7種架構(gòu)范例的深度學(xué)習(xí)，每個(gè)范例都提供了TensorFlow教程

作為MIT的深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)系列課程的一部分，本文概述了7種架構(gòu)范例的深度學(xué)習(xí)，每個(gè)范例都提供了TensorFlow教程的鏈接。

我們不久前介紹了MIT的深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)系列課程，由MIT學(xué)術(shù)研究員Lex Fridman開(kāi)講，將介紹使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理、游戲、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人等領(lǐng)域問(wèn)題的基礎(chǔ)知識(shí)。

作為講座的一部分，Lex Fridman撰文概述了7種架構(gòu)范例的深度學(xué)習(xí)，每個(gè)范例都提供了TensorFlow教程的鏈接。

深度學(xué)習(xí)是表示學(xué)習(xí)(representation learning)：從數(shù)據(jù)中自動(dòng)形成有用的表示。我們?nèi)绾伪硎臼澜?，可以讓?fù)雜的東西對(duì)我們?nèi)祟?lèi)和我們構(gòu)建的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)說(shuō)都顯得更簡(jiǎn)單。

對(duì)于前者，我最喜歡的例子是哥白尼于1543年發(fā)表的日心說(shuō)，日心說(shuō)認(rèn)為太陽(yáng)是宇宙的中心，完全推翻了之前把地球放在中心的地心說(shuō)。在最好的情況下，深度學(xué)習(xí)可以讓我們自動(dòng)完成這一步，從“特征工程”過(guò)程中去掉哥白尼(即，去掉人類(lèi)專(zhuān)家)。

日心說(shuō)(1543) vs地心說(shuō)(6th century BC)

在高級(jí)別上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以是編碼器，可以是解碼器，也可以是兩者的組合：

編碼器在原始數(shù)據(jù)中找到模式，以形成緊湊、有用的表示(representations)。

解碼器從這些表示中生成高分辨率數(shù)據(jù)。生成的數(shù)據(jù)可以是新的示例，也可以是描述性知識(shí)。

其余的則是一些聰明的方法，可以幫助我們有效地處理視覺(jué)信息、語(yǔ)言、音頻(第1–6項(xiàng))，甚至可以在一個(gè)基于這些信息和偶爾的獎(jiǎng)勵(lì)的世界中采取行動(dòng)(第7項(xiàng))。下面是一個(gè)總體的圖示：

在下面的部分中，我將簡(jiǎn)要描述這7種架構(gòu)范例，并提供每個(gè)范例的演示性TensorFlow教程的鏈接。請(qǐng)參閱最后的“基礎(chǔ)拓展”部分，該部分討論了深度學(xué)習(xí)的一些令人興奮的領(lǐng)域，不完全屬于這七個(gè)類(lèi)別。

TensorFlow教程地址：

https://github.com/lexfridman/mit-deep-learning/blob/master/tutorial_deep_learning_basics/deep_learning_basics.ipynb

1.前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FFNNs)

前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Feed Forward Neural Networks, FFNNs)的歷史可以追溯到20世紀(jì)40年代，這是一種沒(méi)有任何循環(huán)的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)以單次傳遞的方式從輸入傳遞到輸出，而沒(méi)有任何以前的“狀態(tài)記憶”。從技術(shù)上講，深度學(xué)習(xí)中的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都可以被認(rèn)為是FFNNs，但通?！癋FNN”指的是其最簡(jiǎn)單的變體：密集連接的多層感知器(MLP)。

密集編碼器用于將輸入上已經(jīng)很緊湊的一組數(shù)字映射到預(yù)測(cè)：分類(lèi)(離散)或回歸(連續(xù))。

TensorFlow教程：請(qǐng)參閱我們的深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)教程的第1部分，其中有一個(gè)用于波士頓房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)的FFNNs示例，它是一個(gè)回歸問(wèn)題：

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集上的誤差

2.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)

CNN(又名ConvNets)是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它使用一種空間不變性技巧來(lái)有效地學(xué)習(xí)圖像中的局部模式，這種方法在圖像中最為常見(jiàn)?？臻g不變性(Spatial-invariance )是指，比如說(shuō)，一張貓臉的圖像上，左上角的貓耳與圖像右下角的貓耳具有相同的特征。CNN跨空間共享權(quán)重，使貓耳以及其他模式的檢測(cè)更加高效。

CNN不是只使用密集連接的層，而是使用卷積層(卷積編碼器)。這些網(wǎng)絡(luò)用于圖像分類(lèi)、目標(biāo)檢測(cè)、視頻動(dòng)作識(shí)別以及任何在結(jié)構(gòu)上具有一定空間不變性的數(shù)據(jù)(如語(yǔ)音音頻)。

TensorFlow教程：請(qǐng)參閱我們的深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)教程的第2部分，了解用于對(duì)MNIST數(shù)據(jù)集中的手寫(xiě)數(shù)字進(jìn)行分類(lèi)的一個(gè)CNN示例。

分類(lèi)預(yù)測(cè)(右)，生成的手寫(xiě)數(shù)字(左)。

3.循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)

RNN是具有循環(huán)的網(wǎng)絡(luò)，因此具有“狀態(tài)記憶”。它們可以及時(shí)展開(kāi)，成為權(quán)重共享的前饋網(wǎng)絡(luò)。正如CNN在“空間”上共享權(quán)重一樣，RNN在“時(shí)間”上共享權(quán)重。這使得它們能夠處理并有效地表示序列數(shù)據(jù)中的模式。

RNN模塊有許多變體，包括LSTM和GRU，以幫助學(xué)習(xí)更長(zhǎng)的序列中的模式。它的應(yīng)用包括自然語(yǔ)言建模、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音生成等。

TensorFlow教程：訓(xùn)練循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是很有挑戰(zhàn)性的，但同時(shí)也允許我們對(duì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)行一些有趣而強(qiáng)大的建模。使用TensorFlow生成文本的教程是我最喜歡的教程之一，因?yàn)樗煤苌俚膸仔写a就完成了一些了不起的事情：在字符基礎(chǔ)上生成合理的文本：

使用TensorFlow生產(chǎn)文本

使用TensorFlow生產(chǎn)文本教程：

https://www.tensorflow.org/tutorials/sequences/text_generation

4. Encoder-Decoder架構(gòu)

前3節(jié)中介紹的FFNN、CNN和RNN都只是分別使用密集編碼器、卷積編碼器或循環(huán)編碼器進(jìn)行預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)。這些編碼器可以組合或切換，取決于我們?cè)噲D形成有用表示的原始數(shù)據(jù)類(lèi)型?！癊ncoder-Decoder”架構(gòu)是一種更高級(jí)的概念，通過(guò)對(duì)壓縮表示進(jìn)行上采樣的解碼步驟來(lái)生成高維輸出，而不是進(jìn)行預(yù)測(cè)。

請(qǐng)注意，編碼器和解碼器可以彼此非常不同。例如，image captioning網(wǎng)絡(luò)可能有卷積編碼器(用于圖像輸入)和循環(huán)解碼器(用于自然語(yǔ)言輸出)。Encoder-Decoder架構(gòu)的應(yīng)用包括語(yǔ)義分割、機(jī)器翻譯等。

TensorFlow教程：請(qǐng)參閱駕駛場(chǎng)景分割的教程，該教程演示了針對(duì)自主車(chē)輛感知問(wèn)題的最先進(jìn)的分割網(wǎng)絡(luò)：

使用TensorFlow的駕駛場(chǎng)景分割

地址：

https://github.com/lexfridman/mit-deep-learning/blob/master/tutorial_driving_scene_segmentation/tutorial_driving_scene_segmentation.ipynb

5.自動(dòng)編碼器(Autoencoder)

自動(dòng)編碼器(Autoencoder)是一種采用encoder-decoder架構(gòu)的更簡(jiǎn)單的“無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)”形式，并學(xué)習(xí)生成輸入數(shù)據(jù)的精確副本。由于編碼的表示比輸入數(shù)據(jù)小得多，網(wǎng)絡(luò)被迫學(xué)習(xí)如何形成最有意義的表示。

由于ground truth數(shù)據(jù)來(lái)自輸入數(shù)據(jù)，所以不需要人工操作。換句話說(shuō)，它是自我監(jiān)督的。自動(dòng)編碼器的應(yīng)用包括無(wú)監(jiān)督嵌入、圖像去噪等。最重要的是，它的“表示學(xué)習(xí)”的基本思想是下一節(jié)的生成模型和所有深度學(xué)習(xí)的核心。

TensorFlow教程：在這個(gè)TensorFlow Keras教程中，你可以探索自動(dòng)編碼器對(duì)(1)輸入數(shù)據(jù)去噪和(2)在MNIST數(shù)據(jù)集進(jìn)行嵌入的能力。

地址：

https://www.kaggle.com/vikramtiwari/autoencoders-using-tf-keras-mnist

6.生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)

GAN是一種用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的框架，GAN網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以從特定的表示中生成新的逼真樣本。最簡(jiǎn)單的形式是，訓(xùn)練過(guò)程涉及兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)稱為生成器(generator)，它生成新的數(shù)據(jù)實(shí)例，試圖欺騙另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即鑒別器(discriminator)，后者將圖像分類(lèi)為真實(shí)圖像和假圖像。

在過(guò)去的幾年里，GAN出現(xiàn)了許多變體和改進(jìn)，包括從特定類(lèi)別生成圖像的能力、從一個(gè)域映射到另一個(gè)域的能力，以及生成圖像的真實(shí)性的驚人提高。例如，BigGAN (https://arxiv.org/abs/1809.11096)從單一類(lèi)別(毒蠅傘)中生成的三個(gè)樣本：

BigGAN生成的圖像

TensorFlow教程：有關(guān)GAN變體的示例，請(qǐng)參閱關(guān)于conditional GAN和DCGAN的教程。隨著課程的進(jìn)展，我們將在GitHub上發(fā)布一個(gè)關(guān)于GAN的最新教程。

conditional GAN：

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/r1.13/tensorflow/contrib/eager/python/examples/pix2pix/pix2pix_eager.ipynb

DCGAN：

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/r1.11/tensorflow/contrib/eager/python/examples/generative_examples/dcgan.ipynb

7.深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(DeepRL)

強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)是一個(gè)框架，用于教一個(gè)agent如何以一種最大化回報(bào)的方式行動(dòng)。當(dāng)學(xué)習(xí)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成時(shí)，我們稱之為深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(Deep Reinforcement learning, Deep RL)。

RL框架有三種類(lèi)型：基于策略的(policy-based)、基于價(jià)值(value-based)的和基于模型的(model-based)。區(qū)別在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是學(xué)習(xí)。詳細(xì)解讀請(qǐng)參見(jiàn)本系列課程的第6講。

Deep RL允許我們?cè)谛枰龀鲆幌盗袥Q策時(shí)，在模擬或現(xiàn)實(shí)環(huán)境中應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。包括游戲、機(jī)器人、神經(jīng)架構(gòu)搜索等等。

教程：我們的DeepTraffic環(huán)境提供了一個(gè)教程和代碼示例，可以快速地在瀏覽器中探索、訓(xùn)練和評(píng)估深度RL智能體，我們將很快在GitHub上發(fā)布一個(gè)支持GPU訓(xùn)練的TensorFlow教程。

MIT DeepTraffic: Deep Reinforcement Learning Competition