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摘要

一個綜合的人工智能系統不僅需要用不同的感官(如視覺和聽覺)感知環境，還需要推斷世界的條件(甚至因果)關系和相應的不確定性。在過去的十年里，我們看到了許多感知任務的重大進展，比如視覺對象識別和使用深度學習模型的語音識別。然而，對于更高層次的推理，具有貝葉斯特性的概率圖模型仍然更加強大和靈活。近年來，貝葉斯深度學習作為一種將深度學習與貝葉斯模型緊密結合的統一的概率框架出現了。在這個總體框架中，利用深度學習對文本或圖像的感知可以提高更高層次推理的性能，推理過程的反饋也可以增強文本或圖像的感知。本文對貝葉斯深度學習進行了全面的介紹，并對其在推薦系統、主題模型、控制等方面的最新應用進行了綜述。此外，我們還討論了貝葉斯深度學習與其他相關課題如神經網絡的貝葉斯處理之間的關系和區別。

介紹

在過去的十年中，深度學習在許多流行的感知任務中取得了顯著的成功，包括視覺對象識別、文本理解和語音識別。這些任務對應于人工智能(AI)系統的看、讀、聽能力，它們無疑是人工智能有效感知環境所必不可少的。然而，要建立一個實用的、全面的人工智能系統，僅僅有感知能力是遠遠不夠的。首先，它應該具備思維能力。

一個典型的例子是醫學診斷，它遠遠超出了簡單的感知:除了看到可見的癥狀(或CT上的醫學圖像)和聽到患者的描述，醫生還必須尋找所有癥狀之間的關系，最好推斷出它們的病因。只有在那之后，醫生才能給病人提供醫療建議。在這個例子中，雖然視覺和聽覺的能力讓醫生能夠從病人那里獲得信息，但醫生的思維能力才是關鍵。具體來說，這里的思維能力包括識別條件依賴、因果推理、邏輯演繹、處理不確定性等，顯然超出了傳統深度學習方法的能力。幸運的是，另一種機器學習范式，概率圖形模型(PGM)，在概率或因果推理和處理不確定性方面表現出色。問題在于，PGM在感知任務上不如深度學習模型好，而感知任務通常涉及大規模和高維信號(如圖像和視頻)。為了解決這個問題，將深度學習和PGM統一到一個有原則的概率框架中是一個自然的選擇，在本文中我們稱之為貝葉斯深度學習(BDL)。 在上面的例子中，感知任務包括感知病人的癥狀(例如，通過看到醫學圖像)，而推理任務包括處理條件依賴性、因果推理、邏輯推理和不確定性。通過貝葉斯深度學習中有原則的整合，將感知任務和推理任務視為一個整體，可以相互借鑒。具體來說，能夠看到醫學圖像有助于醫生的診斷和推斷。另一方面，診斷和推斷反過來有助于理解醫學圖像。假設醫生可能不確定醫學圖像中的黑點是什么，但如果她能夠推斷出癥狀和疾病的病因，就可以幫助她更好地判斷黑點是不是腫瘤。 再以推薦系統為例。一個高精度的推薦系統需要(1)深入了解條目內容(如文檔和電影中的內容)，(2)仔細分析用戶檔案/偏好，(3)正確評價用戶之間的相似度。深度學習的能力有效地處理密集的高維數據,如電影內容擅長第一子任務,而PGM專攻建模條件用戶之間的依賴關系,項目和評分(參見圖7為例,u, v,和R是用戶潛在的向量,項目潛在的向量,和評級,分別)擅長其他兩個。因此，將兩者統一在一個統一的概率原則框架中，可以使我們在兩個世界中都得到最好的結果。這種集成還帶來了額外的好處，可以優雅地處理推薦過程中的不確定性。更重要的是，我們還可以推導出具體模型的貝葉斯處理方法，從而得到更具有魯棒性的預測。

作為第三個例子，考慮根據從攝像機接收到的實時視頻流來控制一個復雜的動態系統。該問題可以轉化為迭代執行兩項任務:對原始圖像的感知和基于動態模型的控制。處理原始圖像的感知任務可以通過深度學習來處理，而控制任務通常需要更復雜的模型，如隱馬爾科夫模型和卡爾曼濾波器。由控制模型選擇的動作可以依次影響接收的視頻流，從而完成反饋回路。為了在感知任務和控制任務之間實現有效的迭代過程，我們需要信息在它們之間來回流動。感知組件將是控制組件估計其狀態的基礎，而帶有動態模型的控制組件將能夠預測未來的軌跡(圖像)。因此，貝葉斯深度學習是解決這一問題的合適選擇。值得注意的是，與推薦系統的例子類似，來自原始圖像的噪聲和控制過程中的不確定性都可以在這樣的概率框架下自然地處理。 以上例子說明了BDL作為一種統一深度學習和PGM的原則方式的主要優勢:感知任務與推理任務之間的信息交換、對高維數據的條件依賴以及對不確定性的有效建模。關于不確定性，值得注意的是，當BDL應用于復雜任務時，需要考慮三種參數不確定性：

1. 神經網絡參數的不確定性。
2. 指定任務參數的不確定性。
3. 感知組件和指定任務組件之間信息交換的不確定性。

通過使用分布代替點估計來表示未知參數，BDL提供了一個很有前途的框架，以統一的方式處理這三種不確定性。值得注意的是，第三種不確定性只能在BDL這樣的統一框架下處理;分別訓練感知部分和任務特定部分相當于假設它們之間交換信息時沒有不確定性。注意，神經網絡通常是過參數化的，因此在有效處理如此大的參數空間中的不確定性時提出了額外的挑戰。另一方面，圖形模型往往更簡潔，參數空間更小，提供了更好的可解釋性。

除了上述優點之外，BDL內建的隱式正則化還帶來了另一個好處。通過在隱藏單元、定義神經網絡的參數或指定條件依賴性的模型參數上施加先驗，BDL可以在一定程度上避免過擬合，尤其是在數據不足的情況下。通常，BDL模型由兩個組件組成，一個是感知組件，它是某種類型神經網絡的貝葉斯公式，另一個是任務特定組件，使用PGM描述不同隱藏或觀察變量之間的關系。正則化對它們都很重要。神經網絡通常過度參數化，因此需要適當地正則化。正則化技術如權值衰減和丟失被證明是有效地改善神經網絡的性能，他們都有貝葉斯解釋。在任務特定組件方面，專家知識或先驗信息作為一種正規化，可以在數據缺乏時通過施加先驗來指導模型。 在將BDL應用于實際任務時，也存在一些挑戰。(1)首先，設計一個具有合理時間復雜度的高效的神經網絡貝葉斯公式并非易事。這一行是由[42,72,80]開創的，但是由于缺乏可伸縮性，它沒有被廣泛采用。幸運的是，這個方向的一些最新進展似乎為貝葉斯神經網絡的實際應用提供了一些啟示。(2)第二個挑戰是如何確保感知組件和任務特定組件之間有效的信息交換。理想情況下，一階和二階信息(例如，平均值和方差)應該能夠在兩個組件之間來回流動。一種自然的方法是將感知組件表示為PGM，并將其與特定任務的PGM無縫連接，如[24,118,121]中所做的那樣。 本綜述提供了對BDL的全面概述，以及各種應用程序的具體模型。綜述的其余部分組織如下:在第2節中，我們將回顧一些基本的深度學習模型。第3節介紹PGM的主要概念和技術。這兩部分作為BDL的基礎，下一節第4節將演示統一BDL框架的基本原理，并詳細說明實現其感知組件和特定于任務的組件的各種選擇。第5節回顧了應用于不同領域的BDL模型，如推薦系統、主題模型和控制，分別展示了BDL在監督學習、非監督學習和一般表示學習中的工作方式。第6部分討論了未來的研究問題，并對全文進行了總結。

結論和未來工作

BDL致力于將PGM和NN的優點有機地整合在一個原則概率框架中。在這項綜述中，我們確定了這種趨勢，并回顧了最近的工作。BDL模型由感知組件和任務特定組件組成；因此，我們分別描述了過去幾年開發的兩個組件的不同實例，并詳細討論了不同的變體。為了學習BDL中的參數，人們提出了從塊坐標下降、貝葉斯條件密度濾波、隨機梯度恒溫器到隨機梯度變分貝葉斯等多種類型的算法。 BDL從PGM的成功和最近在深度學習方面有前景的進展中獲得了靈感和人氣。由于許多現實世界的任務既涉及高維信號(如圖像和視頻)的有效感知，又涉及隨機變量的概率推理，因此BDL成為利用神經網絡的感知能力和PGM的(條件和因果)推理能力的自然選擇。在過去的幾年中，BDL在推薦系統、主題模型、隨機最優控制、計算機視覺、自然語言處理、醫療保健等各個領域都有成功的應用。在未來，我們不僅可以對現有的應用進行更深入的研究，還可以對更復雜的任務進行探索。此外，最近在高效BNN (BDL的感知組件)方面的進展也為進一步提高BDL的可擴展性奠定了基礎。

隨著web技術的發展，多模態或多視圖數據已經成為大數據的主要流，每個模態/視圖編碼數據對象的單個屬性。不同的模態往往是相輔相成的。這就引起了人們對融合多模態特征空間來綜合表征數據對象的研究。大多數現有的先進技術集中于如何融合來自多模態空間的能量或信息，以提供比單一模態的同行更優越的性能。最近，深度神經網絡展示了一種強大的架構，可以很好地捕捉高維多媒體數據的非線性分布，對多模態數據自然也是如此。大量的實證研究證明了深多模態方法的優勢，從本質上深化了多模態深特征空間的融合。在這篇文章中，我們提供了從淺到深空間的多模態數據分析領域的現有狀態的實質性概述。在整個調查過程中，我們進一步指出，該領域的關鍵要素是多模式空間的協作、對抗性競爭和融合。最后，我們就這一領域未來的一些方向分享我們的觀點。

內容簡介這本書的前四章集中在足夠的理論和基礎，給你，實踐者，為這本書剩下的部分一個工作的基礎。最后五章將從這些概念出發，帶領您通過一系列使用DL4J進行深度學習的實踐路徑。

• 建立深度網絡
• 高級調優技術
• 矢量化不同的數據類型
• 運行深度學習工作流程的Spark

在本書中，我們交替使用DL4J和Deeplearning4j這兩個名稱。這兩個術語都指的是Deeplearning4j庫中的工具套件。

我們以這種方式設計這本書，因為我們覺得有必要讓這本書既包含足夠的理論，又足夠的實際，以構建生產級的深度學習工作流。我們認為，這種混合方法的書的覆蓋面適合這個空間。

第一章回顧了機器學習的一般概念，特別是深度學習，讓讀者快速了解了解本書其余部分所需要的基礎知識。我們增加了這一章，因為許多初學者可以使用這些概念的復習或入門，我們想讓盡可能多的讀者可以訪問這個項目。

第2章以第1章的概念為基礎，并為您提供了神經網絡的基礎。它在很大程度上是神經網絡理論的一個章節，但是我們的目標是用一種可訪問的方式來呈現信息。

第三章在前兩章的基礎上更進一步，讓你了解網絡是如何從神經網絡的基本原理發展而來的。

第四章介紹了深層網絡的四種主要架構，并為本書的其余部分提供了基礎。

在第5章中，我們將使用前半部分中的技術，帶您瀏覽一些Java代碼示例。

第6章和第7章討論了調優一般神經網絡的基本原理，然后討論了如何調優深度網絡的特定架構。這些章節是平臺無關的，將適用于任何深度學習庫的實踐。

第8章是對矢量化技術和如何使用DataVec (DL4J的ETL和矢量化工作流工具)的基礎知識的回顧。

第9章總結了該書的主體部分，回顧了如何在Spark和Hadoop上本地使用DL4J，并舉例說明了可以在自己的Spark集群上運行的三個實際示例。

這本書有許多附錄章節的主題是相關的，但不適合直接放在主要章節。主題包括:

• 人工智能
• 在DL4J項目中使用Maven
• 使用GPU
• 使用ND4J API
• 更多

部分截圖：

題目： Natural Language Processing Advancements By Deep Learning: A Survey

摘要： 自然語言處理(NLP)幫助智能機器更好地理解人類語言，實現基于語言的人機交流。算力的最新發展和語言大數據的出現，增加了使用數據驅動方法自動進行語義分析的需求。由于深度學習方法在計算機視覺、自動語音識別，特別是NLP等領域的應用取得了顯著的進步，數據驅動策略的應用已經非常普遍。本綜述對得益于深度學習的NLP的不同方面和應用進行了分類和討論。它涵蓋了核心的NLP任務和應用，并描述了深度學習方法和模型如何推進這些領域。我們并進一步分析和比較不同的方法和最先進的模型。

簡介：

自從2012年以來，最近的技術史上最重大的事件也許就是神經網絡爆炸了。標記數據集的增長，計算能力的提高以及算法的創新齊頭并進。從那時起，深度神經網絡使以前無法實現的任務得以實現，并提高了任務的準確性，使它們超出了學術研究范圍，并進入了語音識別，圖像標記，生成模型和推薦系統等領域的實際應用。在這種背景下，Google Brain的團隊開始開發TensorFlow.js。該項目開始時，許多人認為“ JavaScript深度學習”是一種新穎事物，對于某些用例來說并不能當真。盡管Python已經有了一些完善的，功能強大的深度學習框架，但JavaScript機器學習的前景仍然是零散的和不完整的。在當時可用的少數JavaScript庫中，大多數僅支持以其他語言（通常是Python）進行預訓練的部署模型。

這本書不僅是作為如何在TensorFlow.js中編寫代碼的秘訣，而且還是以JavaScript和Web開發人員的母語為基礎的機器學習基礎入門課程。深度學習領域是一個快速發展的領域。我們相信，無需正式的數學處理就可以對機器學習有深入的了解，而這種了解將使您能夠在技術的未來發展中保持最新。有了這本書，您就成為成為成長中的JavaScript機器學習從業人員社區的第一步，他們已經在JavaScript和深度學習之間的交匯處帶來了許多有影響力的應用程序。我們衷心希望本書能激發您在這一領域的創造力和獨創性。

目錄：

內容簡介：

本書分為四個部分。第一部分僅由第一章組成，向您介紹了人工智能，機器學習和深度學習的概況，以及在JavaScript中實踐深度學習為何有意義。第二部分是對深度學習中最基礎和最常遇到的概念的簡要介紹。本書的第三部分系統地為希望建立對更前沿技術的理解的用戶，提供了深度學習的高級主題，重點是ML系統的特定挑戰領域以及與之配合使用的TensorFlow.js工具。

書名： Deep Learning for Search

簡介：

深度學習搜索是一本實用的書，關于如何使用(深度)神經網絡來幫助建立有效的搜索引擎。這本書研究了一個搜索引擎的幾個組成部分，提供了關于它們如何工作的見解以及如何在每個環境中使用神經網絡的指導。重點介紹了基于實例的實用搜索和深度學習技術，其中大部分都有代碼。同時，在適當的地方提供相關研究論文的參考資料，以鼓勵閱讀更多的書籍，加深對特定主題的知識。

讀完這本書，將對搜索引擎的主要挑戰有所理解，它們是如何被普遍解決的以及深度學習可以做些什么來幫助。并且將對幾種不同的深度學習技術以及它們在搜索環境中的適用范圍有一個理解，將很好地了解Lucene和Deeplearning4j庫。

這本書主要分為3個部分：

• 第1部分介紹了搜索、機器學習和深度學習的基本概念。第一章介紹了應用深度學習技術來搜索問題的原理，涉及了信息檢索中最常見的方法。第2章給出了如何使用神經網絡模型從數據中生成同義詞來提高搜索引擎效率的第一個例子。

• 第2部分討論了可以通過深度神經網絡更好地解決的常見搜索引擎任務。第3章介紹了使用遞歸神經網絡來生成用戶輸入的查詢。第四章在深度神經網絡的幫助下，在用戶輸入查詢時提供更好的建議。第5章重點介紹了排序模型:尤其是如何使用詞嵌入提供更相關的搜索結果。第6章討論了文檔嵌入在排序函數和內容重新編碼上下文中的使用。

• 第3部分將介紹更復雜的場景，如深度學習機器翻譯和圖像搜索。第7章通過基于神經網絡的方法為你的搜索引擎提供多語言能力來指導你。第8章討論了基于內容的圖像集合的搜索，并使用了深度學習模型。第9章討論了與生產相關的主題，如微調深度學習模型和處理不斷輸入的數據流。

作者簡介：

Tommaso Teofili是一名軟件工程師，他對開源機器學習充滿熱情。作為Apache軟件基金會的成員，他為許多開放源碼項目做出了貢獻，從信息檢索到自然語言處理和機器翻譯等主題。他目前在Adobe工作，開發搜索和索引基礎結構組件，并研究自然語言處理、信息檢索和深度學習等領域。他曾在各種會議上發表過搜索和機器學習方面的演講，包括BerlinBuzzwords、計算科學國際會議、ApacheCon、EclipseCon等。

簡介：

深度學習技術在圖像降噪方面獲得了極大的關注。但是，處理噪聲的不同類型的學習方法有很大的差異。具體來說，基于深度學習的判別式學習可以很好地解決高斯噪聲。基于深度學習的優化模型方法對真實噪聲的估計有很好的效果。迄今為止，很少有相關研究來總結用于圖像去噪的不同深度學習技術。在本文中，作者對圖像去噪中不同深度技術進行了比較研究。我們首先對（1）用于加白噪聲圖像的深卷積神經網絡（CNN），（2）用于真實噪聲圖像的深CNN，（3）用于盲目去噪的深CNN和（4）用于混合噪聲圖像的深CNN進行分類，這是噪聲，模糊和低分辨率圖像的組合。然后，又分析了不同類型的深度學習方法的動機和原理。接下來，將在定量和定性分析方面比較和驗證公共去噪數據集的最新方法。最后，論文指出了一些潛在的挑戰和未來研究的方向。

簡要內容：

圖像去噪的深度學習方法的基礎框架：

• 機器學習方法
• 神經網絡方法
• 卷積神經網絡方法

圖像去噪中的深度學習技術：

• 用于加白噪聲圖像的深卷積神經網絡
• 深度學習技術可實現真正的噪點圖像降噪
• 盲降噪的深度學習技術
• 深度學習技術用于混合噪聲圖像去噪

主題: On the information bottleneck theory of deep learning

摘要： 深度神經網絡的實際成功并沒有得到令人滿意地解釋其行為的理論進展。在這項工作中，我們研究了深度學習的信息瓶頸理論，它提出了三個具體的主張：第一，深度網絡經歷了兩個不同的階段，分別是初始擬合階段和隨后的壓縮階段；第二，壓縮階段與深網絡良好的泛化性能有著因果關系；第三，壓縮階段是由隨機梯度下降的類擴散行為引起的。在這里，我們證明這些聲明在一般情況下都不成立，而是反映了在確定性網絡中計算有限互信息度量的假設。當使用簡單的binning進行計算時，我們通過分析結果和模擬的結合證明，在先前工作中觀察到的信息平面軌跡主要是所采用的神經非線性的函數：當神經激活進入飽和時，雙邊飽和非線性如產生壓縮相但線性激活函數和單邊飽和非線性（如廣泛使用的ReLU）實際上沒有。此外，我們發現壓縮和泛化之間沒有明顯的因果關系：不壓縮的網絡仍然能夠泛化，反之亦然。接下來，我們表明，壓縮階段，當它存在時，不產生從隨機性在訓練中，通過證明我們可以復制IB發現使用全批梯度下降，而不是隨機梯度下降。最后，我們證明當輸入域由任務相關信息和任務無關信息的子集組成時，隱藏表示確實壓縮了任務無關信息，盡管輸入的總體信息可能隨著訓練時間單調增加，并且這種壓縮與擬合過程同時發生而不是在隨后的壓縮期間。