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| 本文作者： Deeperblue | 2016-08-17 10:58 |
雷鋒網(wǎng)按：本文來(lái)自DeeperBlue。
雷鋒網(wǎng)注：截圖來(lái)自深黑官網(wǎng)
2016 年 8 月 16 日凌晨 00：01，湖南歐斐網(wǎng)絡(luò)科技有限公司開發(fā)的 “深黑” APP 在 Android 平臺(tái)上線公測(cè)版。“深黑” 的自我簡(jiǎn)介如下：
“為藝術(shù)愛好者打造的神奇手機(jī) APP，讓你的照片瞬間變換成藝術(shù)風(fēng)格作品。不同于傳統(tǒng)濾鏡，深黑基于人工智能，每個(gè)風(fēng)格都是由真正的藝術(shù)家訓(xùn)練、創(chuàng)作而成。只需輕輕點(diǎn)擊，就能得到不同藝術(shù)風(fēng)格，讓人驚嘆不已。”
“基于人工智能”、“不同于傳統(tǒng)濾鏡”這些用詞，加上看作品畫風(fēng)，讓人聯(lián)想起 2016 年大火、僅次于 Pokeman Go 的 APP——Prisma。
深黑的作品展示。圖片來(lái)源：oandf.cn
Prisma 體現(xiàn)了當(dāng)今人工智能時(shí)代，人們想要用計(jì)算機(jī)代替?zhèn)魇喇嫾业囊靶?。印象派、野獸派、浮世繪、波普、解構(gòu)主義，曾經(jīng)藝術(shù)風(fēng)格都是畫家腦中不可捉摸的概念。而到了人工智能時(shí)代，所有藝術(shù)風(fēng)格都被證實(shí)是可以進(jìn)行 “量化” 的，并且通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，可以源源不斷地產(chǎn)生新作品。
在量化（數(shù)學(xué)）與風(fēng)格（藝術(shù)）之間，吊詭的是時(shí)間。最勤奮的油畫畫家達(dá)芬奇，畫一幅普通作品也需要花費(fèi)一周左右；而到了人工智能時(shí)代，這個(gè)時(shí)間是：不到 20 秒。
趁著中國(guó)版 Prisma 的發(fā)布，我們今天復(fù)盤一下深度學(xué)習(xí)的圖像應(yīng)用。
似乎歐洲國(guó)家對(duì)藝術(shù)這件事比其他地區(qū)更有群眾基礎(chǔ)。早在 2016 年 Prisma 大火的一年之前，就有三個(gè)德國(guó)研究員想把計(jì)算機(jī)調(diào)教成梵高。
這三個(gè)研究員名字分別叫做萊昂 · 蓋提斯（Leon Gatys），亞歷山大 · ?？耍ˋlexander Ecker）和馬蒂亞斯 · 貝特格（Matthias Bethge），來(lái)自德國(guó)圖賓根大學(xué)（University of Tübingen）的 Bethge 實(shí)驗(yàn)室。他們研發(fā)了一種算法，模擬人類視覺的處理方式。具體是通過(guò)訓(xùn)練多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），讓計(jì)算機(jī)識(shí)別，并學(xué)會(huì)梵高的 “風(fēng)格”、然后將任何一張普通的照片變成梵高的《星空》。
Deep Art 首頁(yè)貼出得到一張 “梵高風(fēng)格” 圖片的步驟。第一步，吸收用戶拍攝的照片。第二步，讓計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)星空?qǐng)D的風(fēng)格。第三步，計(jì)算機(jī)輸出自己做的“新畫”。圖片來(lái)源：https://deepart.io/#
在人類的視覺系統(tǒng)中，從眼睛看到一件實(shí)體，到在腦中形成圖像的概念，中間經(jīng)歷了無(wú)數(shù)層神經(jīng)元的傳遞。底層的神經(jīng)元獲取到的信息是具體的，越到高層越抽象。
這三個(gè)德國(guó)人發(fā)現(xiàn)，如果用計(jì)算機(jī)模擬這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將每一層的結(jié)構(gòu)分析出來(lái)，能看到：在采樣過(guò)程中，底層網(wǎng)絡(luò)對(duì)于圖像的細(xì)節(jié)表達(dá)得特別清楚，越到高層像素保留得越少，輪廓信息越多。
所謂深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）中的 “深度（Deep）” 即意為層數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每一層都會(huì)對(duì)圖片特征進(jìn)行提取，而 “藝術(shù)風(fēng)格” 則是各層提取結(jié)果的疊加。
這三個(gè)德國(guó)人把他們的上述發(fā)現(xiàn)寫成了兩篇論文：《藝術(shù)風(fēng)格的神經(jīng)算法（A Neural Algorithm of Artistic Style）》，和《利用神經(jīng)卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行紋理合成（Texture Synthesis Using Convolutional Neural Networks）》，在學(xué)術(shù)圈引起極大的討論。
“起初，我們只是想創(chuàng)造一個(gè)關(guān)于神經(jīng)科學(xué)的新鮮事物。而藝術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)與人類的視覺系統(tǒng)有頗多相似之處。所以后來(lái)我們覺得，可以對(duì)圖片做更有趣的處理?！?nbsp;萊昂 · 蓋提斯對(duì)深藍(lán) Deeper Blue 說(shuō)。
論文發(fā)表后不久，他們便建立了一家名為 Deep Art 的初創(chuàng)公司，著手實(shí)現(xiàn)他們?cè)谡撐睦锾岢龅南敕ā?/p>
（Deep Art 網(wǎng)站，圖像制作界面。Deep Art 提供多種藝術(shù)風(fēng)格選項(xiàng)，圖像制作完成后需發(fā)至用戶郵箱。圖片來(lái)源： deepart.io）
用戶在 Deep Art 網(wǎng)頁(yè)上上傳自己的照片，然后通過(guò) Deep Art 提供的 “機(jī)器人梵高” 進(jìn)行新畫創(chuàng)作。整個(gè)過(guò)程需要等待幾個(gè)小時(shí)讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。用戶可以選擇清晰程度不等的作品。用戶可以花上 19 歐買一張適合明信片用的作品，或者多掏 100 歐，買一張大尺寸油畫級(jí)別的。
萊昂 · 蓋提斯們做的事情并不是美圖秀秀的濾鏡。在 Deep Art 出來(lái)之前，已經(jīng)有很多致敬莫奈與梵高的濾鏡類應(yīng)用，但核心原理和 Deep Art 完全不同，比如 2010 年上架的 Mobile Monet, Van Gogh Camera 。
Camera Monet 與 Van Gogh Camera的界面展示。這兩款濾鏡軟件，都能講用戶照片渲染成某種藝術(shù)效果。但核心原理和Deep Art使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完全不同。（深藍(lán)制圖）。
如果我們將同一張圖片放入 Van Gogh Camera 中，Van Gogh Camera 會(huì)按照程序員事先內(nèi)置的 “公式”，計(jì)算圖中每一個(gè)像素點(diǎn)，最后輸出一張梵高風(fēng)格的照片。但只要我們想將圖片風(fēng)格從梵高換到畢加索，程序員就必須重新寫一套代碼，更改計(jì)算 “公式”。
而在 Deep Art 中，編寫 “公式” 的程序員是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），只需輸入梵高的《星空》，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便能自動(dòng)提取這幅畫作的風(fēng)格特征，并量化成具體公式。也就是說(shuō)，藝術(shù)史上所有的作品都能作為濾鏡來(lái)源。
“卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以被看做是一個(gè)機(jī)器藝術(shù)家。” 萊昂 · 蓋提斯說(shuō)。
2016 年年初，俄羅斯計(jì)算機(jī)工程師阿列克謝 · 莫伊謝延科夫（Alexei Moiseyenkov）讀到了這三個(gè)德國(guó)人的論文。他敏銳地嗅到，德國(guó)人做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這項(xiàng)技術(shù)在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)仍是一片空白。
隨后他組建了一個(gè)四人團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了 Prisma，力求做到：免費(fèi)，更快，更簡(jiǎn)單?！?nbsp;兩個(gè)月研究數(shù)學(xué)模型，一個(gè)半月開發(fā)?！?nbsp;莫伊謝延科夫說(shuō)。
“ Prisma 第一次將這項(xiàng)技術(shù)成功商業(yè)化。他們充分考慮了智能手機(jī)覆蓋率的飛速增長(zhǎng)，并且細(xì)致研究了用戶行為。Prisma 接入的是以億數(shù)量級(jí)的市場(chǎng)。” 《莫斯科時(shí)報(bào)》這樣報(bào)道他們：“ 誰(shuí)抓住了用戶需求，誰(shuí)就能成為億萬(wàn)富翁。”
Prisma 的橫空出世，算是俄羅斯互聯(lián)網(wǎng)圈子少有的高光時(shí)刻。2016年6月中旬，這款應(yīng)用剛在 iOS 上發(fā)布，15 天內(nèi)下載量 750 萬(wàn)，火遍四十個(gè)國(guó)家。
巨大的成功甚至讓開發(fā)團(tuán)隊(duì)措手不及，不得不以每天擴(kuò)大一倍的速度提升服務(wù)器處理能力。
“看起來(lái)，整個(gè)俄羅斯都被我們征服了?！?/strong> 莫伊謝延科夫隨后在 Facebbok 上寫下了這句話。8 月 2 日，Prisma 全球范圍內(nèi)已獲得超過(guò) 5000 萬(wàn)用戶。
坐擁 2300 萬(wàn)粉絲的俄國(guó)總統(tǒng)梅德韋杰夫也成為 Prisma 的用戶。他在 Instgram 上曬出一張 Prisma 作品，迅速獲得 8.7 萬(wàn)個(gè)贊。
Prisma 比 Deep Art 先進(jìn)的地方在于，它大大縮短了圖像處理的時(shí)間。在用戶還沒有達(dá)到十幾億數(shù)量級(jí)的時(shí)候，每張照片在 Prisma 系統(tǒng)內(nèi)的處理時(shí)間只有 20 秒。其次，Prisma 是一款免費(fèi)手機(jī)應(yīng)用，相比網(wǎng)頁(yè)版的 Deep Art, 無(wú)疑具有更多的用戶基數(shù)。
20秒，全球的某個(gè)角落，一個(gè)用戶上傳照片，他的照片被傳送到位于莫斯科的服務(wù)器上，Prisma利用人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，然后經(jīng) “風(fēng)格化” 后的圖片再返回用戶手機(jī)。
這個(gè)速度在業(yè)內(nèi)是頂級(jí)的。為什么這么快？
“一定是下了血本，”一位來(lái)自國(guó)內(nèi)著名人臉識(shí)別技術(shù)公司的工程師告訴深藍(lán) Deeper Blue，“在我當(dāng)時(shí)搭建的框架之下，用普通筆記本的計(jì)算能力，做一張這樣的圖有可能需要幾個(gè)小時(shí)?！?/p>
德國(guó)人萊昂 · 蓋提斯則對(duì)深藍(lán) DeeperBlue 猜測(cè)道：“我認(rèn)為他們訓(xùn)練了一個(gè)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)制造圖片?！?/strong>
“Prisma 沒有完全依賴機(jī)器學(xué)習(xí)，而是對(duì)一些關(guān)鍵的內(nèi)容加以控制?！币晃粯I(yè)內(nèi)人士則對(duì)深藍(lán) Deeper Blue 說(shuō)，“例如，在海量的用戶上傳內(nèi)容中，一定有相當(dāng)一部分比例是人像，而相對(duì)于原始算法，Prisma 對(duì)面部細(xì)節(jié)的處理似乎更勝一籌，也許他們專門加入了對(duì)面部的識(shí)別和控制。”
據(jù)莫伊謝延科夫自己介紹，Prisma 一共用了三組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它們分工明確：兩組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)的風(fēng)格提取和照片制作，還有一組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為后臺(tái)，為整個(gè)計(jì)算過(guò)程加速。
相比之下，Deep Art 更像是精工細(xì)作的手藝人。萊昂 · 蓋提斯認(rèn)為自家的原始算法雖然慢一些，但在細(xì)節(jié)表現(xiàn)力上更勝一籌—— “是真正的藝術(shù)品?！?Deepart.io 提供的收費(fèi)高分辨率大圖，堪比一副掛在博物館墻上的畫。
Deep Art 主頁(yè)上，關(guān)于作品定價(jià)的界面展示。圖片來(lái)源：deepart.io
“他們的風(fēng)格化工作比最初的工作要弱了些，我認(rèn)為他們是做了一些較低級(jí)別的圖片處理，以掩蓋風(fēng)格化的不足，例如，加強(qiáng)了邊緣的表現(xiàn)?！?nbsp;萊昂 · 蓋提斯對(duì)深藍(lán) Deeper Blue 說(shuō)，他認(rèn)為 Prisma 犧牲了藝術(shù)質(zhì)量而求速度。
大部分人之前推測(cè) Prisma 會(huì)推出更多濾鏡來(lái)變現(xiàn)，但在 Prisma 主創(chuàng)拜訪過(guò) Facebook 之后，爆出他們的下一步的計(jì)劃是做視頻。2016 年 7 月20 日，Prisma 創(chuàng)始人莫伊謝延科夫在 Facebook 官方賬號(hào)上上傳了一段 29 秒的音樂視頻。這段視頻的每一幀，都經(jīng)過(guò)藝術(shù)風(fēng)格渲染。
一段 Prisma 藝術(shù)效果視頻。Prisma 已經(jīng)在官方 Facebook 上發(fā)布了多個(gè)音樂視頻。
然而，并不只有 Prisma 一家在轉(zhuǎn)視頻這個(gè)方向。
僅僅隔了 9 天，Prisma 的天使投資方、俄羅斯互聯(lián)網(wǎng)巨頭 Mail.Ru 公司副總裁安娜 · 阿塔莫諾娃（Anna Artamonova）在 Facebook 上宣布了 Prisma 直接競(jìng)品 Artisto 的發(fā)布。這是一款結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能技術(shù)的視頻處理軟件，可以為視頻添加動(dòng)態(tài)的藝術(shù)特效。雖然視頻長(zhǎng)度不能超過(guò) 10 秒，但名畫風(fēng)格的圖像 “動(dòng)起來(lái)” 確實(shí)賞心悅目。阿塔莫諾娃稱這個(gè)視頻軟件只花了 8 天時(shí)間研發(fā)。
副總裁 阿塔莫諾娃接連在 Facebook 上發(fā)布 Artisto 制作的視頻。 圖片來(lái)源：facebook.com
在 Prisma 安卓版上線的第二天，俄羅斯最大社交網(wǎng)站 VKontakte 也推出了一款和 Prisma 類似的產(chǎn)品：Vinci，兩者的功能和外觀都非常相似。Vinci 不僅將圖片加工時(shí)間縮短到了 2 秒鐘，還快速開放了 iOS 與 安卓市場(chǎng)，并且覆蓋到 Prisma 未能涉足的 Windows Phone 領(lǐng)域，成為 Windows Phone上第一個(gè)運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟件。值得一提的是，社交網(wǎng)站 VKontakte 也是 Mail.Ru 的旗下產(chǎn)品。
截至到 2016 年 8 月 2 日，在俄羅斯 APP Store 免費(fèi)榜上，Artisto 高居榜首，Vinci 位居第二，而 Prisma 則落到了第五的位置。
圖片制作軟件 Vinci 的界面展示。圖片來(lái)源：mspoweruser.com
不僅僅是俄國(guó)人在想視頻這件事，Deep Art 那三個(gè)德國(guó)人也瞄準(zhǔn)了視頻市場(chǎng)。前不久，Deep Art 官方網(wǎng)站放出了一段 demo，開始制作付費(fèi)短視頻。一段 720p的視頻（最長(zhǎng)五分鐘）售價(jià) 249 歐元。
Deep Art 的產(chǎn)品高價(jià)位和慢速度，定位的是中高級(jí)市場(chǎng)。而在大眾消費(fèi)端，免費(fèi)產(chǎn)品 Prisma，Vinci，Artisto 不論誰(shuí)贏，都是俄羅斯互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司 Mail.Ru 的勝利。與其說(shuō)幾款產(chǎn)品是在技術(shù)上較量，不如說(shuō)這是互聯(lián)網(wǎng)資本大鱷的強(qiáng)勢(shì)布局。
然而，事實(shí)上深度學(xué)習(xí)在視頻上還處于起步階段，主要面臨如下三個(gè)挑戰(zhàn)：
第一，視頻的數(shù)據(jù)處理量比圖片更大，對(duì)計(jì)算能力的要求指數(shù)級(jí)增加；
第二，如何保持幀圖像在時(shí)間軸上的信息一致性，而不是單獨(dú)處理每一幀圖像，也是難題；
第三，視頻中的物體時(shí)刻在運(yùn)動(dòng)，如何追蹤其在空間中的動(dòng)態(tài)變化，研究員們還沒找到好的方法。
除了我們盤點(diǎn)過(guò)的這些 “濾鏡類應(yīng)用”，深度學(xué)習(xí)在圖像處理上應(yīng)用還有很多?？偟恼f(shuō)來(lái)，深度學(xué)習(xí)圖像應(yīng)用按照過(guò)程可以分為兩部分：輸入與輸出。
輸入可以視作是 “機(jī)器視覺”，即機(jī)器內(nèi)部建立起對(duì)圖像的理解與認(rèn)知——比如去判斷圖片中人像是不是本人，對(duì)圖中物品進(jìn)行分類等；
輸出是進(jìn)一步做出判斷、決策，并觸發(fā)行動(dòng)，比如自動(dòng)駕駛中通過(guò)分析攝像頭采集到的道路信息，對(duì)控制系統(tǒng)下達(dá)加速、停車等指令。
在圖像識(shí)別的高準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上，深度學(xué)習(xí)能夠完成更為復(fù)雜的任務(wù)。舉個(gè)例子，如果說(shuō)百度圖片搜索、微博自動(dòng)檢測(cè)圖片中的敏感詞屬于計(jì)算機(jī)理性認(rèn)知層面應(yīng)用的代表，那么像 Prisma 這樣的應(yīng)用就是在深度學(xué)習(xí)的幫助下，讓計(jì)算機(jī)不僅可以理性識(shí)別，還能感性認(rèn)知圖片，理解圖像的風(fēng)格與內(nèi)容關(guān)系。
這才是人工智能的意義所在。計(jì)算機(jī)感知能力的發(fā)展決定了機(jī)器世界能否真正建立自洽、完整的知識(shí)體系，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)人類能力的替代、延伸和增強(qiáng)。
按領(lǐng)域內(nèi)容，深度學(xué)習(xí)在圖像中的應(yīng)用分為：圖像識(shí)別、分類、檢測(cè)、搜索、特征提取和視頻處理這幾大類別。其中，人臉識(shí)別是突破最快的深度學(xué)習(xí)圖像應(yīng)用。早在 2014 年便有多個(gè)初創(chuàng)科技團(tuán)隊(duì)達(dá)到了逼近或者超越肉眼的識(shí)別率，如下圖展示：
各公司利用自己的公開樣本集測(cè)試，提交測(cè)試結(jié)果。結(jié)果顯示，湯曉鷗教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的人臉識(shí)別產(chǎn)品 Deep ID 已經(jīng)超越肉眼的識(shí)別率。其中，小橫線上面是技術(shù)產(chǎn)品名，下面是團(tuán)隊(duì)名稱。（深藍(lán)制圖）
這幾家公司中，F(xiàn)acebook 已經(jīng)將 Deepface 的成果整合到自家產(chǎn)品中了。如今，用戶上傳照片到 Facebook 賬號(hào)，系統(tǒng)就能自動(dòng)標(biāo)注圖中的每一個(gè)人。而曠視科技和以湯曉鷗教授為技術(shù)核心的 “商湯科技”，則主要為金融、安防等部門提供成熟的身份認(rèn)證產(chǎn)品，客戶包括支付寶、招商銀行、反恐部隊(duì)等。
商湯科技與曠視科技主要客戶對(duì)比圖（深藍(lán)制圖）
Facebook 可能是這三家巨頭中對(duì)深度學(xué)習(xí)圖像應(yīng)用最具有野心的大公司。據(jù)內(nèi)部可靠消息，F(xiàn)acebook 或?qū)⒃谙轮苣?016年8月底）將他們最新的研究成果代碼開源。如果用一句最簡(jiǎn)單的話來(lái)形容 Facebook的新突破，叫做 “采用無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)讓計(jì)算機(jī)無(wú)中生有，自己生成圖片”。
三大互聯(lián)網(wǎng)公司在深度學(xué)習(xí)上的布局一覽。（深藍(lán)制圖）
在以往，人們讓計(jì)算機(jī)去做圖像生成采用的是監(jiān)督式學(xué)習(xí)，即需要利用大量帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)去訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，后者才能逐漸學(xué)會(huì)識(shí)別東西。比方說(shuō)，給計(jì)算機(jī)看 1000 張貓的圖片，看多了之后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐步對(duì)貓建立模型并識(shí)別其他貓的圖像。
但在今天，F(xiàn)acebook 采用的是無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，讓計(jì)算機(jī)自主生成一些含有飛機(jī)、汽車、小鳥等東西在內(nèi)的場(chǎng)景圖像樣本，并令觀眾信以為真。
Google 的 Deep Dream 是一個(gè)會(huì)畫畫的計(jì)算機(jī)。它自動(dòng)識(shí)別圖像，篩選出某些部分，進(jìn)行夸張，以創(chuàng)造出一種迷幻效果。半年前，Deep Dream 于灣區(qū)舉辦了成功的畫展。Deep Dream 模仿 500 年前文藝復(fù)興時(shí)期的德國(guó)畫家漢斯·荷爾拜（Hans Holbein）的筆觸與繪畫技巧，畫出了一系列硅谷名人。每張畫作足以讓人們掏出幾千美金來(lái)收藏。
然而，Deep Dream 的算法有時(shí)候會(huì)給人驚嚇。如果它發(fā)現(xiàn)你的臉部線條有點(diǎn)像一只狗，于是它會(huì)把那一塊區(qū)域畫成一個(gè)完整的狗?！斑@就像吃了 LSD，計(jì)算機(jī)會(huì)出現(xiàn)幻覺。于是到處都是狗！” 一位來(lái)自 Google AI Lab 的員工說(shuō)。
Google Day Dream 的畫作。圖畫中不少區(qū)域被計(jì)算機(jī)處理成狗頭、漩渦。
無(wú)論如何，計(jì)算機(jī)正在向我們展示它們自己的夢(mèng)想。
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