LeCun：智能的精华在于预测能力！“预测学习”了解一下！

导读：在NIPS 2016大会上，著名研究者LeCun提出了预测学习（predictive learning）概念。在他的讲稿中，将机器学习比喻为“蛋糕”：

强化学习，是蛋糕上的小樱桃：输入数据，输出1个数字，代表对于奖励的预测。

有监督学习，是蛋糕的糖霜：输入数据，输出少量结论，例如图像的分类。

无监督学习，预测学习，是蛋糕的真正本体：输入数据，输出同样量级的预测。

□ 例如：输入部分缺失的图像，输出将图像补充完整后的结果。

□ 例如：输入一段视频，输出对于视频的未来发展的预测，如下图所示。

预测学习很重要，而且可能是通往强人工智能的必经之路。目前深度学习的领军人物Hinton、LeCun、Bengio均在此投入了研究，也许它将带来AI的下一场革命。

在笔者看来，预测学习有几个重要特点：

1. 它需要逻辑，需要常识

例如，在预测视频的发展时，需学会物理定律（如牛顿三定律），学会不同事物的特征（如人体的不同关节的运动方法），学会空间立体的概念（需处理物体的平移，旋转，相互间的遮挡），等等。

在推理和预测过程中，还需要记忆，包括长期和短期记忆。目前研究人员已有办法为网络加入各种记忆模组。

2. 它的数据特别容易获得

首先，它是无监督方法，无需人工标记。其次，网络上已经有浩如烟海的视频，截取出的每个片段都可用于训练。而且我们还可用摄像头轻松生成无穷无尽的新视频，甚至可让AI学会主动控制摄像头。

我们还可使用游戏引擎生成视频画面。

3. 此前我们已看到数据对于深度学习的关键性

在使用海量数据训练后，深度网络有可能会逐渐掌握逻辑和常识，改善它此前在这两方面的缺陷，甚至自动发现物理定律。

“情感神经元”是很好的例证：仅仅是要求网络学会预测，网络就可自动发现深层次的规律。

4. 预测学习也有非常实际的用途

例如，在自动驾驶中，如果能预测其它车辆和行人的行为，就可以改善自动驾驶的性能和安全性。

在LeCun的讲稿中，给出了如下公式：

智能 = 感知 + 预测 + 记忆 + 推理和规划

笔者将其总结为：

记忆过去，感知现在，预测未来

如果与强化学习结合，可得到如下图所示的更完整的架构图。这里智能体的目标是最小化费用，这需要通过对世界建模实现。

目前在预测学习领域已有许多有趣的工作，例如让网络预测游戏环境中物体的下落和碰撞轨迹（PhysNet, https://arxiv.org/abs/1603.01312），如下图所示。

左边是游戏场景。右边上排是实际的下落和碰撞情况。右边下排是网络的预测，其中第1张图像是网络的输入，后续3张图像都是网络的预测。

可见，网络有能力大致预测出方块的运动情况，不过会随着时间的推移而越来越模糊。

这是预测模型中的常见现象，是因为未来有不确定性。如下图所示，未来有多种可能性，我们无法提前判知。

因此，如使用MSE作为拟合目标，网络会无所适从，最终造成图像模糊。

解决方法是引入GAN思想，用判别器网络判断未来的发展是否为真。这样网络可以给出更清晰的预测（虽然预测无法囊括未来的所有发展）。

例子见https://github.com/dyelax/Adversarial_Video_Generation，其中的动画非常有趣，推荐读者打开看一看。例如，对于吃豆人游戏的画面预测，如果不使用GAN，在经过一个岔路口时，由于网络不知道吃豆人会选择哪个路口，因此会在画面中同时显示出吃豆人向上走和向下走的轨迹。

关于作者：彭博，人工智能、量化交易、区块链领域的技术专家，有20年以上的研发经验。 在人工智能与信息科技方面，对深度学习、机器学习、计算机图形学、智能硬件等有较为深入的研究。

本文摘编自《深度卷积网络：原理与实践》，经出版方授权发布。