雷鋒網(wǎng)按：本文為 AI 研習社編譯的技術博客，原標題 6 areas of AI and machine learning to watch closely，作者為 Nathan Benaich。

翻譯 | Lamaric    校對 |  老周   整理 |  凡江

近期熱門的話題， 人們開始重新討論這一基本定義----什么是人工智能（AI）。有些人將 AI 重新命名為「認知計算」或「機器智能」，而其他人則錯誤地將 AI 與「機器學習」概念進行交換。在某種程度上，這是因為 AI 不是一種技術。它實際上是一個由許多學科組成的廣泛領域，從機器人學到機器學習。我們大多數(shù)人都認為，人工智能的終極目標是為了建造能夠完成任務和認知功能的機器，否則這些機器只能在人類的智能范圍內從事相關工作。為了實現(xiàn)這一目標，機器必須能夠自主學習這些能力，而不是讓每個功能都被端到端地明確編程。

人工智能領域在過去十年中取得了巨大進步，從自動駕駛汽車到語音識別及合成，這一點令人驚訝。在這種背景下，人工智能已經(jīng)成為越來越多公司和家庭的話題，他們不再將人工智能視為一種需要 20 年時間開發(fā)的技術，而是影響他們今天生活的東西。事實上，流行的新聞報道幾乎每天都會報道 AI 和技術巨頭，闡述他們重要的長期人工智能策略。雖然一些投資者和老牌企業(yè)都渴望了解如何在這個新世界中攫取價值，但大多數(shù)人仍在摸索著想出這一切意味著什么。與此同時，各國政府正在努力應對自動化在社會中的影響（見奧巴馬的告別演說）。 

鑒于 AI 將影響整個經(jīng)濟，而這些討論中的參與者代表了社會上觀點的整體分布、理解水平以及構建或使用 AI 系統(tǒng)的經(jīng)驗程度。因此，對人工智能的討論至關重要—包括由此產(chǎn)生的問題、結論和建議—必須以數(shù)據(jù)和現(xiàn)實為基礎，而不是猜想，這點至關重要。畢竟各種民間大V從公布的研究、科技新聞公告、投機評論和思想實驗中大肆推斷其中的含義，這太容易了（有時令人興奮！）。

尤其值得注意人工智能的六個領域在影響數(shù)字產(chǎn)品和服務的未來方面產(chǎn)生的作用。我將會闡述它們分別是什么、為什么它們很重要、它們今天如何被使用，并列出了從事這些技術的公司和研究人員的清單（并非詳盡無遺）。

1、強化學習（RL）

RL 是一種通過試錯來學習的范例，這種反復試錯受到人類學習新任務的方式啟發(fā)。在典型的 RL 設置中，智能體的任務是在數(shù)字環(huán)境中觀察其當前狀態(tài)并采取最大化其已設置的長期獎勵的累積的動作。 該智能體接收來自環(huán)境的每個動作結果的反饋，以便它知道該動作是否促進或阻礙其進展。因此，RL 的 智能體必須平衡對其環(huán)境的探索，以找到獲得獎勵的最佳策略，并利用其發(fā)現(xiàn)的最佳策略來實現(xiàn)預期目標。這種方法在 Google DeepMind 的 Atari 游戲和 Go 中（https://www.youtube.com/watch?v=Ih8EfvOzBOY）非常流行。RL 在現(xiàn)實世界中工作的一個例子是優(yōu)化能源效率以冷卻 Google 數(shù)據(jù)中心。在此項目中，RL 使得該系統(tǒng)的冷卻成本降低了 40％。在可以模擬的環(huán)境（例如視頻游戲）中使用 RL 智能體的一個重要的原生優(yōu)勢是訓練數(shù)據(jù)可以以非常低的成本生成。這與監(jiān)督式的深度學習任務形成鮮明對比，后者通常需要昂貴且難以從現(xiàn)實世界中獲取的訓練數(shù)據(jù)。

• 應用程序：多個智能體在他們自己的環(huán)境實例中學習共享模型，或者通過在同一環(huán)境中相互交互和學習，學習在迷宮或城市街道等 3D 環(huán)境中進行自動駕駛，通過學習任務目標（例如學習駕駛或賦予非玩家視頻游戲角色以類似人的行為）反向強化學習以概括觀察到的行為。

• 頂尖專業(yè)：Pieter Abbeel（OpenAI），David Silver，Nando de Freitas，Raia Hadsell，Marc Bellemare（谷歌 DeepMind），Carl Rasmussen（劍橋），Rich Sutton（阿爾伯塔大學），John Shawe-Taylor（UCL）等。

• 代表公司：Google DeepMind，Prowler.io，Osaro，MicroPSI，Maluuba / Microsoft，NVIDIA，Mobileye，OpenAI。

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2、生成模型

與用于分類或回歸任務的判別模型不同，生成模型學習訓練樣本的概率分布。通過從這種高維分布中抽樣，生成模型輸出與訓練數(shù)據(jù)類似的新例子。這意味著，例如，在面部的真實圖像上訓練的生成模型可以輸出相似面部的新合成圖像。有關這些模型如何工作的更多詳細信息，請參閱 Ian Goodfellow 的 NIPS 2016 指導手冊（https://arxiv.org/abs/1701.00160）。他引入的架構，生成對抗網(wǎng)絡（GAN），現(xiàn)在在研究領域特別熱門，因為它們?yōu)闊o監(jiān)督學習提供了一條道路。對于 GAN，有兩個神經(jīng)網(wǎng)絡：一個生成器，它將隨機噪聲作為輸入，負責合成內容（例如一個圖像），一個鑒別器，它了解了真實圖像的樣子，并負責識別生成器生成的圖像是真實的還是偽造的。對抗訓練可以被認為是一種游戲，其中生成器必須迭代地學習如何從噪聲創(chuàng)建圖像，使得鑒別器不再能夠將生成的圖像與真實的圖像區(qū)分開。該框架正在擴展到許多數(shù)據(jù)模式和任務。

應用范圍：模擬時間序列的可能未來（例如，用于強化學習中的規(guī)劃任務）；超分辨率圖像；從 2D 圖像重建 3D 結構； 從小標記數(shù)據(jù)集推廣；一個輸入可以產(chǎn)生多個正確輸出的任務（例如，預測視頻 0 中的下一幀；在會話界面中運用自然語言處理（例如機器人）；加密；當不是所有標簽都可用時運用半監(jiān)督學習；藝術風格轉移；合成音樂和聲音；圖像修復。

• 代表公司：Twitter Cortex，Adobe，Apple，Prisma，Jukedeck*，Creative.ai，Gluru*，Mapillary*，Unbabel。

• 頂尖專家：Ian Goodfellow (OpenAI)，Yann LeCun and Soumith Chintala (Facebook AI Research)，Shakir Mohamed and A?ron van den Oord (Google DeepMind)，Alyosha Efros  (Berkeley) and 其他的專家。

 

3、記憶網(wǎng)絡

為了讓 AI 系統(tǒng)像我們一樣在不同的環(huán)境中都能得到適用，他們必須能夠不斷學習新任務并記住如何在未來完成所有任務。然而，傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡通常不能進行這種連續(xù)的任務學習。這個缺點被稱為災難性遺忘。之所以出現(xiàn)這種情況，是因為當網(wǎng)絡隨后經(jīng)過訓練以解決任務 B 時，網(wǎng)絡中對于任務 A 來說很重要的權重會發(fā)生變化。

然而，有幾種強大的架構可以賦予神經(jīng)網(wǎng)絡不同程度的記憶性。這些包括能夠處理和預測時間序列的長短期記憶網(wǎng)絡（遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡的一種變體），DeepMind 的可微分神經(jīng)計算機，它結合了神經(jīng)網(wǎng)絡和記憶系統(tǒng)，以便自己學習和導航復雜的數(shù)據(jù)結構，彈性權重合并算法，根據(jù)它們對先前看到的任務的重要程度，減慢對某些權重的學習，以及學習特定任務的模型之間的橫向連接的漸進式神經(jīng)網(wǎng)絡，以從先前學習的網(wǎng)絡中為新任務提取有用的特征。

應用范圍：可以推廣到新環(huán)境的學習智能體；機器人手臂控制系統(tǒng)；自動駕駛汽車；時間序列預測（例如金融市場、視頻、物聯(lián)網(wǎng)）；      自然語言處理和下一步預測。

• 代表公司：Google DeepMind，NNaisense，SwiftKey/Microsoft Research，F(xiàn)acebook AI Research。

• 頂尖專家：Alex Graves，Raia Hadsell，Koray Kavukcuoglu（Google DeepMind），Jürgen Schmidhuber（IDSIA），Geoffrey Hinton（Google Brain/Toronto），James Weston，Sumit Chopra，Antoine Bordes（FAIR）。

 

4、從較少數(shù)據(jù)學習并構建更小的模型

深度學習模型值得注意的是需要大量的訓練數(shù)據(jù)才能達到最先進的性能。例如，ImageNet 大規(guī)模視覺識別挑戰(zhàn)賽中，每支隊伍需要挑戰(zhàn)他們的圖像識別模型，包含 120 萬個手工標記 1000 個對象類別的訓練圖像。如果沒有大規(guī)模的訓練數(shù)據(jù)，深度學習模型將無法收斂于其最佳設置，并且在語音識別或機器翻譯等復雜任務上表現(xiàn)不佳。只有當單個神經(jīng)網(wǎng)絡用于端到端解決問題時，此數(shù)據(jù)要求才會增長；也就是說，將語音的原始錄音作為輸入并輸出語音的文本轉錄。這與使用多個網(wǎng)絡形成對比，每個網(wǎng)絡各自提供中間表示（例如，原始語音音頻輸入→音位→單詞→文本轉錄輸出；或來自直接映射到轉向命令的相機的原始圖像）。如果我們希望 AI 系統(tǒng)能夠解決訓練數(shù)據(jù)特別具有挑戰(zhàn)性、成本高、敏感或耗時的任務，那么開發(fā)能夠從較少的樣本（即一次或零次學習）學習最佳解決方案的模型非常重要。在對小型數(shù)據(jù)集進行培訓時，難點包括過度擬合，處理異常值的困難，訓練和測試之間數(shù)據(jù)分布的差異。另一種方法是通過使用統(tǒng)稱為遷移學習的過程來遷移從先前任務獲得的機器學習模型的知識來改進新任務的學習。

一個相關的問題是使用類似數(shù)量或明顯更少的參數(shù)構建具有最先進性能的較小的深度學習架構。優(yōu)點包括更高效的分布式培訓，因為數(shù)據(jù)需要在服務器之間進行通信，將新模型從云端導出到外圍設備的帶寬更少，以及部署到內存有限的硬件的可行性得到提高。

應用范圍：通過學習模擬最初訓練大型標記訓練數(shù)據(jù)的深層網(wǎng)絡的性能來訓練淺層網(wǎng)絡；具有較少參數(shù)但與深度模型具有相同性能的架構（例如 SqueezeNet）；機器翻譯。

• 代表企業(yè)：Geometric Intelligence/Uber，DeepScale.ai，Microsoft Research，Curious AI Company，Google，Bloomsbury AI。

• 頂尖專家：Zoubin Ghahramani（Cambridge），Yoshua Bengio（Montreal），Josh Tenenbaum（MIT），Brendan Lake（NYU），Oriol Vinyals（Google DeepMind），Sebastian Riedel（UCL）。

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