CVPR 2015 之深度学习总结
Part 1 － AlexNet 和 VGG-Net
今年的 CVPR 非常的火爆，总共有2800多人参与，相比去年增加了700多人，这与deep learning的异军突起是不无关系的。CVPR 2015 基本是 “the year of deep learning”，有大概70%的文章是关于deep learning的。大会请来了2位 keynote speakers: 计算机学家 Yann LuCun (NYU， Facebook) 和 心理学家、神经学家 Jack Gallan (Berkeley)。 Yann是公认的 Convolutional Neural Network (CNN) 之父，而Jack是为数不多的神经学领域看好deep learning的科学家，他用实验显示了ConvNets不同层和 visual cortex (视觉皮层) 不同层 它们之间的相关性。
显然，deep learning在工程和科学领域都引起了不小的轰动，不过既然CVPR是一个工程领域会议，我们就先聊聊deep learning在工程领域过去2年的进展。
AlexNet和VGG-Net也成为约定俗成的术语
在过去的十年里，SVM，SIFT，HOG 已成为计算机视觉学者人人皆知的名词，每个计算机视觉学者直接把它们当作专有名词写进文章，而不需要加以解释，甚至到后来也不用注明出处。今年的 CVPR, 由于过去2年 deep learning 在 computer vision 的很多问题上取得了state-of-the-art 的结果，使得这2种 deep architectures: AlexNet & VGG-Net, 成为一个约定俗成的专有名词，大家开始在文中广泛的使用它们，就如大家以前广泛使用 HOG，SVM一样。
AlexNet和VGG-Net 的起源与network结构
AlexNet 是一种典型的 convolutional neural network，它由5层 convolutional layer，2层 fully connected layer，和最后一层 label layer (1000个node, 每个node代表ImageNet中的一个类别) 组成。2012年，deep learning的大牛教授 Geoffrey Hinton (University of Toronto, Google) 的学生Alex Krizhevsky 设计了一个8层的CNN，并把它用于ImageNet的image classification，直接把当时最好算法的错误率差不多减半。这引起了computer vision community 的强烈关注。这篇文章的出现也是 deep learning 开始被 computer vision community 接受的关键转折点。如是后来大家把这个8层的CNN命名为AlexNet。
VGG-Net同样也是一种CNN，它来自 Andrew Zisserman 教授的组 (Oxford)，VGG-Net 在2014年的 ILSVRC localization and classification 两个问题上分别取得了第一名和第二名，VGG-Net不同于AlexNet的地方是：VGG-Net使用更多的层，通常有16－19层，而AlexNet只有8层。另外一个不同的地方是：VGG-Net的所有 convolutional layer 使用同样大小的 convolutional filter，大小为 3 x 3。
AlexNet和VGG-Net 中的 feature
Deep learning 实际上是一种 feature engineering 的方法。不论是AlexNet还是VGG-Net，倒数第二层都可以很好的描述image全局特征，所以它们通常用来当作 input image 新的 feature，用来做 image classification（最后一层N个node的softmax层，代表了N个类别）。那么, AlexNet 和 VGG-Net 的 intermediate layer（中间层）呢？ 他们是否也可以作为特征来使用？ 答案是肯定的。 这些 intermediate convolutional layer 描述了影像的 local feature (局部特征)，而最后的几层（倒数第二、第三层） fully connected layer，描述了影像的 global feature (全局特征)。如果一个 deep architecture 只有 convolutional layer, 那么 input image 可以任意大小，可是一旦在convolutional layer 上面叠加上 fully connected layer，input image大小就需要固定了。今年CVPR有好多文章使用 convolutionally filtered intermediate layer 作为 local feature，典型的代表有 Jitendra Malik (Berkeley) 组的 Hypercolumns for Object Segmentation and Fine-grained Localization，Xiaoou Tang (CUHK) 组的 Action Recognition With Trajectory-Pooled Deep-Convolutional Descriptors。
Part 2 － deep learning在计算机视觉各个子领域的应用
deep learning 的腾飞归功于其在 image classification 上的巨大成功。2012年的 AlexNet 的分类效果遥遥领先于第二名。后来各种 deep architectures 被采用，其中有名的是 VGG-Net 和 GoogLeNet，他们比 AlexNet 使用了更多的层。其次，GoogLeNet 还使用了 multi-scale processing 的思想: 即同一层有不同scale的信息；而 AlexNet和VGG-Net 的同一层来自于使用固定大小的 convolutional template 卷积和设定大小的pooling窗口pooling得到的，因此只有一个scale的信息。
Image Segmentation (图像分割）
传统的影像分割叫做 semantic image segmentation，就是要给每个pixel一个类别。一个算法可以无限的精确，也就是它可以让每个pixel的类别都和ground truth一致。可是，这样的算法的问题是：如果我要问影像中有多少个 objects，每个 object 覆盖了哪些pixels，这个算法是不知道的。为了解决这个问题，Jitendra Malik 组在2014年的ECCV发表了一篇文章：Simultaneous Detection and Segmentation (SDS)，用于检测一个类别的所有的 objects，并确定每个 object 覆盖了哪些pixels。今年 Jitendra Malik 组又提出了 Hypercolumn Object Segmentation 算法，它比SDS拥有更好的精度。（注：hypercolumn是借用神经学中的概念，它用来描述那些对不同 orientation & frequency edge 敏感的v1神经元）。不论SDS还是hypercolumn，它们都使用了 CNN features。然而 SDS 仅仅用了 fully connected layer 特征，也就是图像的全局特征。仅使用全局特征有明显的缺陷，因为 object boundary 的准确定位需要更低层的特征。而 hypercolumn 同时考虑了低层特征和全局特征，使得 object segmentation 更加的准确。在hypercolumn出现之前，也就是2013年，Yann LeCun的组发表的 Learning Hierarchical Features for Scene Labeling 这篇文章，里面使用了 multi-scale 的思想来同时考虑低层和高层的特征进行pixel-wise的分类。补充一点：SDS和hypercolumn的第一步都是基于R-CNN (Region CNN) 的，R-CNN是目前 object bounding box detection 最流行的算法， 它的思想很优美，首先使用 selective search （2013年由荷兰的阿么斯特丹大学的 Jasper R. R. Uijlings 等提出）得到一系列的 object proposal, 然后通过CNN对这些 object proposal 分类。
如果回到 semantic image segmentation，也就是不需要知道每个类别有多少个 object，以及每object 覆盖了哪些 pixels，那么最好的方法是 UCLA & Google 提出的算法: Sementic Image Segmentation with Deep Convolutional Nets and Fully Connected CRFs。它同样是基于CNN提取feature，然后用 CRF 来进行分类。这篇文章代表了一类典型的模式：deep learning + X. 简单来讲，因为deep learning有很强的特征提取能力，那么第一步先用 deep learning 提取feature，接下来就能用常规的 machine learning 的方法来处理这些 features 了。
Depth Estimation, Normal Estimation (深度、法向量 估计）
depth和normal estimation问题，如果在有 stereo image pair 的情况下并不困难。但是否能从单张影像估计出 depth 或者 normal 呢？在有大量的 training data 和一些 constraints 下（比如vanishing points, orthogonal surfaces...)，也是可行的。 2014年 Rob Fergus 的学生，就把 depth 和 normal estimation 看作一个 regression 问题，然后使用强大的高度非线性 regressor (CNN) 来做 end-to-end 的 training, 也就是从 image 到 depth normal 的 training (参考原文： Depth map prediction from a single image using a multi-scale deep network)。文中使用了 multi-scale deep network，coarse scale 能根据整个场景得到全局的depth map，这个 overall depth map 和原始的影像，一起 feed 到 fine scale 的CNN 中。总之，使用了deep architecture 后，depth normal estimation 就是个简单的 regression 问题了，而且数据越多越好。今年的 CVPR，CMU 的教授 Abhinav Gupta 组也做了从单张影像估计 normal 的工作。他们的大致思想一致，只是把 normal estimation 离散化了，变成了一个 classification 问题。同样，文章中使用了两个 deep nets: coarse & fine (原文：Designing Deep Networks for Surface Normal Estimation)。
3D Modeling
前面我们谈了 deep learning 在 2D image 和 2.5D depth 中的应用。那么，deep learning 是否可以用到3D模型中呢？Princeton的 Jianxiong Xiao 教授的组使用 deep belief network (DBN) 来给 3D shape 建模。居如 CNN，RNN 都是 deterministic model，而DBN是一个stochastic generative model。DBN描述了 object 和 object label 的联合概率分布 (joint distribution)。如是，当object有 missing data 的时候，DBN也可以根据联合概率分布来 sample missing data。这是 deterministic deep network 没有的性质。3D ShapeNets: A Deep Representation for Volumetric Shapes 这篇文章和早在2012年发表在CVPR上的文章 The Shape Boltzmann Machine: a Strong Model of Object Shape，有很多的相似，有兴趣的读者可以读一读，他们都用DBN来对 object 和 object label 建立概率模型 （原文：3D ShapeNets: A Deep Representation for Volumetric Shapes; The Shape Boltzmann Machine: a Strong Model of Object Shape )。
我们讲到的CNN主要用来描述信号的空间相关性（spatial correlation)。而另外一种更 deep 的architecture – recurrent neural network (RNN)，则可以用来 model temporal sequences (理论上可以无限深）。RNN 在 language translation, image captioning, activity recognition (video) 中有大量的应用。RNN，LSTM (long-short term memory) 将是我们下一篇要介绍的内容。
英文原文：Deep down the rabbit hole: CVPR 2015 and beyond（译者/刘帝伟 审校/刘翔宇、朱正贵 责编/周建丁）
译者简介： 刘帝伟，中南大学软件学院在读研究生，关注机器学习、数据挖掘及生物信息领域
来自：http://www.csdn.net/article/2015-08-06/2825395
【编者按】CVPR可谓计算机视觉领域的奥运会，这是vision.ai的Co-Founder，前MIT研究人员T. Malisiewicz针对CVPR'15尤其是Deep Learning的综述文章，谈到了ConvNet的Baseline，Caffe和Torch之间的分歧，ArXiv论文热，以及百度的ImageNet违规事件等。原文标题为：Deep down the rabbit hole: CVPR 2015 and beyond。
CVPR是主要的计算机视觉会议，可以把它看作是计算机视觉研究的奥林匹克。今年，CVPR将在我的后院举行，离可爱的剑桥不到一英里。我很多麻麻省理工的同事都参加了，如果Google在这次CVPR 2015上有着有最好的表现，我也不会感到惊讶。从2004年开始，我几乎参加了每年的CVPR，那么，让我们来一场计算机视觉研究世界新而短暂的精彩旅行吧。
灰白阴影下的兔子洞艺术
多年来，发生了很多变化，但本质上还是没变。学者曾经是最顶端的，捍卫他们自己的大学以及发生在他们非商业研究实验室的令人惊叹的事情。如今，学者仍然处于顶端，但是现在维护的是他们的Google、Facebook、Amazon以及 X 公司的某个附属子公司。随着招聘的最佳预算和以出版为导向的沉重企业文化，如果接下来连续几年的大量学术外流，我也不会感到惊讶。由于CVPR只有两周，因此Google一直在忙于制作ConvNet（卷积神经网络）艺术，同时向世界展示了如果你想做最好的深度学习研究，他们就是（合适的）王国。
仅仅是博士生和博士后的部队并不能打败软件工程师和科学研究者部队。在以前，学生在获得计算机视觉的博士后之后通常会选择离开学校（通常会受到一些视觉研究工作和华尔街的工作的诱惑）。现在，之前的博士生在大公司运作研究实验室已经紧锣密鼓的进入我们的视野。似乎还没有足够的深度专家来填补这个大需求。
数据集通常是一件大事——请下载我们的数据！数据集依旧是件大事——但是我们抱歉告诉你，你所在大学的计算资源达不到要求（但幸运的是，我们 X 公司总在招聘，所以来加入我们吧，让我们一起推动研究的向前发展）。
如果你想要查看个人文献，我建议Andrej Karpathy的 CVPR 2015文献在线导航工具或者看看在计算机视觉基础网站上的CVPR 2015文献 。还有就是一个麻省理工学院的博士候选人Zoya Bylinskii，也列出了一些有趣的CVPR 2015 的文献。
ConvNet革命：一个网络预训练
机器学习过去是女王，现在是国王。机器学习过去是浅显的，但如今的学习方法如此之深，以致于图表在单个滑动下很难拟合。研究生过去常常避开了关于Yann LeCun的笑话，Yann LeCun坚持认为机器学习在将来的某一天会做特征设计阶段的工作。现在似乎是这种情况，当你坚持认为“手工特征设计”将省掉一天时间的时候，整个视觉社区都会忽略你。Yann LeCun做了一个主题报告，并给了它一个有趣的标题：“深度学习怎么了？”，这表明了卷积神经网络（也叫CNNs或ConvNets）存在于CVPR的任何角落。
图来自Karpathy的卷积神经网络教程
过去在CVPR很难发表ConvNet（卷积神经网络）研究论文，而现在如果你没有对ConvNet做一个基本的比较的话，很难得到一篇CVPR文献。得到一个很酷的新问题了么？哦，你没有试一下基于ConvNet的基本方法么？很好，这说明为什么没人关心了。
尽管如此，但这并不是机器接管了视觉科学家的工作。如今的视觉科学家更是一个应用型机器学习黑客，而且由于强大的CNN主题，理解和重新实现如今的视觉系统变得更加容易。我们在CVPR上看到的在本质上是一个类似分割和运动的经典问题的回访，只是使用的是这种新的机器方法。正如Samson Timoner在本地Boston Vision Meetup网站上概括的那样，当互信息变得流行，社区也随之变得时尚——这次围绕的是ConvNets。但这不仅是一种趋势，非CNN（卷积神经网络）的竞争正在被摧毁。
来自Bharath HariharanCVPR 2015的文章-在切割上使用卷积神经网络
还有很多事情等着视觉科学家去做，一个扎实的数学上的正式教育比其他任何都要重要。我们过去是使用梯度下降来训练，现在也是如此。就好比我们过去喝咖啡，现在也喝咖啡一样。其本质上，其实还是数学。
内心深处的兔子洞
CVPR2015让人想起了物理学上牛顿之前的日子。许多聪明的科学家能够使用数学来预测物体的运动，曾经聪明的笛卡尔教会我们如何将我们的物理思维考虑到坐标系统中。非常清楚的是：通过卷积神经网络语言来铸造你的计算机视觉问题，你将打败所有用手做计算机视觉的人。我认为Yann LeCun（深度学习之父其中之一）就是一个现代的笛卡尔，只是因为我认为开创性的工作是指日可待。他的ConvNets思想框架就像是一个必备的坐标系统——我们可能不知道目的地像什么，但我们现在知道如何来绘制一张地图。
深度网络每个月都表现的很出色，但我仍然等待着艾萨克（牛顿）的到来，让我们的生活更轻松。我想要一个简化，但我并不悲观——一个很好的原因就是会有一系列的ConvNet空间活动（以防你没能参加CVPR 2015），所以我直言不讳：ConvNets这该死的工作！其实我只想要深度学习的F=ma公式。
计算机视觉的开源深度学习：Torch VS Caffe
CVPR2015开始的第一天是一些优秀的软件教程。外面有许多优秀的非-α深度学习软件，并且让每个人的生活变得容易。在CVPR上，我们既有Torch教程也有Caffe教程。我参加了DIY深度学习的教程，这是一个充满Caffe的屋子——在会议开始的5分钟前，站在房子里的参会人员只有像我这样的懒虫。相比之下，Caffe是更受欢迎的，但对于Torch，当谈及到一些深度学习的权威人员时（如+Andrej Karpathy和其他深度思维科学家），一些特定的专家小组似乎从Caffe转移到了Torch。
Caffe是在Berkeley发展起来的，有一些充满活力的社区，与Python结合并且在大学生中似乎相当流行。Trevor Darrell教授甚至找了一些博士后来帮助Caffe发展。如果我再年轻几岁并且刚获得博士学位，那么我一定会申请的。
Torch并没有跟随Python的潮流，它是基于Lua的。对于解释器没有必要像Matlab或者Python那样，Lua会给你神奇的控制台。Torch被Facebook人工智能研究实验室和位于伦敦的谷歌DeepMind大量使用。对于那些害怕类似于Lua这样新语言的人，在此不用担心——如果你已经涉足Python，JavaScript或者Matlab的话，那么你会感到Lua语言学起来特别“轻松”。
现在，越来越清晰的是：深度学习的未来主要是来自像Caffe或Torch那样有自给自足的软件包，而不是像OpenCV或Matlab那样的处在生死边缘上的全能工具。当你在OpenCV上分享创作，你最终会分享源代码，但有了深度学习工具包，你最终提供的是你的网络预训练。对于你的计算机视觉管道，你不必再考虑20个“小”算法的组合——你只要考虑你想要的流行网络架构，然后就是数据集。如果你有GPU和庞大的数据，你可以做完整的端到端的训练。如果你的小数据集或者中等数据集，你可以微调最后几层。你甚至可以在最后一层训的顶部训练一个线性分类器，如果你怕麻烦——那么你要做的只是超越SIFT（尺度不变特征变换算法），HOG（方向梯度直方图 ），GIST(通用搜索树)以及所有在计算机视觉过去二十年里庆祝的算法。
在CVPR 2015上使用ConvNets的方式，使我感觉到我们正在接近某个大的东西。但是在我们捡到黄金之前，ConvNets仍然像是一个微积分的影子，只是“希望”会得到更大，更深层次的东西和更有意义的事。我认为，对于ConvNets的调查可视化算法的研究表明，即使网络建筑师也不能完全确定幕后发生的事情。
嵌入大脑的视频游戏引擎：面向机器智能的不同路径
在CVPR 2015会议的最后一天的现场分析研讨会上，Josh Tenenbaum 给嵌入大脑的视频游戏引擎赋予了一个诱人的讨论标题。你可以在一篇短篇《科学美国人》文章中读到他观点的概括。尽管他的说话风格看起来似乎不符合CVPR的标准，但它却是典型的Tenenbaum。在他的世界里，没有基准可以超越，没有曲线可以拟合阴影，如果你让我把LeCun和笛卡尔作比较，那么LeCun在某种意义上算是教授吧。Tenenbaum可能是现代的亚里士多德。正如Jianxiong Xiao教授全面的介绍Josh那样，他或许是对的——这是你能找到的最聪明的扬声器之一。它在一秒内能说100个单词，你会觉得你的大脑在放大你听到的。
Josh的一个主要研究主题是基于图像识别阴影的超越。Josh的所有的工作都是关于在这个世界上建立思维模型，而他的工作确实可以被看作是综合分析。在他模型的内部主要是一些类似于视频游戏引擎的东西，而他展示了许多令人信服的相关实例，这些实例对于人类来说很是方便，但对于今天数据驱动的ConvNets而言，几乎是不可能的。在这个夏天，如果他的学生在谷歌DeepMind工作，那么也不必感到惊讶。
几年前，概率图模型（图论和概率方法的合并）那是风靡一时。Josh给了我们概率编程的味道，虽然我们还没有看到新的方法来主导计算机视觉研究世界，但请睁大你的眼睛。他提到了一篇最近发表在Nature上的文章（下面引用的），来自另一个受人尊敬的机器智能研究，这应该会引领潮流兴奋相当长一段时日。请看看下面Julia代码中尾部的一部分：
Probabilistic machine learning and artificial intelligence.Zoubin Ghahramani. Nature 521, 452–459 (28 May 2015) doi:10.1038/nature14541
下面来看一看一些教授。Tenenbaum的想法正在行动中，看看下面的这篇CVPR 2015的文章，标题为：一种面向场景感知的概率编程语言。恭喜Tejas D. Kulkarni，第一作者，一个MIT的学生，因为这个令人兴奋的新作而获得最佳论文荣誉奖。有了谷歌DeepMind，你会有一个有趣的夏天。
Picture: A Probabilistic Programming Language for Scene Perception
深度场景CNNs物体检测器
在现场分析研讨会上有着大量的好的演讲报告，在另一次演讲中，真正突出的是一个新的大型数据集（麻省理工学院的地方）和当你使用场景与物体来训练发生什么时的一个彻底调查。
来自于麻省理工学院的Antonio Torralba做了一个关于地点数据库的讨论，以及当你做以物体为中心的数据库（如ImageNet）与以场景为重的数据库（如麻省理工学院的地点）训练时能学到什么的一个深层分析。你可以查看“目标探测器浮现”幻灯片或arXiv论文来学习更多的指示。这些都来自即将到来的研究员Bolei Zhou的出色工作！
CVPR无意之事：ArXiv出版狂热 & 百度惨败
从长远来看，最近快速推到ArXiv.org的预印本热潮对学者和商业研究者老说贡献都很大。当你有大量的专家以最快的速度探索思想，然后等待6个月直到下一次回忆的最后截止日期，这样是没有意义的。唯一的缺点就是，它使新发布的CVPR论文过时了。这就像在ArXiv发布文章的那一天每个人都已经详细精读了这个好东西。但你得到了你的“想法主张”而不用担心一个不适当的评审影响你。双盲评审，将准备进行一个深度改造。我们现在知道谁在做什么，特别是在发表时间之前。对于学生，发布或退稿仅仅得到的是一个结果。ARxIV狂热是一件好事还是坏事取决于你，可能更多的是你的资历比其它什么都重要。在接下来的日子里，CV的各种声音，肯定会越来越响，并会持续如此。
外行人仅仅是阅读人工智能标题的话，百度作弊丑闻似乎是个大新闻，但在计算机视觉上，在测试集上的过拟合并不是一件新颖的事情。这篇论文最后被驳回了，研究生通常多次在测试集上评估他们的算法，而真相就是人无完人。当它对#1很重要的时候，不要对你的比较变得不合适而感到惊讶。重要的是意识到地面破碎研究和小百分比追逐的不同。我们都会犯错，在重大的压力下，我们都会表现出自己的弱点。所以，让我们一笑置之，坦然面对吧。让我们招聘最好的，鼓励真正伟大的研究并且停止追逐百分比。事实上，很多的顶级性能方法都是相似的。
总结
CVPR的参会者在持续的增加。我们现在有博士生，创业者，教授。招聘人员，大公司，甚至是来学生，来展示自己的成果。CVPR会成为新的SIGGRAPH（美国计算机协会）么？
来自Changbo Hu绘制的CVPR参会者图片
ConvNets留在了这里，但是如果我们想要让ConvNets能超越阴影的计算，那么还有大量的工作需要完成。Geoff Hinton的capsules在深夜的讨论中不断出现。“我想使用神经元组来取代非结构化层，我称之为‘capsules’，它更像一个皮层柱”——Geoff Hinton的新闻网站AMA。很多人（像来自CMU的Abhinav Gupta教授）也在讨论非监督学习CNN（卷积神经网络）的训练，我预测，在明年的CVPR中，从没有注释的视频学习大型卷积神经网络应该是一个大的方向。
最重要的是，当深度学习的巨头去提他们最喜欢的方法有错误时，我只期待有最好的研究也会随之而来。快乐的计算吧，并记住，永远不要停止学习。
英文原文：Deep down the rabbit hole: CVPR 2015 and beyond（译者/刘帝伟 审校/刘翔宇、朱正贵 责编/周建丁）