一文看懂深度学习与计算机视觉(上)

今年夏天，将在深圳举办“全球人工智能与机器人创新大会”（GAIR），在本次大会上，我们将发布“人工智能与机器人Top25创新企业榜“，慧眼科技是我们重点关注的公司之一。今天，我们邀请到慧眼科技研发总监李汉曦，为我们带来深度学习与计算机视觉方面的内容分享。

嘉宾介绍：李汉曦，慧眼科技研发总监，澳大利亚国立大学博士；曾任澳大利亚国家信息通信公司(NICTA)任高级研究员；人脸识别，物体检测，物体跟踪、深度学习方面的专家，在TPAMI，TIP, TNNLS和Pattern Recognition等权威期刊，以及CVPR，ECCV，BMVC, ACCV等领域内重要会议发表过有影响力的论文；现为澳大利亚格里菲斯大学客座研究员，江西师范大学特聘教授。
 

人工智能是人类一个非常美好的梦想，跟星际漫游和长生不老一样。我们想制造出一种机器，使得它跟人一样具有一定的对外界事物感知能力，比如看见世界。

在上世纪50年代，数学家图灵提出判断机器是否具有人工智能的标准：图灵测试。即把机器放在一个房间，人类测试员在另一个房间，人跟机器聊天，测试员事先不知道另一房间里是人还是机器 。经过聊天，如果测试员不能确定跟他聊天的是人还是机器的话，那么图灵测试就通过了，也就是说这个机器具有与人一样的感知能力。

但是从图灵测试提出来开始到本世纪初，50多年时间有无数科学家提出很多机器学习的算法，试图让计算机具有与人一样的智力水平，但直到2006年深度学习算法的成功，才带来了一丝解决的希望。

众星捧月的深度学习
深度学习在很多学术领域，比非深度学习算法往往有20-30%成绩的提高。很多大公司也逐渐开始出手投资这种算法，并成立自己的深度学习团队，其中投入最大的就是谷歌，2008年6月披露了谷歌脑项目。2014年1月谷歌收购DeepMind，然后2016年3月其开发的Alphago算法在围棋挑战赛中，战胜了韩国九段棋手李世石，证明深度学习设计出的算法可以战胜这个世界上最强的选手。

在硬件方面，Nvidia最开始做显示芯片，但从2006及2007年开始主推用GPU芯片进行通用计算，它特别适合深度学习中大量简单重复的计算量。目前很多人选择Nvidia的CUDA工具包进行深度学习软件的开发。

微软从2012年开始，利用深度学习进行机器翻译和中文语音合成工作，其人工智能小娜背后就是一套自然语言处理和语音识别的数据算法。

百度在2013年宣布成立百度研究院，其中最重要的就是百度深度学习研究所，当时招募了著名科学家余凯博士。不过后来余凯离开百度，创立了另一家从事深度学习算法开发的公司地平线。

Facebook和Twitter也都各自进行了深度学习研究，其中前者携手纽约大学教授Yann Lecun，建立了自己的深度学习算法实验室；2015年10月，Facebook宣布开源其深度学习算法框架，即Torch框架。Twitter在2014年7月收购了Madbits，为用户提供高精度的图像检索服务。

前深度学习时代的计算机视觉
互联网巨头看重深度学习当然不是为了学术，主要是它能带来巨大的市场。那为什么在深度学习出来之前，传统算法为什么没有达到深度学习的精度？

在深度学习算法出来之前，对于视觉算法来说，大致可以分为以下5个步骤：特征感知，图像预处理，特征提取，特征筛选，推理预测与识别。早期的机器学习中，占优势的统计机器学习群体中，对特征是不大关心的。

我认为，计算机视觉可以说是机器学习在视觉领域的应用，所以计算机视觉在采用这些机器学习方法的时候，不得不自己设计前面4个部分。

但对任何人来说这都是一个比较难的任务。传统的计算机识别方法把特征提取和分类器设计分开来做，然后在应用时再合在一起，比如如果输入是一个摩托车图像的话，首先要有一个特征表达或者特征提取的过程，然后把表达出来的特征放到学习算法中进行分类的学习。

过去20年中出现了不少优秀的特征算子，比如最著名的SIFT算子，即所谓的对尺度旋转保持不变的算子。它被广泛地应用在图像比对，特别是所谓的structure from motion这些应用中，有一些成功的应用例子。另一个是HoG算子，它可以提取物体，比较鲁棒的物体边缘，在物体检测中扮演着重要的角色。

这些算子还包括Textons，Spin image，RIFT和GLOH，都是在深度学习诞生之前或者深度学习真正的流行起来之前，占领视觉算法的主流。

几个（半）成功例子
这些特征和一些特定的分类器组合取得了一些成功或半成功的例子，基本达到了商业化的要求但还没有完全商业化。

一是八九十年代的指纹识别算法，它已经非常成熟，一般是在指纹的图案上面去寻找一些关键点，寻找具有特殊几何特征的点，然后把两个指纹的关键点进行比对，判断是否匹配。

然后是2001年基于Haar的人脸检测算法，在当时的硬件条件下已经能够达到实时人脸检测，我们现在所有手机相机里的人脸检测，都是基于它或者它的变种。

第三个是基于HoG特征的物体检测，它和所对应的SVM分类器组合起来的就是著名的DPM算法。DPM算法在物体检测上超过了所有的算法，取得了比较不错的成绩。

但这种成功例子太少了，因为手工设计特征需要大量的经验，需要你对这个领域和数据特别了解，然后设计出来特征还需要大量的调试工作。说白了就是需要一点运气。

另一个难点在于，你不只需要手工设计特征，还要在此基础上有一个比较合适的分类器算法。同时设计特征然后选择一个分类器，这两者合并达到最优的效果，几乎是不可能完成的任务。

仿生学角度看深度学习
如果不手动设计特征，不挑选分类器，有没有别的方案呢？能不能同时学习特征和分类器？即输入某一个模型的时候，输入只是图片，输出就是它自己的标签。比如输入一个明星的头像，出来的标签就是一个50维的向量（如果要在50个人里识别的话），其中对应明星的向量是1，其他的位置是0。

这种设定符合人类脑科学的研究成果。

1981年诺贝尔医学生理学奖颁发给了David Hubel，一位神经生物学家。他的主要研究成果是发现了视觉系统信息处理机制，证明大脑的可视皮层是分级的。他的贡献主要有两个，一是他认为人的视觉功能一个是抽象，一个是迭代。抽象就是把非常具体的形象的元素，即原始的光线像素等信息，抽象出来形成有意义的概念。这些有意义的概念又会往上迭代，变成更加抽象，人可以感知到的抽象概念。

像素是没有抽象意义的，但人脑可以把这些像素连接成边缘，边缘相对像素来说就变成了比较抽象的概念；边缘进而形成球形，球形然后到气球，又是一个抽象的过程，大脑最终就知道看到的是一个气球。

模拟人脑识别人脸，也是抽象迭代的过程，从最开始的像素到第二层的边缘，再到人脸的部分，然后到整张人脸，是一个抽象迭代的过程。

再比如看到图片中的摩托车，我们可能在脑子里就几微秒的时间，但是经过了大量的神经元抽象迭代。对计算机来说最开始看到的根本也不是摩托车，而是RGB图像三个通道上不同的数字。

所谓的特征或者视觉特征，就是把这些数值给综合起来用统计或非统计的形式，把摩托车的部件或者整辆摩托车表现出来。深度学习的流行之前，大部分的设计图像特征就是基于此，即把一个区域内的像素级别的信息综合表现出来，利于后面的分类学习。

如果要完全模拟人脑，我们也要模拟抽象和递归迭代的过程，把信息从最细琐的像素级别，抽象到“种类”的概念，让人能够接受。

卷积的概念
计算机视觉里经常使卷积神经网络，即CNN，是一种对人脑比较精准的模拟。

什么是卷积？卷积就是两个函数之间的相互关系，然后得出一个新的值，他是在连续空间做积分计算，然后在离散空间内求和的过程。实际上在计算机视觉里面，可以把卷积当做一个抽象的过程，就是把小区域内的信息统计抽象出来。

比如，对于一张爱因斯坦的照片，我可以学习n个不同的卷积和函数，然后对这个区域进行统计。可以用不同的方法统计，比如着重统计中央，也可以着重统计周围，这就导致统计的和函数的种类多种多样，为了达到可以同时学习多个统计的累积和。

上图中是，如何从输入图像怎么到最后的卷积，生成的响应map。首先用学习好的卷积和对图像进行扫描，然后每一个卷积和会生成一个扫描的响应图，我们叫response map，或者叫feature map。如果有多个卷积和，就有多个feature map。也就说从一个最开始的输入图像（RGB三个通道）可以得到256个通道的feature map，因为有256个卷积和，每个卷积和代表一种统计抽象的方式。

在卷积神经网络中，除了卷积层，还有一种叫池化的操作。池化操作在统计上的概念更明确，就是一个对一个小区域内求平均值或者求最大值的统计操作。

带来的结果是，如果之前我输入有两个通道的，或者256通道的卷积的响应feature map，每一个feature map都经过一个求最大的一个池化层，会得到一个比原来feature map更小的256的feature map。

在上面这个例子里，池化层对每一个2X2的区域求最大值，然后把最大值赋给生成的feature map的对应位置。如果输入图像是100×100的话，那输出图像就会变成50×50，feature map变成了一半。同时保留的信息是原来2X2区域里面最大的信息。