6.1 基础概念（深度学习、算法）
这小节主要介绍人工智能基础概念，包含人工智能，机器学习，深度学习，神经网络之间的关系
Last updated
这小节主要介绍人工智能基础概念，包含人工智能，机器学习，深度学习，神经网络之间的关系
Last updated
深度学习是机器学习的一个分支(最重要的分支)，机器学习是人工智能的一个分支。
深度学习属于机器学习的范畴，深度学习可以说是在传统神经网络基础上的升级，约等于神经网络。
深度学习和传统机器学习在数据预处理上都是类似的。核心差别在特征提取环节，深度学习由机器自己完成特征提取，不需要人工提取。
目前表现最好的一些应用大部分都是深度学习，正是因为深度学习的突出表现，引发了人工智能的第三次浪潮。
深度学习大致就是这么一个用人类的数学知识与计算机算法构建起来的整体架构，再结合尽可能多的训练数据以及计算机的大规模运算能力去调节内部参数，尽可能逼近问题目标的半理论、半经验的建模方式。
我们以识别图片中的汉字为例。
假设深度学习要处理的信息是“水流”，而处理数据的深度学习网络是一个由管道和阀门组成的巨大水管网络。网络的入口是若干管道开口，网络的出口也是若干管道开口。这个水管网络有许多层，每一层由许多个可以控制水流流向与流量的调节阀。根据不同任务的需要，水管网络的层数、每层的调节阀数量可以有不同的变化组合。对复杂任务来说，调节阀的总数可以成千上万甚至更多。水管网络中，每一层的每个调节阀都通过水管与下一层的所有调节阀连接起来，组成一个从前到后，逐层完全连通的水流系统。
那么，计算机该如何使用这个庞大的水管网络来学习识字呢？
比如，当计算机看到一张写有“田”字的图片，就简单将组成这张图片的所有数字（在计算机里，图片的每个颜色点都是用“0”和“1”组成的数字来表示的）全都变成信息的水流，从入口灌进水管网络。
我们预先在水管网络的每个出口都插一块字牌，对应于每一个我们想让计算机认识的汉字。这时，因为输入的是“田”这个汉字，等水流流过整个水管网络，计算机就会跑到管道出口位置去看一看，是不是标记由“田”字的管道出口流出来的水流最多。如果是这样，就说明这个管道网络符合要求。如果不是这样，就调节水管网络里的每一个流量调节阀，让“田”字出口“流出”的水最多。
这下，计算机要忙一阵了，要调节那么多阀门！好在计算机的速度快，暴力的计算加上算法的优化，总是可以很快给出一个解决方案，调好所有阀门，让出口处的流量符合要求。
下一步，学习“申”字时，我们就用类似的方法，把每一张写有“申”字的图片变成一大堆数字组成的水流，灌进水管网络，看一看，是不是写有“申”字的那个管道出口流水最多，如果不是，我们还得再调整所有的阀门。这一次，要既保证刚才学过的“田”字不受影响，也要保证新的“申”字可以被正确处理。
如此反复进行，知道所有汉字对应的水流都可以按照期望的方式流过整个水管网络。这时，我们就说，这个水管网络是一个训练好的深度学习模型了。当大量汉字被这个管道网络处理，所有阀门都调节到位后，整套水管网络就可以用来识别汉字了。这时，我们可以把调节好的所有阀门都“焊死”，静候新的水流到来。
与训练时做的事情类似，未知的图片会被计算机转变成数据的水流，灌入训练好的水管网络。这时，计算机只要观察一下，哪个出水口流出来的水流最多，这张图片写的就是哪个字。
CNN 的基本原理：
卷积层 – 主要作用是保留图片的特征
池化层 – 主要作用是把数据降维，可以有效的避免过拟合
全连接层 – 根据不同任务输出我们想要的结果
CNN 的实际应用：
图片分类、检索
目标定位检测
目标分割
人脸识别
骨骼识别
RNN 是一种能有效的处理序列数据的算法。比如：文章内容、语音音频、股票价格走势…
之所以他能处理序列数据，是因为在序列中前面的输入也会影响到后面的输出，相当于有了“记忆功能”。但是 RNN 存在严重的短期记忆问题，长期的数据影响很小（哪怕他是重要的信息）。
RNN 几个典型的应用如下：
文本生成
语音识别
机器翻译
生成图像描述
视频标记
c.生成对抗网络 – GANs
生成对抗网络（GAN）是一种深度学习架构。该架构训练两个神经网络相互竞争，从而从给定的训练数据集生成更真实的新数据。例如，您可以从现有图像数据库生成新图像，也可以从歌曲数据库生成原创音乐。GAN 之所以被称为对抗网络，是因为该架构训练两个不同的网络并使其相互对抗。一个网络通过获取输入数据样本并尽可能对其进行修改来生成新数据。另一个网络尝试预测生成的数据输出是否属于原始数据集。换句话说，预测网络决定生成的数据是假的还是真的。系统会生成更新、改进版本的假数据值，直到预测网络不再能够区分假数据值和原始数据值。
3个优势
能更好建模数据分布（图像更锐利、清晰）
理论上，GANs 能训练任何一种生成器网络。其他的框架需要生成器网络有一些特定的函数形式，比如输出层是高斯的。
无需利用马尔科夫链反复采样，无需在学习过程中进行推断，没有复杂的变分下界，避开近似计算棘手的概率的难题。
2个缺陷
难训练，不稳定。生成器和判别器之间需要很好的同步，但是在实际训练中很容易D收敛，G发散。D/G 的训练需要精心的设计。
模式缺失（Mode Collapse）问题。GANs的学习过程可能出现模式缺失，生成器开始退化，总是生成同样的样本点，无法继续学习。
实际应用：
生成图像数据集
生成人脸照片
生成照片、漫画人物
图像到图像的转换
文字到图像的转换
自动生成模特
d.深度强化学习 – RL
强化学习算法的思路非常简单，以游戏为例，如果在游戏中采取某种策略可以取得较高的得分，那么就进一步“强化”这种策略，以期继续取得较好的结果。这种策略与日常生活中的各种“绩效奖励”非常类似。我们平时也常常用这样的策略来提高自己的游戏水平。
在 Flappy bird 这个游戏中，我们需要简单的点击操作来控制小鸟，躲过各种水管，飞的越远越好，因为飞的越远就能获得更高的积分奖励。
这就是一个典型的强化学习场景：
机器有一个明确的小鸟角色——代理
需要控制小鸟飞的更远——目标
整个游戏过程中需要躲避各种水管——环境
躲避水管的方法是让小鸟用力飞一下——行动
飞的越远，就会获得越多的积分——奖励
我们经常遇到的人工智能，机器学习以及深度学习之间的关系
深度学习、神经网络
深度学习的概念源于人工神经网络的研究，但是并不完全等于传统神经网络。
不过在叫法上，很多深度学习算法中都会包含”神经网络”这个词，比如：卷积神经网络、循环神经网络。
所以，深度学习可以说是在传统神经网络基础上的升级，约等于神经网络。
传统机器学习和深度学习的核心区别
传统机器学习的特征提取主要依赖人工，针对特定简单任务的时候人工提取特征会简单有效，但是并不能通用。
深度学习的特征提取并不依靠人工，而是机器自动提取的。这也是为什么大家都说深度学习的可解释性很差，因为有时候深度学习虽然能有好的表现，但是我们并不知道他的原理是什么。
优点1：学习能力强
从结果来看，深度学习的表现非常好，他的学习能力非常强。
优点2：覆盖范围广，适应性好
深度学习的神经网络层数很多，宽度很广，理论上可以映射到任意函数，所以能解决很复杂的问题。
优点3：数据驱动，上限高
深度学习高度依赖数据，数据量越大，他的表现就越好。在图像识别、面部识别、NLP 等部分任务甚至已经超过了人类的表现。同时还可以通过调参进一步提高他的上限。
优点4：可移植性好
由于深度学习的优异表现，有很多框架可以使用，例如 TensorFlow、Pytorch。这些框架可以兼容很多平台。
缺点1：计算量大，便携性差
深度学习需要大量的数据很大量的算力，所以成本很高。并且现在很多应用还不适合在移动设备上使用。目前已经有很多公司和团队在研发针对便携设备的芯片。这个问题未来会得到解决。
缺点2：硬件需求高
深度学习对算力要求很高，普通的 CPU 已经无法满足深度学习的要求。主流的算力都是使用 GPU 和 TPU，所以对于硬件的要求很高，成本也很高。
缺点3：模型设计复杂
深度学习的模型设计非常复杂，需要投入大量的人力物力和时间来开发新的算法和模型。大部分人只能使用现成的模型。
缺点4：没有”人性”，容易存在偏见
由于深度学习依赖数据，并且可解释性不高。在训练数据不平衡的情况下会出现性别歧视、种族歧视等问题。
