73歲Hinton老爺子構(gòu)思下一代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：屬于無監(jiān)督對比學習

在近期舉行的第 43 屆國際信息檢索年會 (ACM SIGIR2020) 上，Geoffrey Hinton 做了主題為《The Next Generation of Neural Networks》的報告。

Geoffrey Hinton 是谷歌副總裁、工程研究員，也是 Vector Institute 的首席科學顧問、多倫多大學 Emeritus 榮譽教授。2018 年，他與 Yoshua Bengio、Yann LeCun 因?qū)ι疃葘W習領(lǐng)域做出的巨大貢獻而共同獲得圖靈獎。

自 20 世紀 80 年代開始，Geoffrey Hinton 就開始提倡使用機器學習方法進行人工智能研究，他希望通過人腦運作方式探索機器學習系統(tǒng)。受人腦的啟發(fā)，他和其他研究者提出了「人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」（artificial neural network），為機器學習研究奠定了基石。

那么，30 多年過去，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展方向在哪里呢？Hinton 在此次報告中回顧了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程，并表示下一代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將屬于無監(jiān)督對比學習。

Hinton 的報告主要內(nèi)容如下：

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最重要的待解難題是：如何像大腦一樣高效執(zhí)行無監(jiān)督學習。

目前，無監(jiān)督學習主要有兩類方法。

第一類的典型代表是 BERT 和變分自編碼器（VAE），它們使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建輸入。但這類方法無法很好地處理圖像問題，因為網(wǎng)絡(luò)最深層需要編碼圖像的細節(jié)。

另一類方法由 Becker 和 Hinton 于 1992 年提出，即對一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練兩個副本，這樣在二者的輸入是同一圖像的兩個不同剪裁版本時，它們可以生成具備高度互信息的輸出向量。這類方法的設(shè)計初衷是，使表征脫離輸入的不相關(guān)細節(jié)。

Becker 和 Hinton 使用的優(yōu)化互信息方法存在一定缺陷，因此后來 Pacannaro 和 Hinton 用一個判別式目標替換了它，在該目標中一個向量表征必須在多個向量表征中選擇對應(yīng)的一個。

隨著硬件的加速，近期表征對比學習變得流行，并被證明非常高效，但它仍然存在一個主要缺陷：要想學習具備 N bits 互信息的表征向量對，我們需要對比正確的對應(yīng)向量和 2 N 個不正確的向量。

在演講中，Hinton 介紹了一種處理該問題的新型高效方式。此外，他還介紹了實現(xiàn)大腦皮層感知學習的簡單途徑。

接下來，我們來看 Hinton 演講的具體內(nèi)容。

為什么我們需要無監(jiān)督學習？

在預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展之前，Hinton 首先回顧了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進程。

演講一開始，Hinton 先介紹了三種學習任務(wù)：監(jiān)督學習、強化學習和無監(jiān)督學習，并重點介紹了無監(jiān)督學習的必要性。

為什么我們需要無監(jiān)督學習呢？

Hinton 從生物學的角度做出了詮釋。他指出，人類大腦有 10^14 個神經(jīng)元突觸，而生命的長度僅有 10^9 秒，因此人類無法完全依賴監(jiān)督學習方式完成所有神經(jīng)元訓練，因而需要無監(jiān)督學習的輔助。

受此啟發(fā)，構(gòu)建智能模型也需要無監(jiān)督學習。

無監(jiān)督學習的發(fā)展歷程

無監(jiān)督學習經(jīng)過怎樣的發(fā)展呢？Hinton 為我們介紹了無監(jiān)督學習中的常見目標函數(shù)。

緊接著，Hinton 詳細介紹了自編碼器。

Hinton 表示，自編碼器是一種利用監(jiān)督學習實現(xiàn)無監(jiān)督學習的方式，其目標是使最后的重建結(jié)果與數(shù)據(jù)相匹配。編碼器將數(shù)據(jù)向量轉(zhuǎn)換為代碼，解碼器基于代碼生成數(shù)據(jù)。

在高屋建瓴地介紹了自編碼器的定義、訓練深度自編碼器之前的難點和現(xiàn)狀之后，Hinton 著重介紹了兩種自編碼器類型：變分自編碼器和 BERT 自編碼器。

使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建輸入：VAE 和 BERT

BERT 和變分自編碼器（VAE）是無監(jiān)督學習的一類典型代表，它們使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建輸入。

變分自編碼器由韋靈思和 Kingma 于 2013 年提出，它使用多層編碼器選擇實數(shù)代碼，然后用多層解碼器重建數(shù)據(jù)。VAE 的基本構(gòu)造如下圖所示：

BERT

是 2018 年谷歌提出的語言表征模型，基于所有層的左、右語境來預(yù)訓練深度雙向表征。

語境信息對 BERT 非常重要，它利用遮蔽語言模型（masked language model，MLM）允許表征融合左右兩側(cè)的語境，從而預(yù)訓練深度雙向 Transformer。

Hinton 舉了一個例子：「She scromed him with the frying pan」。在這個句子中，即使你不知道 scromed 的意思，也可以根據(jù)上下文語境進行推斷。

視覺領(lǐng)域也是如此。然而，BERT 這類方法無法很好地應(yīng)用到視覺領(lǐng)域，因為網(wǎng)絡(luò)最深層需要編碼圖像的細節(jié)。

Becker 和 Hinton 提出最大化互信息方法

那么自編碼器和生成模型有沒有什么替代方案呢？Hinton 表示，我們可以嘗試不再解釋感官輸入（sensory input）的每個細節(jié)，而專注于提取空間或時序一致性的特征。與自編碼器不同，這種方法的好處在于可以忽略噪聲。

然后，Hinton 詳細介紹了他與 Suzanna Becker 在 1992 年提出的一種提取空間一致性特征的方法。該方法的核心理念是對輸入的兩個非重疊塊（non-overlapping patch）表示之間的顯式互信息進行最大化處理。Hinton 給出了提取空間一致性變量的簡單示例，如下圖所示：

經(jīng)過訓練，Hinton 指出唯一的空間一致性特征是「不一致性」（The Only Spatially Coherent Property is Disparity），所以這也是必須要提取出來的。

他表示這種最大化互信息的方法存在一個棘手的問題，并做出以下假設(shè)，即如果只學習線性映射，并且對線性函數(shù)進行優(yōu)化，則變量將成為分布式的。不過，這種假設(shè)并不會導致太多問題。

以往研究方法回顧

在這部分中，Hinton 先后介紹了 LLE、LRE、SNE、t-SNE 等方法。

局部線性嵌入方法（Locally Linear Embedding, LLE）

Hinton 介紹了 Sam T. Roweis 和 Lawrence K. Saul 在 2000 年 Science 論文《Nonlinear Dimensionality Reduction by Locally Linear Embedding》中提到的局部線性嵌入方法，該方法可以在二維圖中顯示高維數(shù)據(jù)點，并且使得非常相似的數(shù)據(jù)點彼此挨得很近。

但需要注意的是，LLE 方法會導致數(shù)據(jù)點重疊交融（curdling）和維度崩潰（dimension collapse）問題。

下圖為 MNIST 數(shù)據(jù)集中數(shù)字的局部線性嵌入圖，其中每種顏色代表不同的數(shù)字：

此外，這種長字符串大多是一維的，并且彼此之間呈現(xiàn)正交。

從線性關(guān)系嵌入（LRE）到隨機鄰域嵌入（SNE）

在這部分中，Hinton 介紹了從線性關(guān)系嵌入（Linear Relational Embedding, LRE）到隨機鄰域嵌入（Stochastic Neighbor Embedding, SNE）方法的轉(zhuǎn)變。他表示，只有「similar-to」關(guān)系存在時，LRE 才轉(zhuǎn)變成 SNE。

同時，Hinton 指出，可以將 LRE 目標函數(shù)用于降維（dimensionality reduction）。

下圖為 SNE 的示意圖，其中高維空間的每個點都有選擇其他點作為其鄰域的條件概率，并且鄰域分布基于高維成對距離（pairwise distance）。

從隨機鄰域嵌入（SNE）到 t 分布隨機鄰域嵌入（t-SNE）

t 分布隨機鄰域嵌入（t-distributed stochastic neighbor embedding, t-SNE）是 SNE 的一種變體，原理是利用一個 student-distribution 來表示低維空間的概率分布。

Hinton 在下圖中展示了 MNIST 數(shù)據(jù)集中數(shù)字的 t-SNE 嵌入圖，每種顏色代表不同的數(shù)字：

在介紹完這些方法之后，Hinton 提出了兩個問題：1）方差約束在優(yōu)化非線性或非參數(shù)映射時為何表現(xiàn)糟糕？2）典型相關(guān)分析或線性判別分析的非線性版本為何不奏效？并做出了解答。

最后，Hinton 提出使用對比損失（contrastive loss）來提取空間或時間一致性的向量表示，并介紹了他與 Ruslan Salakhutdinov 在 2004 年嘗試使用對比損失的探索，以及 Oord、Li 和 Vinyals 在 2018 年使用對比損失復現(xiàn)這種想法，并用它發(fā)現(xiàn)時間一致性的表示。

Hinton 表示，當前無監(jiān)督學習中使用對比損失一種非常流行的方法。

無監(jiān)督對比學習的最新實現(xiàn) SimCLR

在演講最后，Hinton 重點介紹了其團隊使用對比損失提取一致性表示的最新實現(xiàn) SimCLR，這是一種用于視覺表示的對比學習簡單框架，它不僅優(yōu)于此前的所有工作，也優(yōu)于最新的對比自監(jiān)督學習算法。

下圖為 SimCLR 的工作原理圖：

那么 SimCLR 在 ImageNet 上的 Top-1 準確率表現(xiàn)如何呢？下圖展示了 SimCLR 與此前各類自監(jiān)督方法在 ImageNet 上的 Top-1 準確率對比（以 ImageNet 進行預(yù)訓練），以及 ResNet-50 的有監(jiān)督學習效果。

Hinton 表示，經(jīng)過 ImageNet 上 1% 圖片標簽的微調(diào)，SimCLR 可以達到 85.8％的 Top-5 準確率——在只用 AlexNet 1% 標簽的情況下性能超越后者。