí)方法可以分為監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。兩種方法都具有其獨(dú)特的學(xué)習(xí)模型：多層感知機(jī) 、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等屬于監(jiān) 督學(xué)習(xí)；深度置信網(wǎng) 、自動(dòng)編碼器 、去噪自動(dòng)編碼器 、稀疏編碼等屬于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。

１、監(jiān)督學(xué)習(xí)：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNNs

20世紀(jì)60年代，Hubel和Wiesel通過(guò)對(duì)貓視覺(jué)皮層細(xì)胞的研究，提出了感受野(receptive field)的概 念。受此啟發(fā)， Fukushima提出神經(jīng)認(rèn)知機(jī) (neocognitron)可看作是CNNs卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，也是感受野概念在人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的首次應(yīng)用。隨后LeCun等人設(shè)計(jì)并采用基于誤差梯度的算法訓(xùn)練了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且其在一些模式識(shí)別任務(wù)中展現(xiàn)出了相對(duì)于當(dāng)時(shí)其它方法的領(lǐng)先性能。現(xiàn)代生理學(xué)關(guān)于視覺(jué)系統(tǒng)的理解也與CNNs中的圖像處理過(guò)程相一致，這為CNNs在圖像識(shí)別中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。CNNs是第一個(gè)真正成功地采用多層層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的具有魯棒性的深度學(xué)習(xí)方法，通過(guò)研究數(shù)據(jù)在空間上的關(guān)聯(lián)性，來(lái)減少訓(xùn)練參數(shù)的數(shù)量。目前來(lái)看，在圖像識(shí)別領(lǐng)域，CNNs已經(jīng)成為一種高效的識(shí)別方法。

CNNs是一個(gè)多層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖３所示，每層由多個(gè)二維平面組成，每個(gè)平面又由多個(gè)獨(dú)立的神經(jīng)元組成。上一層中的一組局部單元作為下一層鄰近單元的輸入，這種局部連接觀點(diǎn)最早起源于感知器。外界輸入的圖像通過(guò)可訓(xùn)練的濾波器加偏置進(jìn)行卷積，卷積后在Ｃ１層會(huì)產(chǎn)生３個(gè)特征映射圖；然后特征映射圖中每組像素分別進(jìn)行求和加偏置，再通過(guò)Sigmoid函數(shù)得到Ｓ２層的特征映射圖；這些映射圖再通過(guò)濾波器得到 Ｃ３層；Ｃ３與 Ｓ２類似，再產(chǎn)生 Ｓ４；最后，這些像素值被光柵化，并且連接成向量輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而便得到了輸出。一般地，Ｃ 層為特征提取層，每個(gè)神經(jīng)元的輸入與前一層的局部感受野相連，并提取該局部特征，根據(jù)局部特征來(lái)確定它與其他特征空間的位置關(guān)系；Ｓ層是特征映射層，特征映射具有位移不變性，每個(gè)特征映射為一個(gè)平面，平面上所有神經(jīng)元的權(quán)值是相等的，因而減少了網(wǎng)絡(luò)自由參數(shù)的個(gè)數(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇的復(fù)雜度。每一個(gè)特征提取層（Ｃ 層）都會(huì)跟著一個(gè)用于求局部平均及二次提取的計(jì)算層（Ｓ 層），這便構(gòu)成了兩次特征提取的結(jié)構(gòu)，從而在對(duì)輸入樣本識(shí)別時(shí)，網(wǎng)絡(luò)有很好的畸變?nèi)萑棠芰Α?duì)于每一個(gè)神經(jīng)元，都定義了對(duì)應(yīng)的接受域，其只接受從自己接受域傳來(lái)的信號(hào)。多個(gè)映射層組合起來(lái)可以獲得層之間的關(guān)系和空域上的信息，從而方便進(jìn)行圖像處理。

CNNs是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，其適應(yīng)性強(qiáng)，善于挖掘數(shù)據(jù)局部特征。它的權(quán)值共享網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使之更類似于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，降低了網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度，減少了權(quán)值的數(shù)量，使得CNNs在模式識(shí)別中的各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用并取得了很好的結(jié)果。CNNs通過(guò)結(jié)合局部感知區(qū)域、共享權(quán)重、空間或時(shí)間上的降采樣來(lái)充分利用數(shù)據(jù)本身包含的局部性等特征，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且保證一定程度上的位移的不變性。由LeCun出的LeNet模型在應(yīng)用到各種不同的圖像識(shí)別任務(wù)時(shí)都取得了不錯(cuò)的效果，被認(rèn)為是通用圖像識(shí)別系統(tǒng)的代表之一。通過(guò)這些年的研究工作，CNNs的應(yīng)用越來(lái)越多，如人臉檢測(cè)?、文檔分析?、語(yǔ)音檢測(cè)?、車(chē)牌識(shí)別等 方面。2006年Kussul等人提出的采用排列編碼技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在人臉識(shí)別、手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別和小物體識(shí)別等識(shí)別任務(wù)上都取得了與一些專用分類系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅鼙憩F(xiàn)；并且在2012年，研究人員把視頻數(shù)據(jù)里連續(xù)的幀當(dāng)作卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)，這樣就可以引入時(shí)間維度上的數(shù)據(jù)，從而識(shí)別人體的動(dòng)作。

２、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)：深度置信網(wǎng)DBNs

DBNs是目前研究和應(yīng)用都比較廣泛的深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，它由多個(gè)受限玻爾茲曼機(jī)?累加而成。RBM結(jié)構(gòu)如圖４?所示，分為可視層即輸入數(shù)據(jù)層（υ）和隱藏層（ｈ），每一層的節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有連接，但層和層之間彼此互連。相比傳統(tǒng)的sigmoid信念網(wǎng)絡(luò)，RBM易于連接權(quán)值的學(xué)習(xí)。Hinton等人認(rèn) 為，如果一個(gè)典 型的DBN有ｌ個(gè)隱含層，那么可以用聯(lián)合概率分布來(lái)描述輸入數(shù)據(jù)υ和隱含向量的關(guān)系：

其中，是條件概率分布。DBN學(xué)習(xí)的過(guò)程中，所要學(xué)習(xí)的就是聯(lián)合概率分布，在機(jī)器學(xué)習(xí)的領(lǐng)域中，聯(lián)合概率分布的意義就是對(duì)象的生成。

傳統(tǒng)的BP算法在經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，但對(duì)于深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練卻遇到了 很多困難：第一，BP算法是監(jiān)督學(xué)習(xí)，訓(xùn)練需要有標(biāo)簽的樣本集，但實(shí)際能得到的數(shù)據(jù)都是無(wú)標(biāo)簽的；第二，ＢＰ算法在多隱層的學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)中，學(xué)習(xí)過(guò)程較慢；第三，不適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇會(huì)導(dǎo)致局部最優(yōu)解。為了獲取生成性權(quán)值，預(yù)訓(xùn)練采用非監(jiān)督貪婪逐層算法，非監(jiān)督貪婪逐層訓(xùn)練算法被Hinton證明是有效的。

非監(jiān)督貪婪逐層訓(xùn)練算法的核心思想是：把 DBN分層（見(jiàn)圖５），每一層進(jìn)行 無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，每次只訓(xùn)練一層，將其結(jié)果作為高一層的輸入，最后用監(jiān)督學(xué)習(xí) 調(diào)整所有層。在這個(gè)訓(xùn)練階段，首先，在可視層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向量ｖ，通過(guò)它將值映射給隱單元；然后，可視層的輸入會(huì)被隨機(jī)地選擇，以嘗試去重構(gòu)原始的輸入信號(hào)；最后，這些新可視單元再次映射給隱單元，獲得新的隱單元ｈ。執(zhí) 行這種反復(fù)步驟叫做吉布斯（Gibbs）采樣。隱層激活單元和可視層輸入之間 的 相關(guān)性差別就作為權(quán)值更新的主要依據(jù)。在最高兩層，權(quán)值被連接到一起，從而更低層的輸出將會(huì)提供一個(gè)參考的線索或者關(guān)聯(lián)給頂層，這樣頂層就會(huì)將其 聯(lián)系到它的記憶內(nèi)容。預(yù)訓(xùn)練結(jié)束后，DBN可以利用帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)及BP算法去 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能。DBNs的BP算法只需要對(duì)權(quán)值參數(shù)空間進(jìn)行一個(gè)局部的搜索，這相比前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，訓(xùn)練的時(shí)間會(huì)顯著減少，訓(xùn)練 RBM是Gibbs有效的隨機(jī)抽樣技術(shù)。在貪婪的學(xué)習(xí)算法過(guò)程中，采用了Wake-Sleep算法的基 本思想，算法在Wake階段，利用學(xué)習(xí)得到的權(quán)重，按照自底向上的順序?yàn)橄乱粚拥挠?xùn)練提供數(shù)據(jù)；在Sleep階段，按照自頂向下的順序利用權(quán)重對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。

DBNs是目前研究和應(yīng)用都比較廣泛的深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，由于靈活性很好，因此比較容易拓展，例如卷積DBNs就是DBNs的一個(gè)拓展，給語(yǔ)音信號(hào)處理問(wèn)題帶來(lái) 了突破性的進(jìn)展。DBNs作為一個(gè)新興的生成模型，已廣泛應(yīng)用到了對(duì)象建模、特征提取、識(shí)別等領(lǐng)域。

深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，很多問(wèn)題都可以通過(guò)深度學(xué)習(xí)解決。那么，我們舉一些例子：

黑白圖像的著色

深度學(xué)習(xí)可以用來(lái)根據(jù)對(duì)象及其情景來(lái)為圖片上色，而且結(jié)果很像人類的著色結(jié)果。這種解決方案使用了很大的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有監(jiān)督的層來(lái)重新創(chuàng)造顏色。

機(jī)器翻譯

深度學(xué)習(xí)可以對(duì)未經(jīng)處理的語(yǔ)言序列進(jìn)行翻譯，它使得算法可以學(xué)習(xí)單詞之間的依賴關(guān)系，并將其映射到一種新的語(yǔ)言中。大規(guī)模的LSTM的RNN網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)做這種處理。

圖像中的對(duì)象分類與檢測(cè)

這種任務(wù)需要將圖像分成之前我們所知道的某一種類別中。目前這類任務(wù)最好的結(jié)果是使用超大規(guī)模的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。突破性的進(jìn)展是Alex Krizhevsky等人在ImageNet比賽中使用的AlexNet模型。

自動(dòng)產(chǎn)生手寫(xiě)體

這種任務(wù)是先給定一些手寫(xiě)的文字，然后嘗試生成新的類似的手寫(xiě)的結(jié)果。首先是人用筆在紙上手寫(xiě)一些文字，然后根據(jù)寫(xiě)字的筆跡作為語(yǔ)料來(lái)訓(xùn)練模型，并最終學(xué)習(xí)產(chǎn)生新的內(nèi)容。

自動(dòng)玩游戲

這項(xiàng)任務(wù)是根據(jù)電腦屏幕的圖像，來(lái)決定如何玩游戲。這種很難的任務(wù)是深度強(qiáng)化模型的研究領(lǐng)域，主要的突破是DeepMind團(tuán)隊(duì)的成果。

聊天機(jī)器人

一種基于sequence to sequence的模型來(lái)創(chuàng)造一個(gè)聊天機(jī)器人，用以回答某些問(wèn)題。它是根據(jù)大量的實(shí)際的會(huì)話數(shù)據(jù)集產(chǎn)生的。

盡管深度學(xué)習(xí)的研究還存在許多問(wèn)題，但它對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域產(chǎn)生的影響是不容小覷的。更加復(fù)雜且更加強(qiáng)大的深度模型能深刻揭示大數(shù)據(jù)里所承載的信息，并對(duì)未來(lái)和未知事件作更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。總之，深度學(xué)習(xí)是一個(gè)值得研究的領(lǐng)域，在未來(lái)的幾年一定會(huì)更加的成熟。

編輯：黃飛

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