深度学习在图像识别中的研究进展与展望_深度学习图像识别研究现状

深度学习在图像识别中的研究进展与展望

深度学习是近十年来人工智能领域取得的最重要的突破之一。它在语音识别、自然语言处理、计算机视觉、图像与视频分析、多媒体等诸多领域都取得了巨大成功。本文将重点介绍深度学习在物体识别、物体检测、视频分析的最新研究进展，并探讨其发展趋势。

1、深度学习发展历史的回顾

现在的深度学习模型属于神经网络。神经网络的历史可以追溯到上世纪四十年代，曾经在八九十年代流行。神经网络试图通过大脑认知的机理，解决各种机器学习的问题。1986年Rumelhart、Hinton和Williams在《自然》发表了著名的反向传播算法用于训练神经网络^[1]，直到今天仍然被广泛使用。

但是后来由于种种原因，大多数学者在相当长的一段时间内放弃了神经网络。神经网络有大量的参数，经常发生过拟合问题，即往往在训练集上准确率很高，而在测试集上效果差。这部分归因于当时的训练数据集规模都较小。而且计算资源有限，即便是训练一个较小的网络也需要很长的时间。总体而言，神经网络与其它模型相比并未在识别的准确率上体现出明显的优势，而且难于训练。

因此更多的学者开始采用诸如支持向量机、Boosting、最近邻等分类器。这些分类器可以用具有一个或两个隐含层的神经网络模拟，因此被称作浅层机器学习模型。它们不再模拟大脑的认知机理；相反，针对不同的任务设计不同的系统，并采用不同的手工设计的特征。例如语音识别采用高斯混合模型和隐马尔可夫模型，物体识别采用SIFT特征，人脸识别采用LBP特征，行人检测采用HOG特征。

2006年，Geoffrey Hinton提出了深度学习，之后深度学习在诸多领域取得了巨大成功，受到广泛关注。神经网络能够重新焕发青春的原因有几个方面。首先是大数据的出现在很大程度上缓解了训练过拟合的问题。例如ImageNet^[2]训练集拥有上百万有标注的图像。计算机硬件的飞速发展提供了强大的计算能力，使得训练大规模神经网络成为可能。一片GPU可以集成上千个核。此外神经网络的模型设计和训练方法都取得了长足的进步。例如，为了改进神经网络的训练，学者提出了非监督和逐层的预训练。它使得在利用反向传播对网络进行全局优化之前，网络参数能达到一个好的起始点，从而训练完成时能达到一个较好的局部极小点。

深度学习在计算机视觉领域最具影响力的突破发生在2012年，Hinton的研究小组采用深度学习赢得了ImageNet^[2]图像分类的比赛^[3]。ImageNet是当今计算机视觉领域最具影响力的比赛之一。它的训练和测试样本都来自于互联网图片。训练样本超过百万，任务是将测试样本分成1000类。自2009年，包括工业界在内的很多计算机视觉小组都参加了每年一度的比赛，各个小组的方法逐渐趋同。在2012年的比赛中，排名2到4位的小组都采用的是传统的计算机视觉方法，手工设计的特征，他们准确率的差别不超过1%。Hinton的研究小组是首次参加比赛，深度学习比第二名超出了10%以上。这个结果在计算机视觉领域产生了极大的震动，掀起了深度学习的热潮。

计算机视觉领域另一个重要的挑战是人脸识别。Labeled Faces in the Wild(LFW)^[4]是当今最著名的人脸识别测试集，创建于2007年。在此之前，人脸识别测试集大多采集于实验室可控的条件下。LFW从互联网收集了五千多个名人的人脸照片，用于评估人脸识别算法在非可控条件下的性能。这些照片往往具有复杂的光线、表情、姿态、年龄和遮挡等方面的变化。

LFW的测试集包含了6000对人脸图像。其中3000对是正样本，每对的两张图像属于同一个人；剩下3000对是负样本，每对的两张图像属于不同的人。随机猜的准确率是50%，有研究表明^[5]，如果只把不包括头发在内的人脸的中心区域给人看，人眼在LFW测试集上的识别率是97.53%。如果把整张图像，包括背景和头发给人看，人眼的识别率是99.15%。经典的人脸识别算法Eigenface^[6]在这个测试集上只有60%的识别率。在非深度学习的算法中，最好的识别率是96.33%^[7]。目前深度学习可以到达99.47%的识别率^[8]。

在学术界收到广泛关注的同时，深度学习也在工业界产生了巨大的影响。在Hinton的科研小组赢得ImageNet比赛之后6个月，谷歌和百度都发布了新的基于图像内容的搜索引擎。他们沿用了Hinton在ImageNet竞赛中用的深度学习模型，应用在各自的数据上，发现图像搜索的准确率得到了大幅度的提高。百度在2012年就成立了深度学习研究院，于2014年五月又在美国硅谷成立了新的深度学习实验室，聘请斯坦福著名教授吴恩达担任首席科学家。Facebook于2013年12月在纽约成立了新的人工智能实验室，聘请深度学习领域的著名学者，卷积网络的发明者YannLeCun作为首席科学家。2014年1月，谷歌四亿美金收购了一家深度学习的创业公司，DeepMind。鉴于深度学习在学术和工业界的巨大影响力，2013年MIT Technology Review将其列为世界十大技术突破之首。

2、深度学习有何与众不同？

许多人会问，深度学习和其它机器学习方法相比有哪些关键的不同点，它成功的秘密在哪里？我们下面将对这些从几个方面作简要的阐述。

2.1、特征学习

深度学习与传统模式