干貨：深度學(xué)習(xí) vs 機(jī)器學(xué)習(xí) vs 模式識(shí)別三種技術(shù)對(duì)比

【編者按】本文來(lái)自CMU的博士，MIT的博士后，vision.ai的聯(lián)合創(chuàng)始人Tomasz Malisiewicz的個(gè)人博客文章，閱讀本文，你可以更好的理解計(jì)算機(jī)視覺(jué)是怎么一回事，同時(shí)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)是如何隨著時(shí)間緩慢發(fā)展的也有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。

以下為正文：

本文我們來(lái)關(guān)注下三個(gè)非常相關(guān)的概念（深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別），以及他們與2015年最熱門的科技主題（機(jī)器人和人工智能）的聯(lián)系。

圖1 人工智能并非將人放入一臺(tái)計(jì)算機(jī)中（圖片來(lái)源于 WorkFusion 的博客）

環(huán)繞四周，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不缺乏一些初創(chuàng)的高科技公司招聘機(jī)器學(xué)習(xí)專家的崗位。而其中只有一小部分需要深度學(xué)習(xí)專家。我敢打賭，大多數(shù)初創(chuàng)公司都可以從最基本的數(shù)據(jù)分析中獲益。那如何才能發(fā)現(xiàn)未來(lái)的數(shù)據(jù)科學(xué)家？你需要學(xué)習(xí)他們的思考方式。

三個(gè)與“學(xué)習(xí)”高度相關(guān)的流行詞匯

模式識(shí)別（Pattern recogniTIon）、機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learning）和深度學(xué)習(xí)（deep learning）代表三種不同的思想流派。模式識(shí)別是最古老的（作為一個(gè)術(shù)語(yǔ)而言，可以說(shuō)是很過(guò)時(shí)的）。機(jī)器學(xué)習(xí)是最基礎(chǔ)的（當(dāng)下初創(chuàng)公司和研究實(shí)驗(yàn)室的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一）。而深度學(xué)習(xí)是非常嶄新和有影響力的前沿領(lǐng)域，我們甚至不會(huì)去思考后深度學(xué)習(xí)時(shí)代。我們可以看下圖所示的谷歌趨勢(shì)圖。可以看到：

1）機(jī)器學(xué)習(xí)就像是一個(gè)真正的冠軍一樣持續(xù)昂首而上；

2）模式識(shí)別一開(kāi)始主要是作為機(jī)器學(xué)習(xí)的代名詞；

3）模式識(shí)別正在慢慢沒(méi)落和消亡；

4）深度學(xué)習(xí)是個(gè)嶄新的和快速攀升的領(lǐng)域。

2004年至今三個(gè)概念的谷歌搜索指數(shù)（圖來(lái)源于 谷歌趨勢(shì) ）

1. 模式識(shí)別：智能程序的誕生

模式識(shí)別是70年代和80年代非常流行的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。它強(qiáng)調(diào)的是如何讓一個(gè)計(jì)算機(jī)程序去做一些看起來(lái)很“智能”的事情，例如識(shí)別“3”這個(gè)數(shù)字。而且在融入了很多的智慧和直覺(jué)后，人們也的確構(gòu)建了這樣的一個(gè)程序。例如，區(qū)分“3”和“B”或者“3”和“8”。早在以前，大家也不會(huì)去關(guān)心你是怎么實(shí)現(xiàn)的，只要這個(gè)機(jī)器不是由人躲在盒子里面?zhèn)窝b的就好（圖2）。不過(guò)，如果你的算法對(duì)圖像應(yīng)用了一些像濾波器、邊緣檢測(cè)和形態(tài)學(xué)處理等等高大上的技術(shù)后，模式識(shí)別社區(qū)肯定就會(huì)對(duì)它感興趣。光學(xué)字符識(shí)別就是從這個(gè)社區(qū)誕生的。因此，把模式識(shí)別稱為70年代，80年代和90年代初的“智能”信號(hào)處理是合適的。決策樹(shù)、啟發(fā)式和二次判別分析等全部誕生于這個(gè)時(shí)代。而且，在這個(gè)時(shí)代，模式識(shí)別也成為了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的小伙伴搞的東西，而不是電子工程。從這個(gè)時(shí)代誕生的模式識(shí)別領(lǐng)域最著名的書(shū)之一是由Duda Hart執(zhí)筆的“模式識(shí)別（Pattern ClassificaTIon）”。對(duì)基礎(chǔ)的研究者來(lái)說(shuō)，仍然是一本不錯(cuò)的入門教材。不過(guò)對(duì)于里面的一些詞匯就不要太糾結(jié)了，因?yàn)檫@本書(shū)已經(jīng)有一定的年代了，詞匯會(huì)有點(diǎn)過(guò)時(shí)。

圖2 一個(gè)字符“3”的圖像被劃分為16個(gè)子塊。

自定義規(guī)則、自定義決策，以及自定義“智能”程序在這個(gè)任務(wù)上，曾經(jīng)都風(fēng)靡一時(shí)（更多信息，可以查看這個(gè) OCR 網(wǎng)頁(yè)）

小測(cè)試：計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域最著名的會(huì)議叫CVPR，這個(gè)PR就是模式識(shí)別。你能猜出第一屆CVPR會(huì)議是哪年召開(kāi)的嗎？

2. 機(jī)器學(xué)習(xí)：從樣本中學(xué)習(xí)的智能程序

在90年代初，人們開(kāi)始意識(shí)到一種可以更有效地構(gòu)建模式識(shí)別算法的方法，那就是用數(shù)據(jù)（可以通過(guò)廉價(jià)勞動(dòng)力采集獲得）去替換專家（具有很多圖像方面知識(shí)的人）。因此，我們搜集大量的人臉和非人臉圖像，再選擇一個(gè)算法，然后沖著咖啡、曬著太陽(yáng)，等著計(jì)算機(jī)完成對(duì)這些圖像的學(xué)習(xí)。這就是機(jī)器學(xué)習(xí)的思想。“機(jī)器學(xué)習(xí)”強(qiáng)調(diào)的是，在給計(jì)算機(jī)程序（或者機(jī)器）輸入一些數(shù)據(jù)后，它必須做一些事情，那就是學(xué)習(xí)這些數(shù)據(jù)，而這個(gè)學(xué)習(xí)的步驟是明確的。相信我，就算計(jì)算機(jī)完成學(xué)習(xí)要耗上一天的時(shí)間，也會(huì)比你邀請(qǐng)你的研究伙伴來(lái)到你家然后專門手工得為這個(gè)任務(wù)設(shè)計(jì)一些分類規(guī)則要好。

圖3 典型的機(jī)器學(xué)習(xí)流程（圖來(lái)源于 Natalia KonstanTInova 博士的博客）。

在21世紀(jì)中期，機(jī)器學(xué)習(xí)成為了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們開(kāi)始將這些想法應(yīng)用到更大范圍的問(wèn)題上，不再限于識(shí)別字符、識(shí)別貓和狗或者識(shí)別圖像中的某個(gè)目標(biāo)等等這些問(wèn)題。研究人員開(kāi)始將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用到機(jī)器人（強(qiáng)化學(xué)習(xí)，操控，行動(dòng)規(guī)劃，抓?。⒒驍?shù)據(jù)的分析和金融市場(chǎng)的預(yù)測(cè)中。另外，機(jī)器學(xué)習(xí)與圖論的聯(lián)姻也成就了一個(gè)新的課題---圖模型。每一個(gè)機(jī)器人專家都“無(wú)奈地”成為了機(jī)器學(xué)習(xí)專家，同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)也迅速成為了眾人渴望的必備技能之一。然而，“機(jī)器學(xué)習(xí)”這個(gè)概念對(duì)底層算法只字未提。我們已經(jīng)看到凸優(yōu)化、核方法、支持向量機(jī)和BoosTIng算法等都有各自輝煌的時(shí)期。再加上一些人工設(shè)計(jì)的特征，那在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，我們就有了很多的方法，很多不同的思想流派，然而，對(duì)于一個(gè)新人來(lái)說(shuō)，對(duì)特征和算法的選擇依然一頭霧水，沒(méi)有清晰的指導(dǎo)原則。但，值得慶幸的是，這一切即將改變……

延伸閱讀：要了解更多關(guān)于計(jì)算機(jī)視覺(jué)特征的知識(shí)，可以看看原作者之前的博客文章：“ 從特征描述子到深度學(xué)習(xí)：計(jì)算機(jī)視覺(jué)的20年 ”。

3. 深度學(xué)習(xí)：一統(tǒng)江湖的架構(gòu)

快進(jìn)到今天，我們看到的是一個(gè)奪人眼球的技術(shù)---深度學(xué)習(xí)。而在深度學(xué)習(xí)的模型中，受寵愛(ài)最多的就是被用在大規(guī)模圖像識(shí)別任務(wù)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Nets，CNN），簡(jiǎn)稱ConvNets。

圖4 ConvNet框架（圖來(lái)源于 Torch的教程）

深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)的是你使用的模型（例如深度卷積多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），模型中的參數(shù)通過(guò)從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)獲得。然而，深度學(xué)習(xí)也帶來(lái)了一些其他需要考慮的問(wèn)題。因?yàn)槟忝鎸?duì)的是一個(gè)高維的模型（即龐大的網(wǎng)絡(luò)），所以你需要大量的數(shù)據(jù)（大數(shù)據(jù)）和強(qiáng)大的運(yùn)算能力（圖形處理器，GPU）才能優(yōu)化這個(gè)模型。卷積被廣泛用于深度學(xué)習(xí)（尤其是計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用中），而且它的架構(gòu)往往都是非淺層的。

如果你要學(xué)習(xí)Deep Learning，那就得先復(fù)習(xí)下一些線性代數(shù)的基本知識(shí)，當(dāng)然了，也得有編程基礎(chǔ)。我強(qiáng)烈推薦Andrej Karpathy的博文：“ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黑客指南 ”。另外，作為學(xué)習(xí)的開(kāi)端，可以選擇一個(gè)不用卷積操作的應(yīng)用問(wèn)題，然后自己實(shí)現(xiàn)基于CPU的反向傳播算法。

對(duì)于深度學(xué)習(xí)，還存在很多沒(méi)有解決的問(wèn)題。既沒(méi)有完整的關(guān)于深度學(xué)習(xí)有效性的理論，也沒(méi)有任何一本能超越機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的指南或者書(shū)。另外，深度學(xué)習(xí)不是萬(wàn)能的，它有足夠的理由能日益流行，但始終無(wú)法接管整個(gè)世界。不過(guò)，只要你不斷增加你的機(jī)器學(xué)習(xí)技能，你的飯碗無(wú)憂。但也不要對(duì)深度框架過(guò)于崇拜，不要害怕對(duì)這些框架進(jìn)行裁剪和調(diào)整，以得到和你的學(xué)習(xí)算法能協(xié)同工作的軟件框架。未來(lái)的Linux內(nèi)核也許會(huì)在Caffe（一個(gè)非常流行的深度學(xué)習(xí)框架）上運(yùn)行，然而，偉大的產(chǎn)品總是需要偉大的愿景、領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)、市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，和最重要的：人類的創(chuàng)造力。

其他相關(guān)術(shù)語(yǔ)

1）大數(shù)據(jù)（Big-data）：大數(shù)據(jù)是個(gè)豐富的概念，例如包含大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)中隱含信息的挖掘等。對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)來(lái)說(shuō)，大數(shù)據(jù)往往可以給出一些決策的建議。對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)算法而言，它與大數(shù)據(jù)的結(jié)合在早幾年已經(jīng)出現(xiàn)。研究人員甚至任何一個(gè)日常開(kāi)發(fā)人員都可以接觸到云計(jì)算、GPU、DevOps和PaaS等等這些服務(wù)。

2）人工智能（Artificial Intelligence）：人工智能應(yīng)該是一個(gè)最老的術(shù)語(yǔ)了，同時(shí)也是最含糊的。它在過(guò)去50年里經(jīng)歷了幾度興衰。當(dāng)你遇到一個(gè)說(shuō)自己是做人工智能的人，你可以有兩種選擇：要么擺個(gè)嘲笑的表情，要么抽出一張紙，記錄下他所說(shuō)的一切。

延伸閱讀：原作者2011的博客：“ 計(jì)算機(jī)視覺(jué)當(dāng)屬人工智能 ”。

結(jié)論

關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)的討論在此停留（不要單純的認(rèn)為它是深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)或者模式識(shí)別中的一個(gè)，這三者只是強(qiáng)調(diào)的東西有所不同），然而，研究會(huì)繼續(xù)，探索會(huì)繼續(xù)。我們會(huì)繼續(xù)構(gòu)建更智能的軟件，我們的算法也將繼續(xù)學(xué)習(xí)，但我們只會(huì)開(kāi)始探索那些能真正一統(tǒng)江湖的框架。

如果你也對(duì)深度學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)視覺(jué)應(yīng)用感興趣，特別是那些適合機(jī)器人和家居智能化的應(yīng)用，歡迎來(lái)我們的網(wǎng)站 vision.ai 交流。希望未來(lái)，我能說(shuō)的再多一點(diǎn)……

作者簡(jiǎn)介：Tomasz Malisiewicz，CMU的博士，MIT的博士后，vision.ai的聯(lián)合創(chuàng)始人。關(guān)注計(jì)算機(jī)視覺(jué)，在這個(gè)領(lǐng)域也做了大量的工作。另外，他的博客也富含信息量和價(jià)值，感興趣的可以瀏覽他個(gè)人主頁(yè)和博客。