一、概述

?????? Artificial Intelligence，也就是人工智能，就像長生不老和星際漫游一樣，是人類最美好的夢想之一。雖然計算機技術已經取得了長足的進步，但是到目前為止，還沒有一臺電腦能產生“自我”的意識。是的，在人類和大量現成數據的幫助下，電腦可以表現的十分強大，但是離開了這兩者，它甚至都不能分辨一個喵星人和一個汪星人。

?????? 圖靈（圖靈，大家都知道吧。計算機和人工智能的鼻祖，分別對應于其著名的“圖靈機”和“圖靈測試”）在 1950 年的論文里，提出圖靈試驗的設想，即，隔墻對話，你將不知道與你談話的，是人還是電腦。這無疑給計算機，尤其是人工智能，預設了一個很高的期望值。但是半個世紀過去了，人工智能的進展，遠遠沒有達到圖靈試驗的標準。這不僅讓多年翹首以待的人們，心灰意冷，認為人工智能是忽悠，相關領域是“偽科學”。

??????? 但是自 2006 年以來，機器學習領域，取得了突破性的進展。圖靈試驗，至少不是那么可望而不可及了。至于技術手段，不僅僅依賴于云計算對大數據的并行處理能力，而且依賴于算法。這個算法就是，Deep Learning。借助于 Deep Learning 算法，人類終于找到了如何處理“抽象概念”這個亙古難題的方法。

?????? 2012年6月，《紐約時報》披露了Google Brain項目，吸引了公眾的廣泛關注。這個項目是由著名的斯坦福大學的機器學習教授Andrew Ng和在大規模計算機系統方面的世界頂尖專家JeffDean共同主導，用16000個CPU Core的并行計算平臺訓練一種稱為“深度神經網絡”（DNN，Deep Neural Networks）的機器學習模型（內部共有10億個節點。這一網絡自然是不能跟人類的神經網絡相提并論的。要知道，人腦中可是有150多億個神經元，互相連接的節點也就是突觸數更是如銀河沙數。曾經有人估算過，如果將一個人的大腦中所有神經細胞的軸突和樹突依次連接起來，并拉成一根直線，可從地球連到月亮，再從月亮返回地球），在語音識別和圖像識別等領域獲得了巨大的成功。

?????? 項目負責人之一Andrew稱：“我們沒有像通常做的那樣自己框定邊界，而是直接把海量數據投放到算法中，讓數據自己說話，系統會自動從數據中學習。”另外一名負責人Jeff則說：“我們在訓練的時候從來不會告訴機器說：‘這是一只貓。’系統其實是自己發明或者領悟了“貓”的概念。”

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?????? 2012年11月，微軟在中國天津的一次活動上公開演示了一個全自動的同聲傳譯系統，講演者用英文演講，后臺的計算機一氣呵成自動完成語音識別、英中機器翻譯和中文語音合成，效果非常流暢。據報道，后面支撐的關鍵技術也是DNN，或者深度學習（DL，DeepLearning）。

?????? 2013年1月，在百度年會上，創始人兼CEO李彥宏高調宣布要成立百度研究院，其中第一個成立的就是“深度學習研究所”（IDL，Institue of Deep Learning）。

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?????? 為什么擁有大數據的互聯網公司爭相投入大量資源研發深度學習技術。聽起來感覺deeplearning很牛那樣。那什么是deep learning？為什么有deep learning？它是怎么來的？又能干什么呢？目前存在哪些困難呢？這些問題的簡答都需要慢慢來。咱們先來了解下機器學習（人工智能的核心）的背景。

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二、背景

????? 機器學習（Machine Learning）是一門專門研究計算機怎樣模擬或實現人類的學習行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結構使之不斷改善自身的性能的學科。機器能否像人類一樣能具有學習能力呢？1959年美國的塞繆爾(Samuel)設計了一個下棋程序，這個程序具有學習能力，它可以在不斷的對弈中改善自己的棋藝。4年后，這個程序戰勝了設計者本人。又過了3年，這個程序戰勝了美國一個保持8年之久的常勝不敗的冠軍。這個程序向人們展示了機器學習的能力，提出了許多令人深思的社會問題與哲學問題（呵呵，人工智能正常的軌道沒有很大的發展，這些什么哲學倫理啊倒發展的挺快。什么未來機器越來越像人，人越來越像機器啊。什么機器會反人類啊，ATM是開第一槍的啊等等。人類的思維無窮啊）。

??????? 機器學習雖然發展了幾十年，但還是存在很多沒有良好解決的問題：

??????? 例如圖像識別、語音識別、自然語言理解、天氣預測、基因表達、內容推薦等等。目前我們通過機器學習去解決這些問題的思路都是這樣的（以視覺感知為例子）：

??????? 從開始的通過傳感器（例如CMOS）來獲得數據。然后經過預處理、特征提取、特征選擇，再到推理、預測或者識別。最后一個部分，也就是機器學習的部分，絕大部分的工作是在這方面做的，也存在很多的paper和研究。

??????? 而中間的三部分，概括起來就是特征表達。良好的特征表達，對最終算法的準確性起了非常關鍵的作用，而且系統主要的計算和測試工作都耗在這一大部分。但，這塊實際中一般都是人工完成的。靠人工提取特征。

?????? 截止現在，也出現了不少NB的特征（好的特征應具有不變性（大小、尺度和旋轉等）和可區分性）：例如Sift的出現，是局部圖像特征描述子研究領域一項里程碑式的工作。由于SIFT對尺度、旋轉以及一定視角和光照變化等圖像變化都具有不變性，并且SIFT具有很強的可區分性，的確讓很多問題的解決變為可能。但它也不是萬能的。

?????? 然而，手工地選取特征是一件非常費力、啟發式（需要專業知識）的方法，能不能選取好很大程度上靠經驗和運氣，而且它的調節需要大量的時間。既然手工選取特征不太好，那么能不能自動地學習一些特征呢？答案是能！Deep Learning就是用來干這個事情的，看它的一個別名UnsupervisedFeature Learning，就可以顧名思義了，Unsupervised的意思就是不要人參與特征的選取過程。

?????? 那它是怎么學習的呢？怎么知道哪些特征好哪些不好呢？我們說機器學習是一門專門研究計算機怎樣模擬或實現人類的學習行為的學科。好，那我們人的視覺系統是怎么工作的呢？為什么在茫茫人海，蕓蕓眾生，滾滾紅塵中我們都可以找到另一個她（因為，你存在我深深的腦海里，我的夢里 我的心里 我的歌聲里……）。人腦那么NB，我們能不能參考人腦，模擬人腦呢？（好像和人腦扯上點關系的特征啊，算法啊，都不錯，但不知道是不是人為強加的，為了使自己的作品變得神圣和高雅。）

??????? 近幾十年以來，認知神經科學、生物學等等學科的發展，讓我們對自己這個神秘的而又神奇的大腦不再那么的陌生。也給人工智能的發展推波助瀾。

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三、人腦視覺機理

?????? 1981 年的諾貝爾醫學獎，頒發給了 David Hubel（出生于加拿大的美國神經生物學家） 和TorstenWiesel，以及 Roger Sperry。前兩位的主要貢獻，是“發現了視覺系統的信息處理”：可視皮層是分級的：

??????? 我們看看他們做了什么。1958 年，DavidHubel 和Torsten Wiesel 在 JohnHopkins University，研究瞳孔區域與大腦皮層神經元的對應關系。他們在貓的后腦頭骨上，開了一個3 毫米的小洞，向洞里插入電極，測量神經元的活躍程度。

????? 然后，他們在小貓的眼前，展現各種形狀、各種亮度的物體。并且，在展現每一件物體時，還改變物體放置的位置和角度。他們期望通過這個辦法，讓小貓瞳孔感受不同類型、不同強弱的刺激。

?????? 之所以做這個試驗，目的是去證明一個猜測。位于后腦皮層的不同視覺神經元，與瞳孔所受刺激之間，存在某種對應關系。一旦瞳孔受到某一種刺激，后腦皮層的某一部分神經元就會活躍。經歷了很多天反復的枯燥的試驗，同時犧牲了若干只可憐的小貓，David Hubel 和Torsten Wiesel 發現了一種被稱為“方向選擇性細胞（Orientation Selective Cell）”的神經元細胞。當瞳孔發現了眼前的物體的邊緣，而且這個邊緣指向某個方向時，這種神經元細胞就會活躍。

?????? 這個發現激發了人們對于神經系統的進一步思考。神經-中樞-大腦的工作過程，或許是一個不斷迭代、不斷抽象的過程。

?????? 這里的關鍵詞有兩個，一個是抽象，一個是迭代。從原始信號，做低級抽象，逐漸向高級抽象迭代。人類的邏輯思維，經常使用高度抽象的概念。

??????? 例如，從原始信號攝入開始（瞳孔攝入像素 Pixels），接著做初步處理（大腦皮層某些細胞發現邊緣和方向），然后抽象（大腦判定，眼前的物體的形狀，是圓形的），然后進一步抽象（大腦進一步判定該物體是只氣球）。

????? 這個生理學的發現，促成了計算機人工智能，在四十年后的突破性發展。

??????總的來說，人的視覺系統的信息處理是分級的。從低級的V1區提取邊緣特征，再到V2區的形狀或者目標的部分等，再到更高層，整個目標、目標的行為等。也就是說高層的特征是低層特征的組合，從低層到高層的特征表示越來越抽象，越來越能表現語義或者意圖。而抽象層面越高，存在的可能猜測就越少，就越利于分類。例如，單詞集合和句子的對應是多對一的，句子和語義的對應又是多對一的，語義和意圖的對應還是多對一的，這是個層級體系。

????? 敏感的人注意到關鍵詞了：分層。而Deep learning的deep是不是就表示我存在多少層，也就是多深呢？沒錯。那Deep learning是如何借鑒這個過程的呢？畢竟是歸于計算機來處理，面對的一個問題就是怎么對這個過程建模？

?????? 因為我們要學習的是特征的表達，那么關于特征，或者說關于這個層級特征，我們需要了解地更深入點。所以在說Deep Learning之前，我們有必要再啰嗦下特征

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總結

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