人工智能算法综述

“那一些被认作常识的东西，是不是只是时代的附属品？从整个历史的长河去看待，也许是一些莫名其妙或者残忍至极的怪事而已”

———— 默默无名

这两年因为一些爆炸式的AI应用，导致又把公众的视野转向这个方向发展，自图灵提出“图灵测试”之后，AI已经爆发了两次热潮，相应的也跌入了两次低谷，目前看应该是进入了第三次的热潮，但是之后是迎来“奇点”，还是第三次低谷，尚不可知。

强人工智能（也就是通用人工智能），或者说机器的自我意识，自然是一个终极目标，但是当我们朝着这个目标行进的时候，总会获得一些小奖励，这些小奖励就是现在的弱人工智能，一些很实用的算法理论跟应用，虽然落地还有一些难度，但是整体趋于成熟，商用的应用已经开始遍地开花，短时间内将会引发全行业AI+，所有业务都会被AI刷新一遍，当然有人会说一堆职业要消亡了，又有很多人要下岗了。但是也同样会创造出更多的职业与岗位。而且自有人类以来，这件事我们也干过不少次了（前三次工业革命），完全不用惊慌，历史的车轮滚滚而行，总会丢下一部分人，又载上另外一部分人，时代就是逆水行舟，不进则退，总要保持学习，保持上进，保持饥渴。如果时代抛弃了你连一句再见也不说，那你就得赶紧加快脚步上去揍它一顿。

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闲话少说，为各位呈上各类流弊的算法简介（通俗易懂的说明，具体细节不表），可能会有些地方讲的不对，希望能得到一点友情提醒，我会立马修正。

CNN：卷积神经网络

我在上一篇关于 tensorflow(谷歌开源AI框架)的踩坑日志有说过一点关于卷积神经网络的基本原理。

当然具体原理我还是推荐看这篇http://www.36dsj.com/archives/24006

就是卷积层+N层神经网络BP层（也叫全链接层） 关于 BP的原理我之前有写过一篇了，翻回去看看就有了。

那卷积层具体是什么呢？很像是一个滤镜层，我们知道实际上图像是由每个像素点组成的矩阵，然后每个像素点又可以由 RGB 3原色的数值表示范围是（0-255） 如果做一次灰度处理，那么每个像素点就是由0-255的灰度数值表示。那图像就等同于 一个 2维的 数字矩阵。 当然如果颜色想保留的话，不做灰度处理的话，RGB就等同于3个不同的矩阵，长宽是一样的。里面的数值不同而已。

那我们回到卷积层，就是拿一个卷积核在这个矩阵上滚一遍（矩阵相乘）得出一个新的矩阵。卷积核也是一个小的2维矩阵，不同数值的卷积核，可以对这张图片提取的信息不同，这就是图像的特征， 比如说把一个专门提取竖线的卷积核在原始图片上滚一遍，就能获得一个全部都是竖线的特征图。如果我们要做一个竹子的识别器，肯定要用这个特征了。但是如果要做一个篮球的识别器，就用不上了，用或者不用，这是由BP层决定的。但是提取的工作还是要做的，但是怎么决定卷积核应该是由什么数值构成呢？随机! 因为这个算法比较通用，可以做成识别各种东西，所以卷积核应该是任意特征都能提取的，那只要生成1000，1W ，或者1亿个卷积核，每个都在这个图像上滚一遍，就能提取1亿种特征了。如果最后BP层只用到其中一个特征就能识别竹子或者篮球。那岂不是非常浪费，所以卷积核的数量要根据识别复杂度而定。否则计算量很可怕。

当然CNN里面还有很多细节，比如池化层，归一化，dropout 。

池化层也有几种不同的方法，如果是求均值就是mean pooling，求最大值就是max pooling

池化就是降维比较好理解一点吧，为了减少计算量。

归一化（Normalization，也叫规范化）是为了让数据在网络中传输的时候不要太大，或者太小，或者太稀疏。

早前的一些归一化方法 看这篇 《归一化方法总结》http://blog.csdn.net/junmuzi/article/details/48917361

后来google 有一篇论文讲了另外一种方式Batch Normalizationhttp://blog.csdn.net/zhikangfu/article/details/53391840

听说效果不错。

dropout是指随机的把一些特征失效掉来训练这个网络，这样泛化能力比较强。我自己实践过一次，但是感觉训练过程变得更久了，波动更大了。慎用。

全链接层的梯度下降方法也有很多种如：http://blog.csdn.net/xierhacker/article/details/53174558

这里列了一些tensorflow 内置的一些梯度下降优化器GradientDescentOptimizer，AdagradOptimizer，MomentumOptimizer，AdamOptimizer

CNN的算法里面有很多参数要调，比如说网络的层数，初始学习率，dropout的概率等等，这类统称为超参数

有文章说现在很多CNN的工作都是很枯燥的调参数，因为训练一次周期很长，超参数的调整又跟具体的要识别的东西相关性很强，比如说训练10种类别，跟训练1000种类别的网络深度就是不同的，前面我写踩坑日志的时候就犯了这个错误，拿一个很简单的网络去训练很多种类，结果一直不收敛。loss很大。

当然关于调参数也有一些很实用的实践性经验分享，大家可以自行去找找。这里我就不细说了。

虽然我们刚才说的都是图像上的，但是文字跟音频也可以转化成这种输入，类似说1*N的矩阵。

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RL：强化学习（reinforcement learning）

关于RL的详细内容可以看 Deepmind 的公开课

这里给大家分享一个B站带中文字幕的视频，每课100分钟左右，总共10课，16个小时也能看完，不过因为相对比较晦涩，我建议是不要一次性看完，不然一脸懵逼的进去，一脸懵逼的出来。遇到不懂的就去问问，懂了再继续看。 https://www.bilibili.com/video/av9831889/

强化学习核心的原理是：

造一个agent（智能代理者）跟环境（state）交互（action）然后根据获得的反馈（reward）反复训练后，这个agent可以在遇到任意的state时都能选择最优的决策（action），这个最优的决策会在未来带来最大化的reward。

RL解决的问题是连续决策问题，就是有一系列的决策之后才会获得奖励的现实问题。比方说某baby 3岁，暂且先叫A酱，A酱还不会拿杯子喝东西。我们知道最优策略就是

：靠近杯子，拿起来，倒进嘴巴里。

但是她一开始的时候并不知道看到一个杯子在远处，究竟是应该靠近，还是远离。而且就算反复做了这2件事，也没有一些立即奖励给她（喝到东西）。所以说奖励是滞后的，但是我们希望可以对动作的打分，根据分数的高低让智能体决定要做的事情，比方说 靠近杯子10分，远离杯子-10分。如果每一步都有这样的标量作为衡量标准的话，那么她就可以知道要获得奖励的最优策略是什么了，当然有些动作在不同的场景下会导致不同的效果，所以这里的打分要针对 state-action pair（状态-动作对） 评分。

所以RL的作用就是经过反复的训练，为每对action-state 提供一个分数。这就Value based（其中的一种的RL算法实现方式）。

如果先假设 最终的奖励分数是 100分。那么究竟前一步应该分配多少分呢？然后前前一步又是多少？这里就用到了贝尔曼方程

具体细节可以看这篇http://blog.csdn.net/VictoriaW/article/details/78839929

s ：state

a：action

Q就是我上面讲的分数。然后Qπ 指的就是最优策略下的分数函数。

P是指状态s下决定某动作a之后 =》下一个状态s的转移概率。（比方说A酱虽然见到了杯子，然后她使用了动作a1（拿起来）但是不一定能够成功，这里有个转移概率P）。

R是指立即奖励。

指折扣率，是一个0-1的数，就是指未来的Q值对当前Q的影响有多少，如果是1的话就是100%影响。

这里我们可以看到，当前的Q值是由两部分组成，当前R值+下一个状态的Q值。

假设 折扣率这里是0.5，最终的奖励分数是 100分。

反过来推导的话，A酱在喝到杯中物的时候 Q值等于R值，因为没有下一个状态了。在往前一个动作 （拿起杯子）因为只有1个动作，而且立即奖励R=0，所以Q值等于 0+ 0.5*100=50 。

然后再往前面一步，状态1(见到杯子)的时候 选择 （靠近），所以Q值 是 0+0.5*（0+ 0.5*100）=25

这是我们通过已知最优策略然后用贝尔曼方程反推Q值，这样便于理解Q值的含义。

虽然不知道最优策略，但是如果我们有一个所有状态所有动作的 记录Q值的表，只要反复通过上面的过程推导就能知道这个大表的所有值，最终就能通过这个大表知道最优策略。

这就是Q-learning 算法的逻辑。

当然Q-learning是不实用的，因为如果state 跟action有非常多，这个表数据量要爆炸的。

所以后续又发展好多算法，我推荐读一下DQN相关的算法。

RL很早很早就有了。

强化学习的历史发展

1. 1956年Bellman提出了动态规划方法。
2. 1977年Werbos提出只适应动态规划算法。
3. 1988年sutton提出时间差分算法。
4. 1992年Watkins 提出Q-learning 算法。
5. 1994年rummery 提出Saras算法。
6. 1996年Bersekas提出解决随机过程中优化控制的神经动态规划方法。
7. 2006年Kocsis提出了置信上限树算法。
8. 2009年kewis提出反馈控制只适应动态规划算法。
9. 2014年silver提出确定性策略梯度（Policy Gradents）算法。
10. 2015年Google-deepmind 提出Deep-Q-Network算法。

因为alphaGo 就是基于RL的，主要用了蒙特卡罗树搜索算法 （MCTS）然后RL这两年又被大神们推进了好多优化。

这里有一篇http://geek.csdn.net/news/detail/201928

我摘一段放这里说明一下实现RL算法的几种类别：

• Model-free：不尝试去理解环境, 环境给什么就是什么，一步一步等待真实世界的反馈, 再根据反馈采取下一步行动。

• Model-based：先理解真实世界是怎样的, 并建立一个模型来模拟现实世界的反馈，通过想象来预判断接下来将要发生的所有情况，然后选择这些想象情况中最好的那种，并依据这种情况来采取下一步的策略。它比 Model-free 多出了一个虚拟环境，还有想象力。

• Policy based：通过感官分析所处的环境, 直接输出下一步要采取的各种动作的概率, 然后根据概率采取行动。

• Value based：输出的是所有动作的价值, 根据最高价值来选动作，这类方法不能选取连续的动作。

• Monte-carlo update：游戏开始后, 要等待游戏结束, 然后再总结这一回合中的所有转折点, 再更新行为准则。

• Temporal-difference update：在游戏进行中每一步都在更新, 不用等待游戏的结束, 这样就能边玩边学习了。

• On-policy：必须本人在场, 并且一定是本人边玩边学习。

• Off-policy：可以选择自己玩, 也可以选择看着别人玩, 通过看别人玩来学习别人的行为准则。

RL现阶段比较实用的算法是:

DQN,DDPG,A3C,DPPO 等

这里有一篇deepmind 关于DQN混血的报道http://tech.ifeng.com/a/20171010/44710270_0.shtml

摘一张图大家看看

横轴是训练次数，纵轴是超过人类水平百分比，100%就是等同于平均的人类玩游戏的水平，在57款雅达利游戏中的平均表现。

今天就先讲这么多，之后我会陆续补充一下算法的综述，感谢各位阅读！

GANs：生成对抗网络（待续）

RNN：循环神经网络（待续）

LSTM：长短期记忆网络（待续）

迁移学习（待续）

这两年一些很有趣的开源应用示例，以及使用的算法

CNN ：图像识别 人脸识别 风格迁移

RL ：alphaGO 游戏代打 机器人控制 阿里商品推荐系统

GANs：风格迁移 草图生成实体图 猫脸转狗脸 去掉图像遮挡 年龄转移 超分辨率

RNN LSTM：翻译模型，生成古诗，生成对联，PSD生成HTML代码