聚焦和增强卷积神经网络

卷积神经网络是一种主流的深度学习模型，它可以用神经网络模型来处理序列化的数据，比如文本、音频和视频数据。它能把一个序列浓缩为抽象的理解，以此来表示这个序列，乃至新产生一个序列。

基本的RNN网络设计对长序列串往往束手无策，但是它的特殊变种 —— “长短期记忆模型（LSTM）” —— 则能处理这些数据。这类模型被认为非常强大，在许多类别的任务上取得了显著的成绩，包括机器翻译、语音识别、和看图写话等。因此，卷积神经网络在过去几年内变得非常流行。

随着卷积神经网络的流行，我们看到人们试图用各种方法来提升RNN模型的效果。其中，有四个方向的改进效果比较显著：

这些技术都是RNN模型可能的扩展方向，但真正让我们兴奋的是可以将这些技术都合并起来，就像是更广阔空间中的一些点聚合。而且，这些技术所基于的底层技术都相同 —— 被称作聚焦机制（attention）。

我们猜测这些“增强神经网络”在今后几年内对于拓展深度学习的能力将会扮演重要的角色。

神经图灵机器

神经图灵机器（Graves, et al., 2014）将RNN模型与一个外部记忆模块结合。由于向量表达是神经网络界的自然语言，所以记忆的是一组向量值：

但是，读和写的过程又是怎样的呢？这里的挑战在于我们想区分这两个过程。具体说来，我们想区分读和写的区域，那么我们就能学会从哪儿去读取，写入到什么位置。由于存储地址本质上是离散化的，因此这个问题比较棘手。神经图灵机器采用了一种非常聪明的解决方案：它们在每一步以不同的程度来读和写各个位置。

以读取为例，不同于指定一个位置读取，RNN模型给出了“聚焦分布（attention distribution）”，描述了我们对不同记忆位置的关注程度。因此，读取操作是带权重的累加。

同样的，我们每次以不同的程度写入内容。聚焦分布描述了我们在每个位置的写入量。记忆单元中某个位置的新值是旧的记忆内容与新写入内容的组合，它们之间的位置由聚焦权重所决定。

但是，神经图灵机器是如何决定需要聚焦在哪一块记忆区域呢？事实上，它们结合了两种不同的方法：基于内容的聚焦和基于位置的聚焦。基于内容的方法让神经图灵机器搜索遍历它们的记忆库，然后关注在与内容相符合的区域，而基于位置的方法则允许在记忆区域的相对运动，使得神经图灵机器可以循环。

这种读写能力使得神经图灵机器可以进行很多种简单的运算，超越了普通神经网络的能力。比如，它们可以学习记忆一段长序列，然后不断地循环重复。随着它们不断地循环，我们能观测到它读写的位置，能够更全面地理解其工作原理：

它们还能学习模仿查询表，甚至学习对数字排序！然而，它们却无法完成许多基本任务，比如加法或者乘法运算。

Graves, et al., 2014文中介绍了大量的实验。这张图片展现了“重复复制”的实验。

自最初的神经图灵机器论文发表之后，在这一领域方向又涌现出了大量优质论文。神经GPU(Kaiser & Sutskever, 2015) 克服了神经图灵机器无法计算加法和乘法的缺陷。Zaremba & Sutskever, 2016采用强化学习的方法训练NTM。神经随机访问机器（Neural Random Access Machines Kurach et al., 2015)基于指针运行。一些论文尝试了不同的数据结构，比如堆栈和队列（Grefenstette et al. 2015; Joulin & Mikolov, 2015)。记忆网络（Weston et al., 2014; Kumar et al., 2015）是解决类似问题的另一种方式。

这些模型能解决的任务并没有太复杂，比如数字的相加，传统的程序就能轻而易举地解决。但神经网络模型不仅局限于此，例如神经图灵机器在能力上有了深远的突破。

代码

这些模型有许多开源的实现版本。神经图灵机器的开源实现版本有Taehoon Kim’s (TensorFlow), Shawn Tan’s (Theano), Fumin’s (Go), Kai Sheng Tai’s (Torch), and Snip’s (Lasagne)。神经GPU论文的代码已经开源，合并到了 TensorFlow模型代码库。记忆网络的开源实现有Facebook’s (Torch/Matlab), YerevaNN’s (Theano), and Taehoon Kim’s (TensorFlow)。

适应性计算时间（Adaptive Computation Time）

在翻译句子时，我们会尤其关注当前正在翻译的词语。在转换语音记录时，我们会集中注意认真聆听正在书写的片段。如果你让我描述我所在的屋子，我肯定会瞥一眼正在描述的屋内物品。

神经网络模型可以使用聚焦来实现同样的动作，专注于所提供信息的某一部分。例如，一个RNN模型可以输入另一个RNN模型的输出。它在每一步都会关注另一个RNN模型的不同位置。

我们希望聚焦点是可区分的，从而能学会需要关注哪些位置。因此，我们借用了神经图灵机器的技巧：关注所有位置，只是程度不一样。

聚焦分布通常是由基于内容的聚焦产生。RNN模型生成一个搜索词描述其希望关注的位置。然后计算每条内容与搜索词的点乘得分，表示其与搜索词的匹配程度。这些分数经过softmax函数的运算产生聚焦的分布。

聚焦机制在RNN模型的使用场景之一是语言翻译（Bahdanau, et al. 2014）。若用传统的序列到序列模型做翻译，需要把整个输入词汇串缩简为单个向量，然后再展开恢复为序列目标语言的词汇串。聚焦机制则可以避免上述操作，RNN模型逐个处理输入词语的信息，随即生成相对应的词语。

RNN模型之间的这类聚焦还有许多其它的应用。它可以用于语音识别（Chan, et al. 2015），其中一个RNN模型处理语音信号，另一个RNN模型则滑动处理其输出，然后关注相关的区域生成文本内容。

图片来自于Chan, et al. 2015

聚焦机制的其它用途还包括文本解析（Vinyals, et al., 2014）生成一棵解析树，以及用于会话模型（Vinyals & Le, 2015），模型可以根据之前的会话内容生成回复。

聚焦机制还能用作卷积神经网络CNN和RNN模型的接口。这使得RNN模型每一步都在关注图片的不同区域。这种方法的用途之一就是给图片添加描述。首先，用卷积神经网络处理图像，提取高层次的特征。然后运行RNN模型，生成图像的描述。随着RNN模型在图像的卷积网络特征的关注部位不同，生成相对于的描述文字。我们来将这个过程可视化：

图片来自 Xu, et al., 2015

推而广之，若某个神经网络的输出具有重复性的结构，就能使用聚焦接口（attentional interfaces）与这个神经网络相衔接。

聚焦接口被认为是一项非常普及和有效的技术，受到了越来越多的应用。

适应性计算时间（Adaptive Computation Time）

标准的RNN模型每一步所消耗的计算时间都相同。这似乎与我们的直觉不符。我们在思考难题的时候难道不需要更多的时间吗？

适应性计算时间（Adaptive Computation Time Graves, 2016）是解决RNN每一步消耗不同计算量的方法。笼统地说：就是让RNN模型可以在每个时间片段内进行不同次数的计算步骤。

为了让网络模型学会需要计算多少步，我们希望步数有区别性。因此我们采用了之前提到过的技巧：我们给需要计算的步数设了聚焦分布，而不是指定具体的数值。输出的是每一步的带权重结合。

上图省略了不少细节内容。下图是一个时间片段的完整示意图，包括了三个计算步骤。

看上去有点儿复杂，所以我们一步步往下看。从较高的层次观察，我们仍旧运行RNN模型，输出各个状态的带权重组合：

每一步的权重值由“halting neuron”决定。这个神经元事实上是一个sigmoid函数，输出一个终止权重，可以理解为需要在当前步骤终止的概率值。

停止权重值的总和等于1，每一步结束后要减去相应的值。一旦这个值小于了epsilon，我们就停止计算。

当训练Adaptive Computation Time模型时，可以在损失函数添加一项“ponder cost”，用来惩罚模型的累积计算时间。这一项的值越大，就更不倾向于降低计算时间。

ACT仍是一个非常新的概念，但是我们相信它以及其它类似的概念今后一定会发挥作用。

代码

目前开源的ACT代码貌似只有 Mark Neumann’s (TensorFlow)

展望

在某种程度上，事先有准备的人会比两手空空的人更聪明。我们使用数学符号能解决许多新问题，而我们依靠计算机则可以完成更多不可思议的任务，远远超出了我们的个人能力。

一般来说，智慧的表现形式往往是人类启发式直觉与更细腻的媒介的交互过程，比如语言和公式。有时候，这种媒介是实实在在存在的物体，可以用来存储信息，避免我们犯错误或是进行繁重的计算任务。在其它情况下，这种媒介是我们脑子里的模型。无论如何，它似乎是智慧的基础。

机器学习领域的最新研究成果已经带有这种味道了，将神经网络的直觉与其他东西结合。一种方法是所谓的“启发式搜索”。例如，AlphaGo (Silver, et al., 2016) 建立了一个下围棋的模型，在神经网络的指导下探索如何进行游戏。同样的，DeepMath (Alemi, et al., 2016)利用神经网络处理数学表达式。我们在本文中提到的“增强RNN”属于另一种方法，我们将RNN模型与工程媒介相结合，以提高它们的泛化能力。

与媒介的互动自然会涉及到一系列的采取行动、观察情况、继续行动步骤。这就产生了一个重大的挑战：我们如何学习该采取哪些行动？这听起来像是一个强化学习的问题，我们当然可以采取强化学习方法。但是强化学习也正在攻坚解决这些难题，其解决办法目前也很难被采用。聚焦的好处在于它让我们比较轻松地绕开了这个问题，我们可以不同程度地采取所有行动。而强化学习只允许我们选择一条道路，从中学习经验。聚焦机制在岔路口会选择所有的方向，然后将各条路径的结果合并起来。

聚焦机制的一大弱点就是每一步都需要执行一个“行动”。这导致消耗的计算资源呈线性增长。有一种解决方式是将聚焦稀疏化，因此只需要处理其中的一部分记忆单元。然而，也许你希望聚焦点是基于记忆单元的，这样势必需要浏览所有的内存单元，这又带来了不小的挑战。我们看到了一些初步的解决方案，例如Andrychowicz & Kurach, 2016，似乎还有很大的提升空间。

增强RNN和其背后的聚焦技术真的领入兴奋。我们期待看到它们取得更大的进展！