73岁Hinton老爷子构思下一代神经网络：属于无监督对比学习
2020-07-29
作者：魔王、杜伟
来源：机器之心
在近期举行的第 43 届国际信息检索年会 （ACM SIGIR2020） 上，Geoffrey Hinton 做了主题为《The Next Generation of Neural Networks》的报告。
Geoffrey Hinton 是谷歌副总裁、工程研究员，也是 Vector Institute 的首席科学顾问、多伦多大学 Emeritus 荣誉教授。2018 年，他与 Yoshua Bengio、Yann LeCun 因对深度学习领域做出的巨大贡献而共同获得图灵奖。
自 20 世纪 80 年代开始，Geoffrey Hinton 就开始提倡使用机器学习方法进行人工智能研究，他希望通过人脑运作方式探索机器学习系统。受人脑的启发，他和其他研究者提出了「人工神经网络」（artificial neural network），为机器学习研究奠定了基石。
那么，30 多年过去，神经网络神经网络的未来发展方向在哪里呢？
Hinton 在此次报告中回顾了神经网络的发展历程，并表示下一代神经网络将属于无监督对比学习。
Hinton 的报告主要内容如下：
人工神经网络最重要的待解难题是：如何像大脑一样高效执行无监督学习。
目前，无监督学习主要有两类方法。
第一类的典型代表是 BERT 和变分自编码器（VAE），它们使用深度神经网络重建输入。但这类方法无法很好地处理图像问题，因为网络最深层需要编码图像的细节。
另一类方法由 Becker 和 Hinton 于 1992 年提出，即对一个深度神经网络训练两个副本，这样在二者的输入是同一图像的两个不同剪裁版本时，它们可以生成具备高度互信息的输出向量。这类方法的设计初衷是，使表征脱离输入的不相关细节。
Becker 和 Hinton 使用的优化互信息方法存在一定缺陷，因此后来 Pacannaro 和 Hinton 用一个判别式目标替换了它，在该目标中一个向量表征必须在多个向量表征中选择对应的一个。
随着硬件的加速，近期表征对比学习变得流行，并被证明非常高效，但它仍然存在一个主要缺陷：要想学习具备 N bits 互信息的表征向量对，我们需要对比正确的对应向量和 2 N 个不正确的向量。
在演讲中，Hinton 介绍了一种处理该问题的新型高效方式。此外，他还介绍了实现大脑皮层感知学习的简单途径。
接下来，我们来看 Hinton 演讲的具体内容。
为什么我们需要无监督学习？
在预测神经网络的未来发展之前，Hinton 首先回顾了神经网络的发展进程。
演讲一开始，Hinton 先介绍了三种学习任务：监督学习、强化学习和无监督学习，并重点介绍了无监督学习的必要性。
为什么我们需要无监督学习呢？
Hinton 从生物学的角度做出了诠释。他指出，人类大脑有 10^14 个神经元突触，而生命的长度仅有 10^9 秒，因此人类无法完全依赖监督学习方式完成所有神经元训练，因而需要无监督学习的辅助。
受此启发，构建智能模型也需要无监督学习。
无监督学习的发展历程
无监督学习经过怎样的发展呢？Hinton 为我们介绍了无监督学习中的常见目标函数。
紧接着，Hinton 详细介绍了自编码器。
Hinton 表示，自编码器是一种利用监督学习实现无监督学习的方式，其目标是使最后的重建结果与数据相匹配。编码器将数据向量转换为代码，解码器基于代码生成数据。
在高屋建瓴地介绍了自编码器的定义、训练深度自编码器之前的难点和现状之后，Hinton 着重介绍了两种自编码器类型：变分自编码器和 BERT 自编码器。
使用深度神经网络重建输入：VAE 和 BERT
BERT 和变分自编码器（VAE）是无监督学习的一类典型代表，它们使用深度神经网络重建输入。
变分自编码器由韦灵思和 Kingma 于 2013 年提出，它使用多层编码器选择实数代码，然后用多层解码器重建数据。VAE 的基本构造如下图所示：
BERT 是 2018 年谷歌提出的语言表征模型，基于所有层的左、右语境来预训练深度双向表征。
语境信息对 BERT 非常重要，它利用遮蔽语言模型（masked language model，MLM）允许表征融合左右两侧的语境，从而预训练深度双向 Transformer。
Hinton 举了一个例子：「She scromed him with the frying pan」。在这个句子中，即使你不知道 scromed 的意思，也可以根据上下文语境进行推断。
视觉领域也是如此。然而，BERT 这类方法无法很好地应用到视觉领域，因为网络最深层需要编码图像的细节。
在探讨了以 VAE 和 BERT 为代表的一类无监督学习方法后，Hinton 为我们介绍了另一类无监督学习方法。
Becker 和 Hinton 提出最大化互信息方法
那么自编码器和生成模型有没有什么替代方案呢？Hinton 表示，我们可以尝试不再解释感官输入（sensory input）的每个细节，而专注于提取空间或时序一致性的特征。与自编码器不同，这种方法的好处在于可以忽略噪声。
然后，Hinton 详细介绍了他与 Suzanna Becker 在 1992 年提出的一种提取空间一致性特征的方法。该方法的核心理念是对输入的两个非重叠块（non-overlapping patch）表示之间的显式互信息进行最大化处理。Hinton 给出了提取空间一致性变量的简单示例，如下图所示：
经过训练，Hinton 指出唯一的空间一致性特征是「不一致性」（The Only Spatially Coherent Property is Disparity），所以这也是必须要提取出来的。
他表示这种最大化互信息的方法存在一个棘手的问题，并做出以下假设，即如果只学习线性映射，并且对线性函数进行优化，则变量将成为分布式的。不过，这种假设并不会导致太多问题。
以往研究方法回顾
在这部分中，Hinton 先后介绍了 LLE、LRE、SNE、t-SNE 等方法。
局部线性嵌入方法（Locally Linear Embedding, LLE）
Hinton 介绍了 Sam T. Roweis 和 Lawrence K. Saul 在 2000 年 Science 论文《Nonlinear Dimensionality Reduction by Locally Linear Embedding》中提到的局部线性嵌入方法，该方法可以在二维图中显示高维数据点，并且使得非常相似的数据点彼此挨得很近。
但需要注意的是，LLE 方法会导致数据点重叠交融（curdling）和维度崩溃（dimension collapse）问题。
下图为 MNIST 数据集中数字的局部线性嵌入图，其中每种颜色代表不同的数字：
此外，这种长字符串大多是一维的，并且彼此之间呈现正交。
从线性关系嵌入（LRE）到随机邻域嵌入（SNE）
在这部分中，Hinton 介绍了从线性关系嵌入（Linear Relational Embedding, LRE）到随机邻域嵌入（Stochastic Neighbor Embedding, SNE）方法的转变。他表示，只有「similar-to」关系存在时，LRE 才转变成 SNE。
同时，Hinton 指出，可以将 LRE 目标函数用于降维（dimensionality reduction）。
下图为 SNE 的示意图，其中高维空间的每个点都有选择其他点作为其邻域的条件概率，并且邻域分布基于高维成对距离（pairwise distance）。
从随机邻域嵌入（SNE）到 t 分布随机邻域嵌入（t-SNE）
t 分布随机邻域嵌入（t-distributed stochastic neighbor embedding, t-SNE）是 SNE 的一种变体，原理是利用一个 student-distribution 来表示低维空间的概率分布。
Hinton 在下图中展示了 MNIST 数据集中数字的 t-SNE 嵌入图，每种颜色代表不同的数字：
在介绍完这些方法之后，Hinton 提出了两个问题：1）方差约束在优化非线性或非参数映射时为何表现糟糕？2）典型相关分析或线性判别分析的非线性版本为何不奏效？并做出了解答。
最后，Hinton 提出使用对比损失（contrastive loss）来提取空间或时间一致性的向量表示，并介绍了他与 Ruslan Salakhutdinov 在 2004 年尝试使用对比损失的探索，以及 Oord、Li 和 Vinyals 在 2018 年使用对比损失复现这种想法，并用它发现时间一致性的表示。
Hinton 表示，当前无监督学习中使用对比损失一种非常流行的方法。
无监督对比学习的最新实现 SimCLR
在演讲最后，Hinton 重点介绍了其团队使用对比损失提取一致性表示的最新实现 SimCLR，这是一种用于视觉表示的对比学习简单框架，它不仅优于此前的所有工作，也优于最新的对比自监督学习算法。
下图为 SimCLR 的工作原理图：
那么 SimCLR 在 ImageNet 上的 Top-1 准确率表现如何呢？下图展示了 SimCLR 与此前各类自监督方法在 ImageNet 上的 Top-1 准确率对比（以 ImageNet 进行预训练），以及 ResNet-50 的有监督学习效果。
Hinton 表示，经过 ImageNet 上 1% 图片标签的微调，SimCLR 可以达到 85.8％的 Top-5 准确率——在只用 AlexNet 1% 标签的情况下性能超越后者。
Hinton 认为，以 SimCLR 为代表的无监督对比学习将引领下一代神经网络的发展。