学习笔记 ——深度学习和机器视觉

一直自称研究方向是“机器视觉、机器学习和深度学习”，然而除了做过几个相关的项目以外，感觉自己对这个领域并没有足够深入的认识和理解。趁着这个假期我要好好补补课了。今天先来看一些high level的内容，看看深度学习近期的最近进展以及其在机器视觉问题中的应用。学习资料来源于2015年CVPR的Deep Learning in Computer Vision Workshop 里invited speaker的slides，介绍了理论、应用、实现等方面的内容，应该是干货满满的。对于每一个talk，我会把内容框架记录下来（可以check一下对这些点是否有一定了解？），并记下一些个人觉得有趣的点。想看完整内容就戳这个链接吧：Deep Learning in Computer Vision Workshop

一、深度学习：理论和关注机制的进展（Yoshua Bengio）

顾名思义，Bengio的talk主要讲了两个部分：理论进展和attention mechanism。理论进展介绍了：

• 分布式表示的“指数级”优点
• 深度的“指数级”优点
• 非凸优化和局部最小值
• 自编码器的概率解释

Attention 机制则介绍了在机器翻译、语音、图像、视频和记忆单元中的应用。

分布式表示和深度的优点Bengio之前的talk里已经讲过不少次了。简单的说，虽然类似local partition的方法可以得到有用的表示，浅层（2层）的神经网络也可近似任意的函数，但是分布式表示和深度的引入可以使特征表示和模型变得更加紧凑（compact），达到exponentially more statistically efficient的效果。

接下来提到了在深度学习中凸性质（convexity）可能并不是必要的。因为在高维空间中，鞍点（saddle point）的存在是主要问题，而局部最小值通常都会很接近全局最小值了。这部分的内容比较陌生，有兴趣可以看看最近的论文。

Attention 机制方面，讲了很多最新的进展。有很多相关的paper都非常有趣，我要找个时间好好看看这个系列了。一个基本的思路是：我们给每一层引入一个额外的输入，这个输入反应的是之前的一个加权，来表示它们的关注程度。在所谓的soft-attention中，这个加权的值可以直接通过BP训练得到。记下几句有趣的话：
- They (Attention mechanism) could be interesting for speech recognition and video, especially if we used them to capture multiple time scales
- They could be used to help deal with long-term dependencies, allowing some states to last for arbitrarily long

二、深度语义学习 （Xiaodong He）

来自微软研究院的报告，主要内容：

• 学习文本的语义性（semantic）表示
• 知识库和问答系统
• 多模态（图片——文本）语义模型

讲座开始引入了一点有趣的motivation：一般我们测试机器是否能够理解图片（其实就是训练对了），方法是给图片标记标签然后计算其错误率。然而对于含有丰富内容的复杂场景来说，很难定义所有fine-grained的类别。因此，用自然语言的描述来测试对图片的理解是比较好的方式。

从 Word2Vec 到 Sent2Vec：Deep Structured Semantic Model (DSSM)，虽然我们不知道该如何标记一个句子的语义，但我们知道哪些句子的语义是比较接近的，因此文章通过优化一个基于相似性的目标函数来训练模型，使具有相近语义的句子产生距离相近的向量。接着还介绍了很多模型的细节和变种（卷积DSSM、递归DSSM），在此就不赘述了。

Deep Multimodal Similarity Model (DMSM)：将目标函数中两个句子的相似性改成句子和图片的相似性，便可以将DSSM扩展为一个多模态的模型。

MSR系统解决图片–>语言问题：

• 图片词语检测（Image word detection）
• 句子生成（Language generation）
• 全局语义性重排序（Global semantic re-ranking）

其中图片词语检测用了CNN＋MIL（Multiple Instance Learning）的方法，个人对此比较感兴趣，文章在此。

三、深度神经网络和GPU（Julie Bernauer）

换个口味，我们来看看NVIDIA关于深度学习和GPU的结合。总的来说，内容上跟NVIDIA官网上介绍深度学习的slides没什么不同。主要介绍了GPU有什么好处、GPU有多牛，还有一些支持GPU的库和工具。

一张比较好的图：

有用的工具：

• Lasagne：基于theano上的开源库，能方便搭建一个深度网络。（Keras用得不太爽，可以试试这个）

四、深度视觉Keynote（Rahul Sukthankar）

来看看来自google的报告。这个talk里面的内容都不太熟悉，但是看起来都非常有意思。主要内容有：

• 用Peer Presssure方法来找high value mistake
• 结合深度学习和其他机器学习方法来更好解决视觉问题

首先来看看Peer Pressure。这是Rahul组最近的一个工作：The Virtues of Peer Pressure: A Simple Method for Discovering High-Value Mistakes。所谓“high-value mistake”，指的是那些我们认为训练好的模型可以准确预测的样本，结果它却“犯傻”了。因此这些样本也叫做“hard positive”，难以答对的样子。

从头说起，深度神经网络虽然有很多成功的应用，但同时也被发现很容易犯愚蠢的错误（比如上述的high-value mistake）。因此作者提出了Peer Pressure：集成＋对抗训练（emsembles＋adversarial training）的方法，来找到这些错误。简单来说就是，有一组训练于同样数据但是初始化或者结构不同的NN分类器（称作peers），如果一个样本出现其中一个NN输出与其它都不一致的情况（其它NN淡然都是一致的了），那么它应该就是high-value mistake。寻找这类错误当然是有价值的啦：（1）它可以用在发掘无标签的数据中（2）可以用来合成新的hard positive样本。

接下来提到将上述的方法应用到视频当中，找出anchor frame附近的hard positive 帧，用来训练更好的模型。其中具有semantic consistency的帧是通过Dense Trajectory来确定的。感觉挺有意思，可惜没找到相应的paper，那就上张图吧。

五、学习和理解视觉表示（Andrea Vedaldi）

来自牛津大学的报告，题目看起来还是很吸引人的。大纲如下（略有失望，好像就是讲CNN的）：

• 黑盒：一个将CNN用于图片文字识别的例子
• 架构：卷积和纹理
• 可视化：CNN所知道的图片
• 性质：对比CNN和视觉几何

第一个例子用CNN做OCR，感觉并不是很有趣。一个challenge是它的类别特别多（90k个类，对应90k个单词）。他们解决的办法是增量地训练网络，即先只训练5k个类，再逐步添加5k个新的类。。。效果好像还不错。

第二部分讲分辨纹理。提出用CNN的卷积层加上Fisher Vector（替换全连接层）来做，效果不错不错的。

第三部分可视化，看看就好。

第四部分还不错，讲的是图像变换对特征表示的影响。除去语义层面上的影响（特征的不变性跟任务相关），我们通常希望图像的特征表示不受图像变换的影响，如翻转和仿射变换。对于一个特征表示ϕ和图像变换g，我们有以下三种情况：

• 等价（Equivariance）：存在一个简单的 Mg 满足 ϕ(x)=Mgϕ(gx)
• 不变（Invariance）：Mg＝1，即图像变换不改变特征表示
• 以上都不是，不存在 Mg

因此作者提出，我们可以人为的学习这样的特征表示，使其满足等价（Equivariance）性质。具体操作也适用CNN，效果好像也很不错，看下图吧。

六、用于目标检测的可变深度卷积神经网络（Xiaogang Wang）

最后一个talk，讲的是我最近比较关注的目标检测问题，主要介绍他们的DeepID-Net。

第一部分他们的工作，用深度学习进行行人识别。其中着重讲了通过设计大小可变的卷积核来实现部分检测器（Part detector），对于行人识别应该是重要的一部分。

第二部分讲更general的目标检测问题。首先介绍目标检测的困难有（经筛选）：

• 类内差异大，包括：部分出现（part existence）、颜色、遮挡、变形

对比了他们的DeepID-Net和RCNN：

后面详细的介绍了他们模型的每个环节。总体来说，感觉每个环节都比较tricky，暂时也看不到有什么insight，故先略过了。之后专门研究object detection时可能还会重新看看他们的工作。