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| 本文作者： 楊曉凡 | 編輯：郭奕欣 | 2017-04-28 16:05 | 專題：ICLR 2017 |
雷鋒網(wǎng)AI科技評(píng)論按：在剛剛閉幕的ICLR2017上，紐約大學(xué)神經(jīng)學(xué)、數(shù)學(xué)、心理學(xué)教授Eero Simoncelli作為特邀嘉賓分享了他在機(jī)器表征、人類感知方面的研究成果。以下為現(xiàn)場(chǎng)視頻及雷鋒網(wǎng)全文聽譯。
附原視頻：
（Eero走上臺(tái)準(zhǔn)備開始演講）
首先謝謝，謝謝剛才對(duì)我的介紹，感謝大會(huì)主席Yann和Yoshua，以及評(píng)委會(huì)主席Hugo、Tara、Oriol邀請(qǐng)我參加，很榮幸可以參加這次會(huì)議。
我們小組的工作主要是在理解視覺(jué)和其它各種感官表征上，研究這些表征是如何建立起來(lái)的、如何組織信息、維持和展現(xiàn)關(guān)于環(huán)境的信息。我不僅好奇神經(jīng)細(xì)胞是如何做到的、是如何把神經(jīng)學(xué)表征與視覺(jué)環(huán)境對(duì)應(yīng)起來(lái)的，我還好奇這些表征會(huì)如何形成或者限制我們的理解。最后，當(dāng)我們了解了這些表征的規(guī)律以后，如何利用這些規(guī)律設(shè)計(jì)優(yōu)秀的系統(tǒng)，給其它圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)之類的應(yīng)用帶來(lái)方便。我下面要做的是，帶大家回顧一下（視覺(jué)表征）這方面研究的發(fā)展歷程。其實(shí)，深度卷積網(wǎng)絡(luò)也同時(shí)在快速發(fā)展，取得了不少成果，過(guò)程中我也會(huì)給大家講一下過(guò)程中兩者間有哪些同步的和不同的地方。
OK。我幻燈片第一頁(yè)是一張牛的照片，這張照片是我很多年前在瑞士拍的。看見圖的過(guò)程是這樣的：
光線進(jìn)入你的眼睛，照到你的視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜上有細(xì)胞，它們可以觀察到圖片上的很小的區(qū)域；
對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行處理的時(shí)候會(huì)用到一個(gè)視網(wǎng)膜內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)回路，從大概5百萬(wàn)個(gè)視錐細(xì)胞開始，它們能把光照轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
這些信號(hào)接下來(lái)會(huì)經(jīng)過(guò)回路轉(zhuǎn)換成為大約一百萬(wàn)個(gè)中樞神經(jīng)細(xì)胞的輸出；
這些神經(jīng)細(xì)胞的軸突形成了視覺(jué)細(xì)胞的線纜，然后從你眼睛的后側(cè)走出來(lái)。當(dāng)然了，每只眼睛后面都會(huì)有一根這樣的線纜。所以，可以這樣講，有大概5百萬(wàn)個(gè)感官單元可以形成像素，像素化的測(cè)量會(huì)轉(zhuǎn)換到一百萬(wàn)條纖維組成的線纜中，然后到達(dá)你的大腦。
經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程，信息會(huì)被被轉(zhuǎn)換、總結(jié)，會(huì)與其它感官輸入的信息進(jìn)行綜合，與你的內(nèi)在狀態(tài)的信息進(jìn)行綜合，“內(nèi)在狀態(tài)”是指像記憶、意象、動(dòng)作以及其它類似這種大腦產(chǎn)生的東西。通過(guò)這一切就形成了“你看到了”的感覺(jué)，以這個(gè)例子來(lái)講就是你看到了這頭牛。
那么，信息其實(shí)會(huì)被傳到大腦的后側(cè)去，線路看起來(lái)挺奇怪的，線纜會(huì)大老遠(yuǎn)地把視覺(jué)信息傳到后面去。人的主要視覺(jué)皮層就在這里，哺乳動(dòng)物最大的皮層區(qū)域之一，當(dāng)然也是靈長(zhǎng)目里最大的之一。這里的神經(jīng)細(xì)胞我們幾十年前就認(rèn)識(shí)了，感謝上世紀(jì)五六十年代Hugo和Wessel的開創(chuàng)性工作，這里的細(xì)胞有方向選擇性。這些神經(jīng)細(xì)胞，我們描述它們時(shí)候的常用詞叫“感受野”，這是一種對(duì)神經(jīng)細(xì)胞處理的內(nèi)容的線性近似，它是一個(gè)加權(quán)函數(shù)，看起來(lái)差不多像圖示（雷鋒網(wǎng)注：上方圖中V1）的這樣，大家中如果有做視覺(jué)方面的可以看作是Gabor函數(shù)。這種加權(quán)函數(shù)就給細(xì)胞賦予了局部的方向選擇性。
所以方向性是這些細(xì)胞的決定性特性，這是所有人對(duì)這些V1初級(jí)皮層細(xì)胞的看法。實(shí)際上用簡(jiǎn)單的動(dòng)畫來(lái)表達(dá)V1細(xì)胞做的事情的話，就是測(cè)量環(huán)境中局部的微小方向，小條、小塊，它要測(cè)出其中占支配地位的方向是什么。它會(huì)把這個(gè)結(jié)果告訴大腦的其它部分。
然后會(huì)發(fā)生什么呢？V1會(huì)有很多輸出到V2，V2也是很大的一塊區(qū)域，人和猴子的V2區(qū)域可能還要比V1大一點(diǎn)。就像圖里這樣，它差不多在V1的邊上，包著V1。然而事實(shí)是這樣的，即便人們幾十年前知道V2神經(jīng)細(xì)胞的存在了，Hugo和Wessel就記錄過(guò)V2細(xì)胞，人們還是花了很長(zhǎng)時(shí)間才弄明白V2到底是做什么的。既然V2細(xì)胞接收V1細(xì)胞的輸出，所以很自然地可以想象V2會(huì)對(duì)V1細(xì)胞的局部方向做一些合并。
這就讓我們回想起以前Hugo和Wessel那個(gè)時(shí)代所想的理論，你會(huì)覺(jué)得這些計(jì)算機(jī)視覺(jué)范式的關(guān)鍵點(diǎn)都是找到圖像中一組一組的邊緣，然后把這些邊緣補(bǔ)全連接起來(lái)，就找到了界線和輪廓，接著就用它們分離對(duì)象，確定哪些是前景哪些是背景，最后就可以做對(duì)象識(shí)別。
想到這種范式是非常自然的，你可能會(huì)覺(jué)得這些V2細(xì)胞就在執(zhí)行這個(gè)流程的第一步，沿著界線（雷鋒網(wǎng)注找：圖中紅色虛線）找到一段一段的邊緣并且把他們拼接起來(lái)。
但是讓人們嘗試記錄V2細(xì)胞的輸出，嘗試測(cè)量V2細(xì)胞對(duì)角度、曲線、或者各種局部方向的組合的選擇性的時(shí)候，比如這張圖是Newston測(cè)試中用到的刺激圖案，這種實(shí)驗(yàn)只取得了非常有限的成果。在這個(gè)例子里， V2細(xì)胞中只有很少的一部分似乎對(duì)這種刺激做出了明顯的反應(yīng)，而對(duì)很多的V2細(xì)胞而言，這些不同的局部方向組合都不能引起任何反應(yīng)，即便有反應(yīng)的細(xì)胞也只是微弱的反應(yīng)。
所以大概到了2012年，我們還缺少對(duì)V2功能性中的任何協(xié)同作用的發(fā)現(xiàn)，尤其是其中運(yùn)用V1的輸出來(lái)讓V2的輸出產(chǎn)生區(qū)別的那些功能。我覺(jué)得這事挺神奇的，有數(shù)不清的神經(jīng)組織參與著視覺(jué)的形成，顯然這是很重要的一件事情，可是花了這么多資源以后，如果V2只是在模仿V1所做的事情，進(jìn)化成這樣也挺奇怪的。剛才忘了說(shuō)大多數(shù)的V2細(xì)胞確實(shí)是對(duì)方向有選擇性的，部分地、松散地具有方向選擇性。
那么這個(gè)問(wèn)題變得很神秘了，這些細(xì)胞、這些組織到底是用來(lái)做什么的？我覺(jué)得，我得到自己的答案是通過(guò)重新審視這個(gè)假設(shè)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)、實(shí)際上所有的視覺(jué)研究在一開始都是這樣想的，那就是認(rèn)為世界是由有邊界的物體組成的，我們會(huì)認(rèn)為沿著這些邊界來(lái)把不同的東西分開是最基本的一步。
可是當(dāng)你自己看這個(gè)場(chǎng)景的時(shí)候，畫面中的大部分內(nèi)容其實(shí)是并不是邊界，而是許多成塊的、近似的、幾乎均勻分布的組織。（雷鋒網(wǎng)注：演講花絮，見動(dòng)圖）為什么大家在笑？我升到上面去了，然后現(xiàn)在大家都在看我的后腦勺？
回到正題，當(dāng)你看著這張圖片的時(shí)候，有種東西占據(jù)了圖片里的大部分面積，我們把它叫做“紋理”，視覺(jué)紋理。圖里能看到這些草形成的斑塊，每一處的斑塊看起來(lái)很像，但是每一處又不會(huì)完全一樣，其中的不同的葉子有不同的長(zhǎng)度、角度等等。其中有很多的方向，可能屏幕不是很清晰所以看得不是很明顯，但是如果你能仔細(xì)觀察的話，你的V1細(xì)胞可以對(duì)其中每棵草的方向做出不錯(cuò)的響應(yīng)。但是每一塊斑塊都是完全不同的草葉混在一起組成的。
如果你往上看一點(diǎn)，可以看到這塊巖石的正面，它看起不太一樣，方向特性有一些不一樣，但是你也可以測(cè)量它的局部方向，那里顯示著的就是某種特定的組合。牛身上的毛也一樣，等等。所以實(shí)際上，我們的視覺(jué)世界里充滿了紋理，可以說(shuō)是被紋理統(tǒng)治的。我覺(jué)得有可能很多V2細(xì)胞就是用來(lái)處理紋理的。這只是個(gè)猜測(cè)，等一下我會(huì)給大家講解我做過(guò)的研究，看看能否證實(shí)這個(gè)猜測(cè)。
接下來(lái)我就不說(shuō)更多生理學(xué)的東西了，我來(lái)說(shuō)一說(shuō)感知。前面這些都是一些介紹性的思考過(guò)程。因?yàn)槲抑溃谖覀兊膶W(xué)術(shù)社區(qū)中，很多對(duì)分層級(jí)聯(lián)，或者說(shuō)卷積算子的發(fā)展起到了推動(dòng)作用的因素，其實(shí)是因?yàn)槿藗兇致缘赜X(jué)得視覺(jué)系統(tǒng)就是這樣工作的。
所以，紋理無(wú)處不在，這里是更多的例子，隨處都能看到。為了能夠描述紋理，我們需要給紋理設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算理論，這樣我們才能夠從感知和生理的角度去測(cè)試它，而且也才能夠建立用在機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的算法和表征。
那么什么是“紋理”呢，不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō)，紋理就一種同類的、具有重復(fù)性的圖像，各個(gè)部分都會(huì)出現(xiàn)同一類的東西、同樣的結(jié)構(gòu)。Lettvin說(shuō)過(guò)的這段話我覺(jué)得很好，把這個(gè)概念描述得很貼切、很直觀，是1976年的，
“我們可以這樣講，如果可見的物體不一樣，而且它們之間離得很遠(yuǎn)，這就是形態(tài)；如果它們相似而且是聚在一起的，這就是紋理。一個(gè)人是一種形態(tài)，而人群具有‘人’這樣的紋理；”這種說(shuō)法真時(shí)髦，“一片葉子是一種形態(tài)，而樹冠具有葉子的紋理，等等。”
這個(gè)意思就是說(shuō)，你把很多東西放在一起就成了紋理；如果你只有單獨(dú)一個(gè)東西，那就不是紋理。等一下我再給你們展示幾個(gè)例子來(lái)把這個(gè)問(wèn)題講通。
所以，從算法角度建模和描述紋理的想法從上世紀(jì)60年代就有了，這些東西都是那個(gè)時(shí)候發(fā)生的，真是一個(gè)不錯(cuò)的年代呢，對(duì)音樂(lè)來(lái)說(shuō)也是。在這段時(shí)間，Julesz基本上自己提出了一個(gè)猜想，他覺(jué)得從人類感知和計(jì)算建模的角度，正確的思路應(yīng)當(dāng)是紋理可以用一組有限的統(tǒng)計(jì)特征來(lái)表達(dá)。
他對(duì)此的解釋是，如果人的大腦會(huì)通過(guò)某種方式來(lái)測(cè)量和計(jì)算這些有限的特征，那么正確的聯(lián)系和理解這個(gè)猜想的方式就是做預(yù)測(cè)，表達(dá)出來(lái)是這樣：“兩種具有同樣統(tǒng)計(jì)特征的紋理”，他當(dāng)時(shí)想的是n階的像素特征，“如果特征一樣，看起來(lái)就會(huì)一樣”。就是說(shuō)，如果能夠發(fā)現(xiàn)人類大腦采用的表征是什么，那如果有任意兩張圖片的這些表征是相同的，在人類大腦看來(lái)就會(huì)是一樣的。他指出的這種測(cè)試的方法論、這種紋理模型里面蘊(yùn)含了非常有力的東西，稍等馬上會(huì)講到。
Julesz列出了一個(gè)明確的目標(biāo)，要用一種統(tǒng)計(jì)學(xué)模型來(lái)捕捉感知。另外還有一組非常重要的對(duì)測(cè)量過(guò)程的描述是：
首先不管表征如何，測(cè)量方法都應(yīng)當(dāng)是靜態(tài)的，具有平移不變性——統(tǒng)計(jì)特征就是從這里來(lái)的，他要指的是整個(gè)圖像中內(nèi)容的均值；
它還應(yīng)當(dāng)是通用的，同一組統(tǒng)計(jì)特征對(duì)所有的紋理都可以起作用，每一種不同的紋理都會(huì)有不同的統(tǒng)計(jì)特征，但如果你發(fā)現(xiàn)兩張圖片有相同的統(tǒng)計(jì)特征，那它們應(yīng)該要看起來(lái)一樣；
最后一點(diǎn)也既重要，又有一點(diǎn)巧妙，這個(gè)假設(shè)只在這個(gè)情況下才有意義，就是你需要盡量少的維度。
要在能夠達(dá)到目標(biāo)的維度數(shù)目里選擇最少的那一個(gè)，尤其是如果你研究的圖像尺寸不大，那就非常好理解。如果你的矩陣中有太多的統(tǒng)計(jì)特征的話，最終你會(huì)給本來(lái)滿足統(tǒng)計(jì)特征的圖像加上越來(lái)越多的限制，最后在這個(gè)組里就不會(huì)剩下什么了。這種情況下如果你從一張初始的圖像開始，然后你找到了另外一張統(tǒng)計(jì)特征一樣的圖像，但這張圖像只是原來(lái)那張圖像平移后的一個(gè)副本，這種假設(shè)就不是很讓人喜歡了。所以表征，或者統(tǒng)計(jì)特征的維度盡可能少，就是很重要的一件事情。這是一種會(huì)讓紋理圖像的信息被減少、壓縮的，但仍能代表紋理特征的總結(jié)性測(cè)量。
還有一件事情值得指出的是，盡管人們已經(jīng)認(rèn)為生成性模型是解決視覺(jué)中和其它許多領(lǐng)域問(wèn)題的非常重要的方法，但Julesz的表述只是一種分析性的表述，只有當(dāng)你去測(cè)量這些統(tǒng)計(jì)特征的時(shí)候才能發(fā)揮作用，這些屬性才能夠體現(xiàn)。這就給我們?nèi)绾螌?shí)際做測(cè)量留下了一些難題。
所以實(shí)際上Julesz在1962年那時(shí)，想了一些辦法來(lái)做這個(gè)測(cè)試，他當(dāng)時(shí)用的是二進(jìn)制顏色的圖像，只有黑色和白色，用到的圖像也是他手工繪制的。跟大家一樣，他對(duì)這些圖像做分析，試試看他的理論是不是對(duì)的。不過(guò)你不能只憑實(shí)驗(yàn)就說(shuō)一個(gè)理論是對(duì)的，從科學(xué)的角度來(lái)講這是不能夠證明理論的正確性的，具體到這里，你沒(méi)辦法把所有的圖片都拿過(guò)來(lái)進(jìn)行嘗試。所以你要反過(guò)來(lái)，找反例，找理論失敗的情況。
那么他就開始找，他假設(shè)統(tǒng)計(jì)特征的維度是2階，看看能否找到一組2階統(tǒng)計(jì)特征相同、但是人類看起來(lái)不同的圖像，這樣就能說(shuō)明模型是不成功的，然后就排除這個(gè)可能，繼續(xù)嘗試3階的。當(dāng)他達(dá)到3階的時(shí)候，屏幕靠左下方顯示的這兩張就是他手工建立的圖片，它們具有相同的3階統(tǒng)計(jì)特征。算法是，兩個(gè)兩個(gè)地取其中的像素，算出圖像中所有成對(duì)像素的積的平均數(shù)；然后三個(gè)三個(gè)地取像素，算出圖像中所有三個(gè)三個(gè)像素的積的平均數(shù)。這兩張圖片在這兩件事情上都是相等的，但是你能看出來(lái)兩張圖還是有一些不同的，就像是用不同的材料畫的。實(shí)際上人類確實(shí)也很擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)這些材質(zhì)上的區(qū)別，所以他就認(rèn)為自己的理論是不成立的，就放棄了。
許多年以后，一個(gè)非常有天賦的博士生Javier Portilla加入了我的實(shí)驗(yàn)室，我們開始討論有沒(méi)有更好的表征紋理的方法。我們重新翻看了Julesz的想法，然后用簡(jiǎn)化的現(xiàn)代方法、當(dāng)然也是借鑒生理學(xué)的方法去執(zhí)行。其中的關(guān)鍵點(diǎn)是，我們并沒(méi)有計(jì)算像素的統(tǒng)計(jì)特征，而是思考大腦是如何進(jìn)行測(cè)量的，其實(shí)Julesz當(dāng)時(shí)也可以這么做，我其實(shí)剛才就說(shuō)Hugo和Wessel在五六十年代就發(fā)現(xiàn)了V1細(xì)胞能代表內(nèi)容的局部方向性，不過(guò)如果他真的做的話，他就需要一個(gè)復(fù)雜得多的算法，也就沒(méi)辦法做出這些例子了。
當(dāng)時(shí)間到了90年代末的時(shí)候，我們已經(jīng)有條件做這件事了，所以我和Javier對(duì)V1建立了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型，我只簡(jiǎn)單講一下吧，對(duì)V1來(lái)說(shuō)有兩種基本類型的細(xì)胞，簡(jiǎn)單型和復(fù)雜型。簡(jiǎn)單型細(xì)胞看起來(lái)像是線性濾波器后面跟了一個(gè)整流器，大家聽起來(lái)是不是覺(jué)得很耳熟；復(fù)雜型細(xì)胞長(zhǎng)這樣，看起來(lái)像是簡(jiǎn)單型細(xì)胞的混合，可以是平方或者半平方然后再混合正負(fù)號(hào)組合到一起。不過(guò)最終都要把這些結(jié)果池化，這里也聽起來(lái)很熟悉，如果你們中也有人想對(duì)圖像使用深度網(wǎng)絡(luò)和卷積網(wǎng)絡(luò)的話。
我們用這兩種單元，但是跟典型的深度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不一樣，我們要做的是測(cè)量這些單元的輸出的局部統(tǒng)計(jì)特征，當(dāng)然了，先用這些單元對(duì)圖像進(jìn)行卷積。我們用的濾波器也不是屏幕上顯示的這樣，我們會(huì)用到各種方向、各種大小的濾波器，實(shí)際上我們用的是一種叫做“可控金字塔”的多級(jí)表征，它基本上可以把所有不同的大小和方向整理成一個(gè)完整的集合。所以我們做了所有這些卷積，我們有所有相應(yīng)的輸出圖像，也可以稱作激活圖像。我們對(duì)它們做平方和半平方，我們對(duì)平方過(guò)的進(jìn)行池化，然后我們對(duì)這些東西計(jì)算統(tǒng)計(jì)特征。這里我說(shuō)到的統(tǒng)計(jì)特征，我們基本上只用了相關(guān)性，要么就是相關(guān)性，要么是從相關(guān)性算出的。
我們對(duì)空間位置間、方向間、路徑間、大小間的相關(guān)性做了計(jì)算。我們把它們做成一個(gè)集合，最后得到的測(cè)量值數(shù)目有大概700個(gè)，精確數(shù)目應(yīng)該是710，當(dāng)我們把所有的測(cè)量都算到里面的時(shí)候。這樣我們就有了一個(gè)可以處理任意圖片、最好是紋理圖片的模型，這個(gè)模型就會(huì)把圖片轉(zhuǎn)換成這個(gè)710個(gè)測(cè)量值。這些是統(tǒng)計(jì)特征的測(cè)量，如果我們還要驗(yàn)證Julesz的想法的話，就要想辦法生成具有相同統(tǒng)計(jì)特征的圖片。
要做的事情和Julesz當(dāng)時(shí)做的一樣，只不過(guò)我們現(xiàn)在可以用電腦來(lái)生成這些圖片。大概流程是，我們從一張初始照片開始，通過(guò)模型計(jì)算輸出，然后我們會(huì)用隨機(jī)的種子生成一張新圖片，讓生成的圖片擁有一樣的統(tǒng)計(jì)特征。最后我們會(huì)把兩張圖片拿給人類看，看看是否會(huì)認(rèn)為是相同的，或者相似的，或者在某些觀看條件下是相同的，實(shí)際上這也是比較經(jīng)常發(fā)生的情況。那么這就是一種巡回式的測(cè)試，而且只有當(dāng)照片生成器能夠產(chǎn)生的變化足夠多的時(shí)候，這才能稱得上是一個(gè)好的測(cè)試，你需要對(duì)值的空間進(jìn)行完善的探索，本質(zhì)上需要探索模型的零空間，要探索模型舍棄了哪些東西，換個(gè)說(shuō)法就是探索在模型看來(lái)相同的那些東西。
具體到做的方法上，你需要在這些模型施加的統(tǒng)計(jì)特征限制下，做出一張具有最高凝聚力密度的圖像。另一件值得一提的事情是，能通過(guò)測(cè)試不代表就真的是一個(gè)好模型，原因剛才我也說(shuō)過(guò)，我們需要找到一個(gè)能夠盡量多地拋棄信息的模型，參數(shù)的數(shù)量就可以作為信息多少的粗略參考。我們現(xiàn)在的模型只有710個(gè)輸出，而我們處理的圖像有從幾百到幾百萬(wàn)像素都有，那這就是一個(gè)顯著的減少，我們丟棄了很多的信息。所以在我們看來(lái)，這個(gè)測(cè)試就挺好的了。
好的，下一步，我們是這么做的，就像剛剛說(shuō)的，我們從這樣一張圖片開始，計(jì)算出模型的輸出；然后下面這里用白噪聲作為種子（雷鋒網(wǎng)注：左側(cè)下方圖像為原始白噪聲），計(jì)算模型輸出，它們不一樣，那就算出它們的差值，然后做反向傳播。要反向傳播的是響應(yīng)的差值，在圖像空間做梯度下降，直到輸出變得一致。具體做法基本就是這樣。
所以在這些做完以后，你得到了一張跟原來(lái)的紋理還挺像的圖片，某些情況下幾乎沒(méi)法跟本來(lái)的紋理分辨。（雷鋒網(wǎng)注：左側(cè)下方圖像為最終生成的圖像）具體在這個(gè)例子里，還是能看出來(lái)不完全一樣，不過(guò)如果你只是很快地看了一眼，不是用中央凹看，不是直視，而是目光盯著畫面右邊的地方的話，肯定是沒(méi)辦法區(qū)分的。嗯，中央凹的事情待會(huì)兒我們還會(huì)說(shuō)到。
做個(gè)摘要的話，事情是這樣的，
我們從一張圖片開始，它是所有圖像組成的空間中的一個(gè)點(diǎn)
我們把它映射到模型輸出空間里，這個(gè)由我們的模型表征的空間要小一些
圖像空間里會(huì)有一些多樣性，因?yàn)檫@個(gè)模型不是線性的，所以在有多樣性的圖像空間里，有很多圖像都會(huì)有一樣的模型響應(yīng)。這種多樣性基本就是由于兩個(gè)空間的維數(shù)不同造成的，從一百萬(wàn)維的空間到710維的空間，有，呃，九十九萬(wàn)九千三百維的信息都丟失了
然后我們拿來(lái)這個(gè)噪音的種子，我們做的事情本質(zhì)上是對(duì)它做投射，非線性投射，做一種梯度下降，直到我們來(lái)到了多樣性的界線上
這樣我們就得到了生成的圖片
這樣就用簡(jiǎn)圖的方式說(shuō)明了在高維空間到底發(fā)生了什么，我們又要如何理解。
這是另一組例子。效果很不錯(cuò)，我直到今天都覺(jué)得很驚訝，這么簡(jiǎn)單的模型就能生成這樣有趣的視覺(jué)結(jié)構(gòu)，這還僅僅是一個(gè)2階的模型而已，只有簡(jiǎn)單的、差不多生物性的非線性，也沒(méi)有對(duì)特點(diǎn)、部分、物體等等做清晰具體的表征。即便這樣，我們也能夠表征出來(lái)這些有意思的內(nèi)容。起碼當(dāng)這些結(jié)果在99年和2000年的時(shí)候做出來(lái)的，我是很震驚的；今天可能就不怎么震驚了，因?yàn)槲覀冇蒙疃染矸e網(wǎng)絡(luò)一直做的就是這樣的事情。也在發(fā)展壯大吧，差不多每天都有人能發(fā)現(xiàn)一種有趣的生成圖像或者變換圖像的方法。
它們也能夠給Julesz的擔(dān)心給一個(gè)正面的答復(fù)，就是說(shuō)當(dāng)你把Julesz的反例圖像作為輸入給到里面的時(shí)候，它們也會(huì)輸出基本無(wú)法分辨的圖像。所以這樣也就通過(guò)了Julesz設(shè)計(jì)的測(cè)試。
不過(guò)我們也發(fā)現(xiàn)這個(gè)，有點(diǎn)讓人撓頭，如果你用深度卷積網(wǎng)絡(luò)做類似的生成，你會(huì)得到這樣的“騙人圖像”，它們是Clune和他的團(tuán)隊(duì)在這篇2015年發(fā)表的論文里描述的。他做的事情跟我一樣，從白噪音開始，用梯度下降的方法把它轉(zhuǎn)換到一個(gè)圖像識(shí)別器的分類里面去。輸出的是這樣的圖像，它們看起來(lái)像噪音，跟它們本來(lái)應(yīng)該屬于的那個(gè)分類看起來(lái)一點(diǎn)都不像。
另一個(gè)相關(guān)的結(jié)果，像這樣，通過(guò)調(diào)整一副圖像來(lái)達(dá)到一個(gè)目標(biāo)分類。從原圖開始，比如這個(gè)校車，你想把它轉(zhuǎn)換到火雞的分類里面，然后你得到的結(jié)果看起來(lái)還是像校車。就好像沒(méi)有對(duì)圖像做任何修改，起碼不是我們?nèi)祟惸芸闯鰜?lái)的修改。
但是如果你用我們的模型做的話，你會(huì)得到這樣的結(jié)果。比如這幾個(gè)例子，你從一張人臉的照片開始，你想把它轉(zhuǎn)換到一個(gè)目標(biāo)中，不過(guò)我們的目標(biāo)不是語(yǔ)言或者類別的名字，而是一些紋理樣本。我們從這個(gè)紋理上提取統(tǒng)計(jì)特征，把原圖作為一個(gè)起點(diǎn)，然后把它推到能夠滿足統(tǒng)計(jì)特征的多樣性邊界上去，就會(huì)得到這樣的看起來(lái)像橄欖的圖，但是原來(lái)的主要圖像結(jié)構(gòu)還是得到了保留，這是因?yàn)檫@個(gè)模型具有同質(zhì)性、平移不變性，它不關(guān)心總體結(jié)構(gòu)，也不會(huì)對(duì)總體結(jié)構(gòu)做任何限制，所以一部分結(jié)構(gòu)就在投射過(guò)程后殘留了下來(lái)。
時(shí)間好像不太夠了，但我又不太想把最后一點(diǎn)東西跳過(guò)去。那我就講得快一點(diǎn)吧。不說(shuō)那么細(xì)了，我們團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)非常優(yōu)秀的博士后Josh McDermott和我基本上想辦法做了一個(gè)類似的模型，它可以生成聲音的材質(zhì)。
總體上可以這樣講，基本可以分成三個(gè)環(huán)節(jié)，就像圖里這樣，第一環(huán)節(jié)是濾波，模仿的是耳蝸，其中有30個(gè)頻率點(diǎn)；然后經(jīng)過(guò)一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，再經(jīng)過(guò)另一組濾波器，其中有20個(gè)是調(diào)制濾波器；最后我們還是測(cè)量統(tǒng)計(jì)特征。
之前好像沒(méi)有說(shuō)，不過(guò)這些統(tǒng)計(jì)特征同樣也是可以用卷積架構(gòu)計(jì)算的，用卷積和乘方，因?yàn)樗鼈兪嵌蔚模哂邢嚓P(guān)性，做卷積和平方是本質(zhì)上等效的，它們測(cè)量的是變化而不是相關(guān)性。如果測(cè)量了足夠多的卷積和平方，就和測(cè)量相關(guān)性是等效的了。所以可以把這個(gè)模型看作是一個(gè)三階模型，耳蝸部分第一階，調(diào)制部分第二階，第三階計(jì)算統(tǒng)計(jì)特征也就是和卷積、平方再平均差不多的東西。
跟剛才的流程一樣，用類似的方法，給一段樣本計(jì)算統(tǒng)計(jì)特征然后生成符合特征的另一段樣本，結(jié)果挺不錯(cuò)的。我這兒有幾個(gè)例子，看看你們能不能聽得到，如果不行那就很快跳過(guò)去。
能聽到了嗎？（一段水聲）ok，屏幕上的是頻譜圖，橫軸時(shí)間縱軸頻率，這是一段冒泡的水的實(shí)際錄音，會(huì)不會(huì)太大了，有人聽這個(gè)會(huì)害怕嗎？（另一段水聲）現(xiàn)在是生成的聲音，聽起來(lái)應(yīng)該是沒(méi)辦法分辨的。頻譜圖看起來(lái)也很像，不過(guò)并不是完全一樣，畢竟不是直接復(fù)制的。其中的參數(shù)數(shù)目不多，不過(guò)我忘了具體數(shù)目有多少了，反正挺少的。跟前面類似，輸入的信息量很大，我們也是扔掉了很多，把樣本擠壓到了一組總結(jié)特征中，然后從總結(jié)特征里生成新的。
（此起彼伏的蟲子聲音）這是另一段完全不同的聲音了，是池塘里昆蟲的聲音。（另一段此起彼伏的蟲子聲音）同一個(gè)模型，同一組統(tǒng)計(jì)特征，當(dāng)然了，特征具體的值是完全不一樣的，所以生成的聲音才會(huì)不一樣。聽起來(lái)挺不錯(cuò)的，而且這個(gè)也幾乎沒(méi)辦法分辨。
（紙的聲音）另一段不同的聲音，翻動(dòng)的紙，看頻譜圖以及聽起來(lái)都跟另外兩組聲音完全不同。（另一段紙的聲音）這個(gè)效果也很好，其實(shí)聲音很尖銳，不連續(xù)，能聽出來(lái)紙頁(yè)翻到最后擦到其它的紙然后突然停下來(lái)的聲音。
Josh和我很感興趣，我們做了很多感知方面的研究來(lái)驗(yàn)證這種方法的可行性，而這種方法對(duì)不同的材質(zhì)有廣泛的適用性。我們還想知道，當(dāng)我們?nèi)藶榈兀▽?duì)計(jì)算過(guò)程）進(jìn)行了選擇來(lái)讓它看起來(lái)更符合生物學(xué)的時(shí)候，這些人為因素會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生影響嗎，還是說(shuō)我隨便用一組什么樣的濾波器和非線性都能得到一樣的結(jié)果。
所以我們回過(guò)頭來(lái)核對(duì)了一遍，發(fā)現(xiàn)，比如當(dāng)你去掉耳蝸那里進(jìn)行壓縮的非線性環(huán)節(jié)，把它變成一個(gè)整流器，然后你讓人們來(lái)對(duì)比聽聽看的時(shí)候，一種是通過(guò)整流器的版本生成的，另一種是通過(guò)更符合生物學(xué)的非線性壓縮版本生成的，人們辨別更真實(shí)聲音的能力還挺不錯(cuò)，他們選出來(lái)的是模仿耳蝸壓縮的那一個(gè)。更換濾波器組合的情況也差不多，如果從對(duì)數(shù)空間頻點(diǎn)換到線性空間頻點(diǎn)，還是能聽出來(lái)區(qū)別的，人類很擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)其中的區(qū)別，而且人們基本上都更喜歡對(duì)數(shù)空間的聲音，從生物學(xué)的角度這也更合理。
接下來(lái)要欺騙你的眼睛
我們對(duì)這種結(jié)果挺滿意的。我們還做了另外一組實(shí)驗(yàn)，不過(guò)沒(méi)時(shí)間了我就跳過(guò)不講了。因?yàn)槲蚁胍赃@個(gè)做結(jié)尾。
回到圖像的部分。我們想知道，除了整體的相同紋理之外，我們還能做什么。顯然這個(gè)世界遠(yuǎn)不只是由整體的相同紋理組成的，紋理都是一小塊一小塊的，就像一開始那張牛的照片一樣。所以如果你拿一張這樣的照片，用我們的算法進(jìn)行處理，還是能拿到結(jié)果的，畢竟這個(gè)方法可以處理任何圖片，統(tǒng)計(jì)特征是對(duì)整張照片計(jì)算的，不過(guò)生成的圖片就會(huì)是這樣，費(fèi)曼就像剛從攪拌機(jī)里拿出來(lái)一樣。不過(guò)你還是能看出來(lái)小塊的紋理，這些皮膚的褶皺，看起來(lái)有點(diǎn)不自然。
所以我們想知道，從生理學(xué)、生物學(xué)的角度考慮，人類大腦里到底發(fā)生了什么，人的大腦是如何進(jìn)行表征的，是次要功能嗎，只有一部分的大腦對(duì)紋理進(jìn)行表征，其它大部分都表征的是輪廓、界線、邊緣、物體嗎？還是說(shuō)又是另外的樣子？
所以我們接下來(lái)做的事情用到了這些事實(shí)，從生理學(xué)角度講，感受野大小隨著偏心度的提高而變大。感受野不僅僅從V1到V2再到V4一直變大，而且還隨著到目光焦點(diǎn)中心的距離變大而變大，離中央凹越遠(yuǎn)越大。這種變大差不多是線性的，這張圖是研究猴子得到的，人類的也非常接近。
畫一張簡(jiǎn)圖來(lái)說(shuō)明的話，雖然因?yàn)轭伾年P(guān)系大家在臺(tái)下可能看不清，可以把V1細(xì)胞的感受野想象成這種輻射狀的圖案，越往外圈就越變大。V2細(xì)胞的差不多，不過(guò)不管在哪個(gè)位置，V2的感受野都比V1的更大。V4也一樣。等最后到了IT，感受野就很大了，可以覆蓋到眼睛視野的很大一個(gè)區(qū)域。說(shuō)句題外話，這不是卷積，因?yàn)榫矸e需要始終使用一樣的算子；而在這里，算子越往外側(cè)越大了。所以當(dāng)我們知道了有這樣的架構(gòu)以后，我們能做一些什么，能不能給物體識(shí)別這樣的任務(wù)帶來(lái)幫助呢？
我們是這樣做的。我們用了剛才說(shuō)到那樣的局部紋理表征架構(gòu)，我們并沒(méi)有對(duì)整張圖片均勻地提取統(tǒng)計(jì)特征，而是分成許多小區(qū)域，具有平滑交疊的區(qū)域，然后做加權(quán)相加而不是直接全部相加再取平均。這樣它聽起來(lái)就跟生理學(xué)很接近，跟V2做的事情很接近。實(shí)際上當(dāng)你這么做的時(shí)候，你可以生成人類沒(méi)辦法區(qū)分開來(lái)的圖片，對(duì)任意圖片都可以。
我直接放一個(gè)演示吧，現(xiàn)在沒(méi)時(shí)間一項(xiàng)項(xiàng)講解我們的結(jié)果了。這張照片是在華盛頓廣場(chǎng)拍的。我要讓大家看一個(gè)幻象，為了能夠看到它，你在看的時(shí)候需要緊盯著畫面中央這個(gè)紅色的點(diǎn)不動(dòng)。我會(huì)在這張照片和一張生成的圖像之間來(lái)回切換，生成的圖像中計(jì)算局部統(tǒng)計(jì)特征所用的區(qū)域大小就跟人的V2細(xì)胞感受野差不多大。我們的想法是，如果人類的大腦就是這樣做表征的，那你就沒(méi)辦法分辨這些圖像。
現(xiàn)在開始了，來(lái)回翻動(dòng)。眼光盯著紅色的點(diǎn)不要移開。如果沒(méi)什么意外的話，那跟我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)候的參與者一樣，你們應(yīng)該也沒(méi)辦法區(qū)分開這兩幅圖像。
但是實(shí)際上，如果你現(xiàn)在把注意力放在邊上那個(gè)紅色圈里的話，兩張圖像的區(qū)別其實(shí)挺大的，其中一張有很多的扭曲，就像前面費(fèi)曼那張一樣。但是如果你盯著紅色圈的話，你就看不到這些扭曲了。說(shuō)實(shí)話這些扭曲還是挺明顯的，看起來(lái)很詭異，但是如果當(dāng)你不盯著它們看的時(shí)候你就發(fā)現(xiàn)不了它們。
那我們做這件事是為了干嘛？我們把一些東西丟進(jìn)了零空間里面，直觀線性地描述的話，就是我們把一些東西丟進(jìn)了你視覺(jué)系統(tǒng)的零空間里面，然后你發(fā)現(xiàn)不了。你的視覺(jué)系統(tǒng)把這些信息扔掉了，它發(fā)現(xiàn)不了這里有嚴(yán)重的扭曲。我覺(jué)得可以利用這一點(diǎn)來(lái)解決很多實(shí)際問(wèn)題，不過(guò)現(xiàn)在沒(méi)時(shí)間給大家講了，我要給演講做結(jié)尾了。
后來(lái)的故事是，我們繼續(xù)把這些發(fā)現(xiàn)跟生理學(xué)做了定性定量的對(duì)比，我們做了一些實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中我們記錄了V2細(xì)胞的響應(yīng)，給它們展示紋理，然后嘗試?yán)斫馑鼈儽碚鞯慕Y(jié)果是什么。
這對(duì)你生活中的所有事情都會(huì)產(chǎn)生影響，就像閱讀，比方說(shuō)你看書的時(shí)候，人的目光不是均勻地從頁(yè)面上掃過(guò)去的，而是一跳一跳的。每次跳的距離，我們根據(jù)這個(gè)模型算了一下，差不多剛好就是能讓單詞看得清的那個(gè)距離。假如你目光盯著這里左邊這個(gè)紅點(diǎn)，這是我們生成的舉例圖像，你能看清的單詞基本上也就是“myself”和它上下的幾個(gè)字母。當(dāng)你的目光跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置以后，你就能讀出下一個(gè)單詞了。這兩個(gè)紅色點(diǎn)之間相對(duì)于周圍的文本的距離，就是差不多是你閱讀的時(shí)候目光跳轉(zhuǎn)的典型距離。
這就讓我們覺(jué)得可以給閱讀建模，限制閱讀速度的最重要因素之一就是目光跳轉(zhuǎn)距離。所以我們可以想辦法增加這個(gè)跳轉(zhuǎn)距離，比如通過(guò)設(shè)計(jì)新的閱讀形式，用不同的字體、不同的空檔、不同的字符等等，這樣就不會(huì)起到這么大的混雜或者扭曲效果了。換句話說(shuō)就是我們想避免把文本信息丟到零空間里面去，我們想讓它們留在實(shí)際的表征空間里。建立這樣的模型就給了我們嘗試這樣做并進(jìn)行研究的機(jī)會(huì)。
OK，我講差不多了。
這種時(shí)候我們可以問(wèn)自己這樣一個(gè)問(wèn)題，我們可以就這樣研究下去嗎，把線性濾波、整流器、一些局部統(tǒng)計(jì)特征以及池化堆在一起，越堆越多就可以解釋人類視覺(jué)了嗎？我以前覺(jué)得大概不行吧，不過(guò)現(xiàn)在隨著深度卷積網(wǎng)絡(luò)的研究越來(lái)越成功，我猜答案也許是肯定的。Lettvin在1976年的時(shí)候說(shuō)了一段的令人印象深刻的話：“經(jīng)過(guò)部分重新定義的紋理，也許是就構(gòu)建出形態(tài)的原始素材”。他的觀點(diǎn)里大概覺(jué)得你可以在紋理表征的基礎(chǔ)上進(jìn)行形態(tài)的表征，而不是把形態(tài)作為一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體。
那么，總結(jié)一下。
我前面嘗試從生物學(xué)角度給大家解釋了這種階梯式模型的建立，我試著讓大家相信帶有生物學(xué)屬性的淺層階梯式模型的力量比我們預(yù)想的，起碼比我預(yù)想的強(qiáng)大多了。
生成式方法是表征研究非常有力的測(cè)試方法，可以用來(lái)驗(yàn)證不變性，或者探究零空間如果你感興趣的話；它還可以用來(lái)驗(yàn)證度量屬性，比如距離和曲率——這是去年ICLR2016的時(shí)候展示的內(nèi)容，Olivia Hanoff和我一起做了一張精美的海報(bào)，展示了我們可以生成測(cè)地線，兩張圖像中的路線和圖像空間在響應(yīng)空間中沿最短路徑的距離(pads and image space between 2 images that followed the shortest path in the response space)。
我們現(xiàn)在也在繼續(xù)充實(shí)這些模型，來(lái)讓它們能夠測(cè)量感知質(zhì)量。為了達(dá)到這個(gè)目的，你還需要在其中加入新的非線性部分來(lái)關(guān)注局部增益控制，局部增益控制是指你通過(guò)生物學(xué)感知系統(tǒng)看到的東西，我們覺(jué)得這對(duì)研究大腦的運(yùn)行有非常非常重要的作用。這件事是大多數(shù)深度網(wǎng)絡(luò)研究中沒(méi)有做的，我們覺(jué)得它的重要性也會(huì)得到體現(xiàn)。我們用了很多種不同的方法來(lái)研究它，其中一種大家會(huì)在下一場(chǎng)演講中聽我講到，會(huì)講到用帶有局部增益控制的表征進(jìn)行壓縮。
最后一點(diǎn)，就是我們非常想要理解如何用非監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法學(xué)會(huì)這些表征，下一場(chǎng)演講我也會(huì)在生物學(xué)表征的語(yǔ)境下開始對(duì)這個(gè)方面做一些強(qiáng)調(diào)。
最后我想感謝一下我實(shí)驗(yàn)室里參與項(xiàng)目的成員，都非常的優(yōu)秀，Javier Portilla建立了最早的紋理模型，Jeremy Freeman建立了基于局部紋理塊的大型全局紋理模型，Corez Ziemba積極參與了很多心理物理學(xué)和生理學(xué)方面的研究，Josh McDermott建立了聲學(xué)模型。
謝謝！
AI科技評(píng)論招業(yè)界記者啦！
在這里，你可以密切關(guān)注海外會(huì)議的大牛演講；可以采訪國(guó)內(nèi)巨頭實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)專家；對(duì)人工智能的動(dòng)態(tài)了如指掌；更能深入剖析AI前沿的技術(shù)與未來(lái)！
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