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多模態學習使神經網絡能夠處理和整合來自不同感知模態（如視覺、語言和聲音）的信息，在情感計算、醫療健康和高級多模態聊天機器人等應用中日益重要。盡管多模態學習具有廣闊的潛力，但仍面臨諸多挑戰，尤其是在數據效率方面。構建高質量的大規模多模態數據集的需求構成了巨大的障礙，限制了大規模多模態模型的可擴展性和可獲取性。 本論文研究了數據高效的深度多模態學習中的關鍵問題，重點關注不均衡的多模態數據選擇、多模態主動學習中的冷啟動問題，以及大型視覺-語言模型（VLMs）中的幻覺問題。 首先，我們分析了傳統主動學習策略的局限性，這些策略往往偏向于主導模態，導致模型在訓練過程中忽略較弱的模態，從而形成不平衡的多模態表示。為了解決這一問題，我們提出了一種梯度嵌入調制（gradient embedding modulation）方法，以確保數據選擇過程中對不同模態的公平性，從而提升模型對強模態和弱模態的均衡利用能力。 基于我們在熱啟動（warm-start）主動學習方面的研究，我們進一步研究了多模態主動學習中的冷啟動（cold-start）問題，即在沒有初始標注數據的情況下如何有效進行數據選擇。為此，我們提出了一種兩階段方法：

1. 多模態自監督學習：通過使用單模態原型（unimodal prototypes）來統一不同模態的表示，從而縮小模態間的表示差距。
2. 數據選擇階段：引入正則化項以最大化模態對齊度，在不增加數據量的前提下提升模型性能，相較于現有方法取得了更優結果。

在從數據選擇擴展到訓練數據利用的研究中，我們進一步探討了大型視覺-語言模型（VLMs）中的幻覺（hallucination）問題，即模型在生成內容時產生與輸入圖像上下文不符的錯誤信息。我們研究了幻覺現象與視覺依賴性（visual dependence）之間的關系，揭示了某些特定 token 對幻覺的貢獻遠高于其他 token。基于這一發現，我們提出了一種訓練權重調整策略，根據 token 的視覺依賴性來調整訓練過程中的權重分配，從而在無需額外訓練數據或推理成本的情況下有效降低幻覺率。 本論文的貢獻在于推動數據高效的多模態學習，通過優化多模態數據選擇、解決冷啟動問題，以及減少大型視覺-語言模型中的幻覺，本研究為更實用、可擴展的多模態學習系統奠定了基礎，使其在降低數據和計算成本的同時提升模型性能。

在過去幾十年里，機器學習配合經驗風險最小化已經展現了在學習和利用數據統計模式方面的巨大能力，甚至超越了人類。盡管取得了成功，但經驗風險最小化避免了對因果性的建模——理解和處理變化的方式，這對人類智能來說是基本的。當模型部署到訓練環境之外時，處處都是分布變化。例如，自動駕駛系統經常需要處理在訓練期間未曾遇到的新天氣條件；一個人工智能輔助的藥物發現系統需要預測分子對于新型病毒如2019冠狀病毒的生化特性。這使得分布外泛化問題對于傳統機器學習來說充滿挑戰。 在這篇論文中，我們探討如何在現代機器學習中的廣泛任務中納入和實現因果性。特別是，我們利用獨立因果機制原則所暗示的不變性，即，產生效果的因果機制不會相互通報或影響。因此，目標變量給定其原因的條件分布在分布變化下是不變的。有了因果不變原則，我們首先將其實例化到圖上——一種在許多真實世界工業和科學應用中無處不在的通用數據結構，如金融網絡和分子。然后，我們進一步展示學習因果性如何有利于現代機器學習的許多理想特性，如(i)分布外泛化能力；(ii)可解釋性；以及(iii)對抗性攻擊的魯棒性。 另一方面，實現機器學習中的因果性，對于傳統機器學習中的優化提出了一個難題，因為它經常與經驗風險最小化的目標相矛盾。因此，我們描述了這些矛盾如何影響特征學習和優化，并提出了新的表示學習和優化范式，適當處理優化難題。通過適當的目標和有效的因果不變學習實現方案，這篇論文搭建了邁向現代機器學習新基礎的第一步。

受到人工智能（AI）在高成本和安全關鍵應用中的潛力，以及最近人工智能在我們日常生活中日益普及的影響，可信賴的人工智能作為一個廣泛的研究領域日益受到重視，涵蓋了可解釋性、魯棒性、可驗證安全、公平性、隱私、問責等主題。這在簡單、透明的模型與復雜、黑箱模型之間造成了一種緊張關系，前者具有固有的信任相關好處，而后者在許多任務上的表現則無與倫比。為了彌補這一差距，我們提出并研究了一種對數值數據的不確定解釋，并將其應用于基于樹的模型，形成了一種新型模糊決策樹，稱為核密度決策樹（KDDTs），它具有更好的性能、增強的可信特性和更廣泛的實用性，使得這些樹可以應用于更廣泛的領域。我們將本論文的貢獻分為三大支柱。

第一支柱是魯棒性和驗證。不確定解釋通過考慮數據中的不確定性，并更一般地作為對模型表示的函數的一種正則化，可以改善模型在各種魯棒性概念方面的表現。我們展示了它在應對噪聲特征和噪聲標簽方面的魯棒性，這在現實世界數據中很常見。接下來，我們展示了如何通過隨機平滑理論有效地實現可驗證的對抗魯棒性。最后，我們討論了相關主題的驗證，并提出了第一個模糊決策樹的驗證算法。

第二支柱是可解釋性。雖然決策樹普遍被認為是可解釋的，但基于樹的模型的良好性能通常僅限于表格數據，并且需要特征工程，這增加了設計工作量，同時集成方法則大大降低了相較于單棵樹模型的可解釋性。通過利用KDDTs的高效擬合和可微性，我們提出了一種學習參數化特征變換的系統。通過選擇可解釋的特征類并應用稀疏正則化，我們可以獲得具有競爭性能的緊湊單樹模型。我們展示了其在表格數據、時間序列和簡單圖像數據上的應用。

第三支柱是務實的進展。半監督學習（SSL）是由標簽成本的高昂而驅動的，從混合的標記和未標記數據中學習。樹的半監督學習通常僅限于黑箱包裝方法，而這并不適合樹。我們提出了一種基于我們對數據的不確定解釋的新穎內在SSL方法。聯邦學習（FL）是由數據共享限制驅動的，通過通信模型從分布式數據中學習。我們引入了一種基于函數空間正則化的新FL算法，它借用了我們不確定解釋形式中的概念和方法。與先前的FL方法不同，它支持非參數模型，并在溫和的假設下具有收斂保證。最后，我們展示了我們的FL算法還提供了一種簡單的集成合并實用工具。

大型基礎模型在實現人工智能領域的最新突破中發揮了核心作用。通過同時將數據集和模型規模擴展到前所未有的水平，這些基礎模型在蛋白質結構預測、圖像/視頻生成、代碼生成、聊天機器人等許多領域表現出色。然而，它們的計算和內存成本也急劇增長，使得這些基礎模型在實際應用中的部署變得困難，尤其是在資源受限的邊緣設備上。此外，巨大的訓練成本也顯著阻礙了新基礎模型的發展，并引發了對巨大能源消耗和二氧化碳排放的擔憂。為了解決這些問題，構建有效的模型加速技術對于縮小計算供需之間的差距至關重要。 本論文將涵蓋模型加速的三個重要方面。首先，我們將討論高效表示學習，包括用于高分辨率視覺的EfficientViT（一種新的視覺Transformer架構）和用于條件圖像生成的條件感知神經網絡（一個新的控制模塊）。其次，我們將介紹硬件感知的加速技術，以創建針對不同硬件平臺和效率限制的專用神經網絡。第三，我們將介紹TinyTL，這是一種內存高效的遷移學習技術，用于實現設備上的模型定制。通過我們的設計，我們可以顯著提高深度神經網絡在硬件上的效率，而不損失準確性，使它們更易于訪問并降低其服務成本。例如，我們的模型在A100 GPU上實現了48.9倍的吞吐量提升，同時在零樣本實例分割性能上略微優于最新的模型。在條件圖像生成方面，我們的方法實現了52倍的計算成本降低，而性能沒有下降。

大型基礎模型在許多人工智能領域（包括自然語言處理[1], [2]、計算機視覺[3]–[5]、科學領域的AI應用[6]等）引發了革命性的變化。通過擴大模型規模并在網絡規模的數據集上訓練，這些基礎模型展示了驚人的少樣本/零樣本學習能力，能夠解決復雜的任務。這些卓越的表現引發了在實際應用中使用這些基礎模型的熱潮，將人工智能引入了我們的工作和日常生活。 然而，由于模型規模和計算成本的增加，這些基礎模型的訓練和推理成本非常高昂。例如，GPT-3[7]模型擁有1750億個參數，僅存儲它就已經超出了目前最強大的GPU（如NVIDIA H100 GPU）的容量。這對在云平臺上提供這些模型服務或在邊緣設備上部署它們提出了巨大挑戰。此外，高昂的訓練成本還導致了巨大的能源消耗和二氧化碳排放，引發了對這些AI基礎模型的可持續性問題的擔憂。 在本論文中，我們旨在研究模型加速技術，以提高深度神經網絡的效率，從而應對這一挑戰。我們的方法從三個方面加速深度神經網絡。首先，我們將討論高效的表示學習，旨在構建高效的構建模塊/神經網絡架構，從原始數據中提取有用信息。其次，我們將討論硬件感知的加速方法，旨在為不同的硬件平臺和效率約束定制專用的神經網絡，以獲得精度和硬件效率之間的最佳平衡。第三，我們將討論高效的模型定制，允許內存高效的設備端學習，以提供定制化的AI服務而不犧牲隱私。我們總結了本論文的主要內容如下：

**1.1 論文大綱

• 第2章 描述了高效表示學習的技術。內容基于[8]和[9]。首先，Transformer架構是當前大型基礎模型的核心組件。然而，Transformer架構在處理長序列時表現不佳，因為其計算成本隨著輸入序列長度的增加而呈二次增長。我們提出了EfficientViT，這是一種用于高分辨率視覺的新型視覺Transformer架構。它通過僅使用硬件高效的操作，達到了全局感受野和強大的容量。EfficientViT在不同的硬件平臺上提供了顯著的性能提升。其次，添加控制是將圖像/視頻生成模型轉化為人類生產工具的關鍵步驟。我們提出了條件感知神經網絡（CAN），這是一種為圖像生成模型添加控制的新方法。與以往的條件控制方法并行，CAN通過動態操控神經網絡的權重來控制圖像生成過程。CAN在擴散Transformer模型中持續帶來顯著改進。

• 第3章 介紹了硬件感知的AutoML技術，以有效地為不同的硬件平臺和效率約束定制專用的深度神經網絡。內容基于[10]和[11]。不同的硬件平臺具有不同的屬性（例如并行度、緩存大小、帶寬等）。針對不同的目標硬件平臺和不同的效率約束，我們需要定制化的神經網絡以實現性能與效率之間的最佳平衡。然而，手動為每個案例定制神經網絡是不可擴展的。因此，我們提出了硬件感知的AutoML技術來應對這一挑戰。我們的方法在不同的硬件平臺上提供了顯著的加速，包括手機、CPU、GPU、FPGA等。此外，我們的方法在多個低功耗計算機視覺挑戰賽中獲得了第一名。

• 第4章 介紹了TinyTL[12]，一種用于內存高效的設備端學習技術。TinyTL凍結了權重，只學習內存高效的偏置模塊，因此不需要存儲中間激活。為了保持適應能力，我們引入了一種新的內存高效偏置模塊，即輕量殘差模塊，通過學習小的殘差特征圖來優化特征提取器，僅增加了3.8%的內存開銷。廣泛的實驗表明，TinyTL在與微調整個網絡相比僅有微小的準確性損失的情況下，顯著節省了內存。

優化和機器學習是當今決策領域的兩個主要領域。近年來，數據的日益豐富促進了這兩個領域交叉點的進展，從而催生了更好的決策支持工具。優化通過改進傳統機器學習模型的訓練方法顯著提升了這些模型的性能，而機器學習則通過準確的預測能力改進了許多優化算法，從而實現了更優的決策。

然而，將優化理論與現代機器學習方法（如神經網絡和核函數）相結合面臨兩大主要挑戰。首先，這些模型不滿足優化理論中的基本凸性假設。其次，這些模型主要用于具有大量參數和高維數據的任務，因此需要高度高效且可擴展的算法。這種對效率的關注限制了對離散變量和優化中典型的一般約束的考慮。本論文介紹了應對這些挑戰的新算法。

本文分為四章，涵蓋嚴格的理論、計算工具和多樣化的應用。在第一章中，我們將穩健優化的最新工具擴展到非凸和非凹的環境中，從而使得生成對輸入擾動具有魯棒性的神經網絡成為可能。在第二章中，我們開發了一個整體的深度學習框架，通過適當修改損失函數，共同優化神經網絡的魯棒性、穩定性和稀疏性。在第三章中，我們介紹了TabText，這是一種靈活的方法論，它利用大語言模型的力量從表格數據中預測患者流動。最后，在第四章中，我們提出了一種基于數據驅動的方法，通過稀疏化核方法解決多階段隨機優化問題。

近年來，機器學習取得了顯著的突破。隨著機器學習逐漸滲透到日常生活的各個方面，個人和組織越來越多地與這些系統互動，表現出各種社交和對抗性行為。這些行為可能對機器學習系統的行為和性能產生顯著影響。具體來說，在這些互動過程中，數據可能由策略性個體生成，由自利的數據收集者收集，甚至可能被對抗性攻擊者污染，并用于創建滿足多重目標的預測器、模型和政策。因此，機器學習系統的輸出可能會退化，例如深度神經網絡對抗性樣本的脆弱性（Shafahi 等, 2018; Szegedy 等, 2013），以及在面對策略性個體時經典算法性能的下降（Ahmadi 等, 2021）。解決這些挑戰對于機器學習在社會環境中的成功至關重要。 本論文分為兩部分：社交數據源下的學習和對抗性數據源下的學習。對于社交數據源，我們考慮了以下問題：(1) 在有限和無限假設類中與策略性個體的學習，其中我們對在線和PAC策略環境中的可學習性進行了理解，(2) 在單輪聯邦學習、多輪聯邦學習和協作主動學習中，自利數據收集者的激勵與背叛，(3) 游戲中的學習，在其中一名玩家運行學習算法而不是做出最佳回應，(4) 在決策制定和在線學習中的多目標學習。對于對抗性數據源，我們研究了以下問題：(1) 在干凈標簽攻擊下的魯棒學習，攻擊者向訓練集中注入一組正確標記的點，以誤導學習者在特定測試點上出錯，(2) 在變換不變性下的學習以及對流行的數據增強方法的分析。

近年來，機器學習取得了顯著的突破。隨著機器學習逐漸滲透到日常生活的各個方面，個人和組織與這些系統的互動日益頻繁，表現出各種社交和對抗性行為，這些行為可能會顯著影響機器學習系統的性能。 策略性個體 在許多領域，機器學習被應用于為各種資源的申請者提供決策依據。然而，當個體有動機從特定的預測結果中獲益時，他們可能會通過修改自身特征來獲取有利的預測結果。這種行為可能損害預測性能，使得學習過程容易受到金融政策制定中的經典原則——古德哈特定律（Goodhart's law）的影響，該定律指出：“一旦某個指標成為公眾的目標，它就不再是一個好的指標。” 這種學習系統與其所應用對象之間的天然張力廣泛存在于貸款審批、大學招生、職位招聘和保險等場景中。在這些情況下，學習系統的目標是進行準確的預測，而個體則無論其真實標簽如何，都有動力被歸類為正面。例如，在大學招生中，申請者可能會重考SAT或選擇更容易的課程以提高GPA，從而誤導分類器。

自利的數據收集者 在許多現實世界的應用中，數據集分布在不同的孤島中，如醫院、學校和銀行，因而需要它們之間的合作。近年來，協作學習（如聯邦學習）被廣泛采用，以促進大量數據收集者之間的合作。然而，決定協作學習成功與影響的關鍵在于能否招募和留住大量的數據收集者。在協作學習協議與數據收集者之間存在一種內在的張力。學習協議旨在找到對所有數據收集者都有利的模型，而每個數據收集者的目標則是找到一個對其本地數據有利且數據貢獻最小的模型。因此，如果學習協議要求數據收集者提供超出其自身目標所需的數據量，他們將不會按協議要求進行貢獻。

多目標用戶 雖然機器學習問題通常涉及優化單一標量獎勵，但在許多領域，同時優化多個（可能互相沖突的）目標是可取的或必要的。例如，自動駕駛汽車用戶希望同時追求安全、速度和舒適性，但速度可能對安全（如延長車輛突然停下的時間）或舒適性（如在快速轉彎時引起不適）產生負面影響。因此，當一個學習系統優化單一標量損失時，它可能忽視這些多重目標，從而為用戶生成不令人滿意的模型或策略。此外，在學習過程中可能存在多個利益相關者，每個利益相關者都有不同的目標。僅關注一個目標可能導致其他目標的性能顯著下降。

對抗性攻擊者 對抗性攻擊在暴露機器學習系統的脆弱性方面發揮了重要作用。許多流行的模型在現實世界場景中缺乏魯棒性。例如，在圖像任務中，向訓練圖像添加不可察覺的噪聲（Szegedy等，2013）或通過添加額外的圖像來污染訓練集（Shafahi等，2018）可以嚴重損害深度神經網絡的性能。 由于這些社交和對抗性數據因素，機器學習系統的輸出可能會退化。應對這些挑戰對于機器學習的成功至關重要。

本論文從理論角度出發，針對由這些社交和對抗性數據因素引發的可信性挑戰作出貢獻。這些數據因素在現有理論中尚未得到充分建模。因此，本論文側重于建模機器學習交互中固有的社交和對抗性方面，分析其對預測器的影響，并開發增強性能的方法和見解。 本論文的核心主題是為社交和對抗性數據源下的可信機器學習建立理論基礎。

在快速發展的機器學習領域，計算能力和數據的激增推動了深度學習成為學術研究的前沿。隨著模型和數據集規模的不斷擴大，越來越多的注意力集中在算法改進上，以應對日益增長的計算和內存需求。此外，由于其在廣泛應用中的成功，該領域見證了多種多樣的神經網絡架構的涌現，每種架構都有其獨特的訓練挑戰。本論文介紹了利用模型結構來提高資源和算法效率的流行神經網絡架構的高效訓練方法。 在第一部分中，我們首先提出了針對隱式深度學習模型和基于變壓器的語言模型的具有較低計算和內存需求的新訓練算法。具體來說，我們首先提出了一種高效的順序訓練方法，用于隱式平衡模型，消除了在現有訓練過程中求解計算昂貴的固定點方程和投影步驟的需求。然后，我們引入了方差減少的零階方法，以僅使用內存高效的推理過程來有效微調大型語言模型。

在第二部分中，我們轉向探索可微分優化在元優化和矢量量化中的訓練增強應用。具體來說，對于前者，我們提出了一種利用可微分凸優化結構來參數化新型一階優化器的方法。對于后者，我們引入了可微分凸優化作為一種改進通過矢量量化層反向傳播的技術。

我們希望這項工作能為研究社區提供新的視角，并作為進一步發展深度學習高效訓練策略的基礎。 在過去的十年中，人工智能（AI）領域取得了前所未有的進展，這些進展使其在自然語言處理和計算機視覺等多個專門任務領域達到了超越人類的表現。深度學習架構創新和計算改進的協同作用促進了AI的飛躍發展 [1], [2]。

直到最近，深度學習領域的研究通常是專門化的，聚焦于特定領域，如自然語言處理（NLP）或視覺。在每個應用領域，研究的目標是開發旨在解決特定應用挑戰的定制神經網絡架構。例如，循環神經網絡（RNN）及其變體用于處理NLP中常見的序列數據。而視覺應用則常使用卷積神經網絡（CNN），因為它們能夠高效處理視覺數據。這種專門化被認為是必要的，因為不同的數據模態需要定制的處理方法來學習其潛在模式。這促使了各個領域中架構類型的激增。

最近，變壓器和隱式深度學習的引入帶來了從開發領域特定架構的轉變。變壓器模型建立在注意力機制的基礎上，這種機制能夠處理序列數據中的長期依賴關系，支持并行處理，并且與反向傳播兼容。尤其是基于變壓器的架構現在在NLP和視覺任務中都成為了最先進模型的標準，設立了性能基準。隱式深度學習則摒棄了將神經網絡視為顯式、前饋層堆疊的概念，而是通過一組輸出應滿足的條件隱式地表示它們。這種范式提供了一種具有多種實例的表達模型類別，包括神經常微分方程、可微優化和深度平衡模型。具體而言，文獻[3]中展示了隱式模型在許多流行深度學習架構中的推廣，并在各種示例應用中表現出色。

新興的、更具表現力的深度學習架構突顯了開發高效優化策略以釋放其全部性能潛力的重要性。更具體地說，針對不同架構類型開發優化策略是高效模型訓練的基礎，它能有效地從數據中學習。這強調了需要不斷改進訓練技術和架構設計，以充分實現深度學習技術的潛力。

本論文為應對最先進深度學習架構的獨特需求，貢獻了開發定制訓練策略的更廣泛努力。第一部分中，我們首先審視了現有隱式深度學習和變壓器模型訓練方法的資源密集特性，并提出了新算法以克服計算和內存需求的障礙。第二部分我們重點探討如何利用特定的隱式深度學習實例——可微優化作為一種技術來增強元優化和矢量量化中的訓練過程。

第一部分：深度神經架構的高效訓練策略

在這一部分中，我們關注流行架構類型在訓練中面臨的挑戰，并提出旨在緩解這些特定挑戰的優化算法。具體來說，我們旨在克服現有隱式深度學習和基于變壓器的語言模型訓練方法中禁止性的計算和內存需求。

**第二章

我們強調了通過固定點方程描述的隱式模型的現有訓練方法的缺點：這種端到端優化方案利用了計算繁重的隱式微分和投影步驟。我們提出了一種新的順序、分塊訓練算法，適用于上三角隱式深度模型，從而減輕了隱式微分和投影步驟的需求。

**第三章

我們解決了在微調基于變壓器的語言模型（LM）時一階方法的大內存需求。基于零階（ZO）方法僅使用內存高效的推理過程來估計梯度的觀察，我們將ZO方法與方差減少技術結合，以增強基于推理的LM微調的穩定性和收斂性。我們的實驗表明，相比于現有的ZO微調基準，我們的方法在保持顯著較低內存占用的同時，性能也有了持續的改善。

第二部分：通過可微優化增強訓練

在第二部分中，我們集中探討了如何應用可微優化來改進元優化和矢量量化中的學習過程。

**第四章

我們展示了如何利用凸優化來推廣許多現有的一階更新規則。隨后我們提出了一種新的數據驅動優化算法設計方法，利用可微凸優化（DCO）。這種利用以往優化經驗的方法可以提出新的更新規則，能夠高效解決來自相同基礎問題類的新優化任務。通過示例實驗，我們展示了DCO優化器在實際應用中能夠超越流行的一階方法。

**第五章

我們利用DCO來緩解矢量量化（VQ）層帶來的訓練挑戰。嵌入VQ的模型在圖像和語音生成等多個應用中顯示出令人印象深刻的結果。VQ作為一種參數化的K均值算法，在前向傳遞中使用單個代碼本向量對輸入進行量化。盡管強大，該技術面臨實際挑戰，包括代碼本坍塌、不可微性和有損壓縮。為緩解上述問題，我們提出了軟凸量化（SCQ），作為VQ的直接替代。SCQ像一個可微凸優化（DCO）層一樣工作：在前向傳遞中，我們求解出量化輸入的最佳凸組合代碼本向量。在反向傳遞中，我們利用前向解決方案的最優性條件進行微分。隨后，我們介紹了SCQ優化的可擴展放松，并在CIFAR-10 [4]、GTSRB [5]和LSUN [6]數據集上驗證了其有效性。我們訓練了強大的SCQ自動編碼器模型，這些模型顯著超越了匹配的基于VQ的架構，在圖像重建和代碼本使用方面表現出數量級的提升，同時保持了可比的量化運行時間。

深度生成模型已經徹底改變了人工智能領域，從根本上改變了我們如何生成模仿或從訓練數據推廣出的新穎對象，以及我們訪問和消費各類信息（如文本、圖像、語音和計算機程序）的方式。它們有潛力徹底改變其他科學領域，從數學問題解決到支持高能物理中快速而準確的模擬，或是使快速天氣預報成為可能。在計算生物學中，生成模型對于改進我們對復雜生物過程的理解、設計新藥物和治療方法、以及預測大流行期間病毒的進化等方面，都擁有巨大的潛力，而這只是眾多應用中的一部分。然而，由于生物對象的固有復雜性，它們帶來了獨特的挑戰，包括龐大的空間、多種補充數據模式，以及高度結構化和相對非結構化組件之間的獨特相互作用。

在這篇論文中，我們開發了幾種由計算生物學中關鍵問題所驅動的深度生成建模框架。鑒于這一努力的跨學科性質，我們首先提供了關于生成建模、不確定性量化、順序決策制定，以及生物學和化學中重要概念的全面背景，以便徹底理解我們的工作。接著，我們深入探討我們貢獻的核心，圍繞三個章節進行構建。第一章介紹了學習生物序列表示的方法，為后續分析打下了基礎。第二章展示了如何利用這些表示來預測生物分子的復雜屬性，重點關注三個具體應用：蛋白質適應性預測、遺傳變異對人類疾病風險的影響，以及病毒免疫逃逸。最后，第三章致力于設計新型生物分子的方法，包括藥物靶點識別、從頭分子優化和蛋白質工程。

這篇論文還對更廣泛的機器學習挑戰，如高維空間中的不確定性量化或高效的變換器架構，作出了幾個方法論貢獻，這些貢獻在其他應用領域也具有潛在價值。我們最后通過總結我們的主要發現，強調當前方法的不足，提出未來研究的可能途徑，并討論該領域內的新興趨勢來結束這篇論文。

數十年來，機器人在我們的日常生活中扮演了重要而隱秘的角色。我們每天依賴的許多產品，如汽車和藥品，都是通過機器人自動化生產的。這些系統將以更直接的方式進入我們的日常生活，他們的影響力不可避免地會減小。特別是腿部機器人，近期的進步終于使這些系統商業上可行，并將很快看到它們在物流、景觀工作和在建筑工地上協助工人的角色。然而，隨著它們的持續改進，操作它們的軟件和算法將需要能夠執行目前無法實現的更抽象的任務。毫無疑問，實現這一目標的方式之一將涉及利用機器學習技術的并發進步。

//www.research-collection.ethz.ch/handle/20.500.11850/614549

這篇博士論文正朝著這個目標努力，旨在幫助彌合現代機器人技術和機器學習技術之間的鴻溝。這項研究解決了實現更強大機器人系統所必需的兩個方面，即軟件和算法，并專注于深度強化學習（DRL）技術在解決腿部機器人，特別是四足機器人系統的運動控制問題的應用。為了統一上述領域，我們需要軟件系統能夠利用在Python中實現的DRL算法，并讓需要C++接口的研究人員和開發人員可以使用。因此，這項工作通過引入一個多功能的軟件工具箱，為機器人應用使用DRL算法做出了貢獻。它利用了最先進的機器學習平臺TensorFlow的Python API，用于構建包含神經網絡模型、梯度計算和隨機梯度下降優化器等組件的計算圖。這些圖可以在C++運行時環境中使用，以執行如訓練和部署等圖操作。此外，該工具箱在上述核心元素的基礎上，提供了對DRL的有用抽象，實現了幾種最先進的算法以及其他有用的實用工具。有了這個工具箱，我們提供了一個端到端的解決方案，用于設計、建模、訓練和部署神經網絡策略，這種策略專門為四足機器人ANYmal設計和測試。此外，復雜地形的行動對于有腿的機器人來說構成了重大挑戰。為了讓像ANYmal這樣的系統能夠在這樣的環境中自主運行，它們必須擁有謹慎規劃適合地形的立足點的方法，同時執行保證穩定性的運動。為了解決這個問題，本博士論文通過提出一種解決四足系統穿越非結構化地形的立足點選擇和步態生成問題的新方法，對算法的第二個方面做出了貢獻。這項工作主要圍繞一個框架進行，該框架用于制定馬爾科夫決策過程(MDPs)，采用最新的基于模型的軌跡優化技術來評估動態可行性，取代了物理模擬。當與最先進的DRL算法一起使用時，這些MDPs會生成能夠在具有挑戰性的3D環境中規劃基礎姿勢、立足點位置和步態參數序列的地形感知神經網絡策略。這些所謂的步態規劃(GP)網絡，在與其他針對運動規劃和控制問題的最先進方法結合時，會產生有效的行動。這種方法已經在模擬中以及在ANYmal的物理平臺上得到了實驗驗證。

深度學習算法，比如那些用于圖像識別的算法，在自動化醫療診斷和指導臨床決策方面大有前途。與此同時，醫學深度學習系統的開發和臨床轉化還面臨著一些重要的挑戰。首先，開發大型且注釋良好的數據集成本很高。其次，醫學圖像判讀有必要識別病灶的微妙關鍵特征，盡管在人群中生理外觀有很大差異。第三，由于域轉移問題，將深度學習算法的性能從一種設置轉移到另一種設置具有挑戰性。第四，深度學習系統的輸出需要是可解釋的，以便臨床醫生能夠理解系統。本文研究了如何應對這些挑戰，從小型數據集構建可泛化和可解釋的深度學習模型。本文研究了將從非醫療源ImageNet學習到的先驗知識遷移到醫療應用對模型性能的影響，特別是當數據集大小不夠時。與直接從ImageNet轉移學習不同，GrayNet被提議作為一個橋梁數據集，在從ImageNet學習到的通用圖像特征上創建一個預先訓練的豐富醫學圖像表示的模型。分析了GrayNet的優點，包括總體性能和跨不同成像掃描儀的泛化，并與使用小數據從頭開始訓練和從ImageNet轉移學習進行了比較。受放射科醫生如何解釋診斷圖像的啟發，還介紹了特定領域的技術，包括窗口設置優化和切片插值，并展示了進一步增強模型性能的方法。引入了一個新的可視化模塊，能夠在訓練過程中生成一個圖像圖譜，并將其顯示為測試過程中所做的模型預測的基礎，以證明模型預測的合理性，并使臨床醫生更容易理解它們。本論文通過三種不同的應用展示了深度學習在醫學圖像判讀方面的潛力，包括人工智能輔助骨齡評估，以提高人類的準確性和可變性，發現以前未識別的模式，在手部x光片中進行骨性別分類，以及處理原始計算機斷層掃描數據，而不需要圖像重建。本論文的貢獻有望促進各種醫療應用中可推廣和可解釋的深度學習算法的發展，從而加速人工智能系統進入臨床實踐。