深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)模型

區(qū)別于傳統(tǒng)的淺層學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)的不同在于：

(1)強調(diào)了模型結(jié)構(gòu)的深度，通常有5層、6層，甚至10多層的隱層節(jié)點；

(2)明確了特征學(xué)習(xí)的重要性。也就是說，通過逐層特征變換，將樣本在原空間的特征表示變換到一個新特征空間，從而使分類或預(yù)測更容易。與人工規(guī)則構(gòu)造特征的方法相比，利用大數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)特征，更能夠刻畫數(shù)據(jù)豐富的內(nèi)在信息。  

通過設(shè)計建立適量的神經(jīng)元計算節(jié)點和多層運算層次結(jié)構(gòu)，選擇合適的輸人層和輸出層，通過網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和調(diào)優(yōu)，建立起從輸入到輸出的函數(shù)關(guān)系，雖然不能100%找到輸入與輸出的函數(shù)關(guān)系，但是可以盡可能地逼近現(xiàn)實的關(guān)聯(lián)關(guān)系。使用訓(xùn)練成功的網(wǎng)絡(luò)模型，就可以實現(xiàn)我們對復(fù)雜事務(wù)處理的自動化要求。  

典型的深度學(xué)習(xí)模型有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( convolutional neural network)、DBN和堆棧自編碼網(wǎng)絡(luò)(stacked auto-encoder network)模型等，下面對這些模型進行描述。 

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

在無監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練出現(xiàn)之前，訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常非常困難，而其中一個特例是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)啟發(fā)而產(chǎn)生。第一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型是在Fukushima的神經(jīng)認知機中提出的，基于神經(jīng)元之間的局部連接和分層組織圖像轉(zhuǎn)換，將有相同參數(shù)的神經(jīng)元應(yīng)用于前一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不同位置，得到一種平移不變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。后來，Le Cun等人在該思想的基礎(chǔ)上，用誤差梯度設(shè)計并訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在一些模式識別任務(wù)上得到優(yōu)越的性能。至今，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識別系統(tǒng)是最好的實現(xiàn)系統(tǒng)之一，尤其在手寫體字符識別任務(wù)上表現(xiàn)出非凡的性能。

深度信任網(wǎng)絡(luò)模型

DBN可以解釋為貝葉斯概率生成模型，由多層隨機隱變量組成，上面的兩層具有無向?qū)ΨQ連接，下面的層得到來自上一層的自頂向下的有向連接，最底層單元的狀態(tài)為可見輸入數(shù)據(jù)向量。DBN由若干2F結(jié)構(gòu)單元堆棧組成，結(jié)構(gòu)單元通常為RBM（Restricted Boltzmann Machine，受限玻爾茲曼機）。堆棧中每個RBM單元的可視層神經(jīng)元數(shù)量等于前一RBM單元的隱層神經(jīng)元數(shù)量。根據(jù)深度學(xué)習(xí)機制，采用輸入樣例訓(xùn)練第一層RBM單元，并利用其輸出訓(xùn)練第二層RBM模型，將RBM模型進行堆棧通過增加層來改善模型性能。在無監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練過程中，DBN編碼輸入到頂層RBM后，解碼頂層的狀態(tài)到最底層的單元，實現(xiàn)輸入的重構(gòu)。RBM作為DBN的結(jié)構(gòu)單元，與每一層DBN共享參數(shù)。

堆棧自編碼網(wǎng)絡(luò)模型

堆棧自編碼網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與DBN類似，由若干結(jié)構(gòu)單元堆棧組成，不同之處在于其結(jié)構(gòu)單元為自編碼模型( auto-en-coder)而不是RBM。自編碼模型是一個兩層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，第一層稱為編碼層，第二層稱為解碼層。 

2006年，Hinton提出了在非監(jiān)督數(shù)據(jù)上建立多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個有效方法，具體分為兩步：首先逐層構(gòu)建單層神經(jīng)元，這樣每次都是訓(xùn)練一個單層網(wǎng)絡(luò)；當所有層訓(xùn)練完后，使用wake-sleep算法進行調(diào)優(yōu)。

將除最頂層的其他層間的權(quán)重變?yōu)殡p向的，這樣最頂層仍然是一個單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而其他層則變?yōu)榱藞D模型。向上的權(quán)重用于“認知”，向下的權(quán)重用于“生成”。然后使用wake-sleep算法調(diào)整所有的權(quán)重。讓認知和生成達成一致，也就是保證生成的最頂層表示能夠盡可能正確地復(fù)原底層的節(jié)點。比如頂層的一個節(jié)點表示人臉，那么所有人臉的圖像應(yīng)該激活這個節(jié)點，并且這個結(jié)果向下生成的圖像應(yīng)該能夠表現(xiàn)為一個大概的人臉圖像。wake-sleep算法分為醒( wake)和睡(sleep)兩個部分。 

wake階段：認知過程，通過外界的特征和向上的權(quán)重產(chǎn)生每一層的抽象表示，并且使用梯度下降修改層間的下行權(quán)重。 

sleep階段：生成過程，通過頂層表示和向下權(quán)重，生成底層的狀態(tài)，同時修改層間向上的權(quán)重。

自下上升的非監(jiān)督學(xué)習(xí)

就是從底層開始，一層一層地往頂層訓(xùn)練。采用無標定數(shù)據(jù)（有標定數(shù)據(jù)也可）分層訓(xùn)練各層參數(shù)，這一步可以看作是一個無監(jiān)督訓(xùn)練過程，這也是和傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)別最大的部分，可以看作是特征學(xué)習(xí)過程。具體的，先用無標定數(shù)據(jù)訓(xùn)練第一層，訓(xùn)練時先學(xué)習(xí)第一層的參數(shù)，這層可以看作是得到一個使得輸出和輸入差別最小的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層，由于模型容量的限制以及稀疏性約束，使得得到的模型能夠?qū)W習(xí)到數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)，從而得到比輸入更具有表示能力的特征；在學(xué)習(xí)得到n-1層后，將n-1層的輸出作為第n層的輸入，訓(xùn)練第n層，由此分別得到各層的參數(shù)。

自上向下的監(jiān)督學(xué)習(xí)

就是通過帶標簽的數(shù)據(jù)去訓(xùn)練，誤差自頂向下傳輸，對網(wǎng)絡(luò)進行微調(diào)。基于第一步得到的各層參數(shù)進一步優(yōu)調(diào)整個多層模型的參數(shù)，這一步是一個有監(jiān)督訓(xùn)練過程。第一步類似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隨機初始化初值過程，由于第一步不是隨機初始化，而是通過學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)得到的，因而這個初值更接近全局最優(yōu)，從而能夠取得更好的效果。所以深度學(xué)習(xí)的良好效果在很大程度上歸功于第一步的特征學(xué)習(xí)的過程。

計算機視覺中比較成功的深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用，包括人臉識別、圖像問答、物體檢測、物體跟蹤。

【來源：網(wǎng)絡(luò)】



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