2017年，深度學(xué)習(xí)三巨頭之一的Geoffrey Hinton，發(fā)表了兩篇論文解釋「膠囊網(wǎng)絡(luò)（Capsule Networks）」。

在當(dāng)時(shí)，這是一種全新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它基于一種新的結(jié)構(gòu)——膠囊，在圖像分類上取得了更優(yōu)越的性能，解決了CNN的某些缺陷，例如無法理解圖片和語義關(guān)系、沒有空間分層和空間推理的能力等。

在CNN中，左右兩幅圖都可被網(wǎng)絡(luò)識(shí)別為人臉

甚至，Hinton自己也公開表示過，他要證明為何卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完全是「垃圾」，應(yīng)該以自己的膠囊網(wǎng)絡(luò)代替。

過去三年中，他每年都會(huì)推出一個(gè)新版本的膠囊網(wǎng)絡(luò)。

本月，Hinton興奮地說道，自己發(fā)表了一篇新論文，名為如何在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中表示部分-整體層次結(jié)構(gòu)？（How to represent part-whole hierarchies in a neural network）

本論文中，他提出了一個(gè)叫做GLOM的架構(gòu)，可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中使用膠囊來表示視覺的層次結(jié)構(gòu)，即部分-整體的關(guān)系。

署名只有Hinton一人。

GLOM通過提出island的概念來表示解析樹的節(jié)點(diǎn)。GLOM可以顯著提升transformer類的模型的可解釋性。可以顯著提升transformer類的模型的可解釋性。

提出island，GLOM表示解析樹的節(jié)點(diǎn)

有強(qiáng)有力的心理學(xué)證據(jù)表明，人們將視覺場(chǎng)景解析成部分-整體的層次結(jié)構(gòu)，并將部分和整體之間相對(duì)不變的視覺關(guān)系，建模為部分和整體之間的坐標(biāo)變換。

如果做出能和人們一樣理解圖像的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們就需要弄清楚，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何才能表示部分-整體的層次結(jié)構(gòu)？

這是很困難的，不同圖像有不同的結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法把固定輸入的圖像轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)的層次結(jié)構(gòu)(解析樹)。

而這，也是「膠囊模型」被提出的動(dòng)機(jī)。

這些模型做出了這樣的假設(shè)：一個(gè)膠囊就是一組神經(jīng)元，每個(gè)膠囊對(duì)應(yīng)表示圖片特定位置的一個(gè)目標(biāo)。

然后可以通過激活這些預(yù)先存在的、特定類型的膠囊，并在他們之間建立適當(dāng)連接來創(chuàng)建一棵解析樹。

本文介紹了一種非常不同的方式，即在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中使用膠囊來表示部分-整體的層次結(jié)構(gòu)。

需要注意的是，論文沒有描述一個(gè)工作系統(tǒng)。

相反，它提出了一個(gè)關(guān)于表征的單一想法，將幾個(gè)不同小組取得的進(jìn)展合并到一個(gè)名為GLOM的假想系統(tǒng)中。

盡管本文主要關(guān)注對(duì)單一靜態(tài)圖像的感知，但GLOM很容易被理解為一個(gè)處理幀序列的流水線。靜態(tài)圖像可以被認(rèn)為是多個(gè)相同幀組成的序列。

GLOM架構(gòu)，顯著提升transformer類的模型的可解釋性

GLOM架構(gòu)由大量的列組成，這些列都使用完全相同的權(quán)重。

每一列都是一個(gè)空間局部自動(dòng)編碼器的堆棧，可以學(xué)習(xí)小圖像補(bǔ)丁中發(fā)生的多層次的表示。每個(gè)自動(dòng)編碼器，使用多層自下而上的編碼器和解碼器，將一級(jí)的嵌入轉(zhuǎn)化為相鄰一級(jí)的嵌入。這些層次對(duì)應(yīng)于部分-整體層次結(jié)構(gòu)中的層次。

例如，當(dāng)顯示一個(gè)人臉的圖像時(shí)，一個(gè)列可能會(huì)聚集為一個(gè)向量，用來表示鼻孔、鼻子、臉和人。

下圖顯示了不同層次的嵌入如何在單列中相互作用。

單列GLOM架構(gòu)中相鄰三層之間自下而上、自上而下、同層交互的情況

其中，藍(lán)色箭頭和紅色箭頭分別代表自下而上和自上而下的交互方式，由兩個(gè)不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，并且網(wǎng)絡(luò)中可以存在隱藏層。

對(duì)于一張靜態(tài)圖片來說，綠色箭頭可以簡(jiǎn)化為殘差鏈接用來實(shí)現(xiàn)時(shí)序的平滑效果。對(duì)于視頻這種包含多幀序列的情況，綠色箭頭的連接轉(zhuǎn)為一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來學(xué)習(xí)時(shí)序過程中的膠囊狀態(tài)的變化。

不同列中同一層次的嵌入向量之間的交互作用，由一個(gè)非自適應(yīng)的、注意力加權(quán)的局部平滑器來實(shí)現(xiàn)，這一點(diǎn)沒有在圖片中畫出來。這比列內(nèi)的交互要簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樗鼈儾恍枰獙?shí)現(xiàn)部分整體坐標(biāo)變換。它們就像多頭Transformer中代表不同單詞片段的列之間的注意力加權(quán)交互，但它們更簡(jiǎn)單，因?yàn)閝uery、key和value都與嵌入向量相同。

列間相互作用通過使某一層次的每個(gè)嵌入向量向附近位置的其他類似向量回歸，在某一層次產(chǎn)生相同嵌入的島。這就形成了多個(gè)局部的「回聲室」，在這個(gè)「回聲室」中，一個(gè)層次的嵌入物主要關(guān)注其他相似的嵌入物。

在每一個(gè)離散的時(shí)間點(diǎn)和每個(gè)列中，一個(gè)層次的embedding更新為下列四方面的加權(quán)平均：

1 由自下而上的神經(jīng)網(wǎng)作用于下層的embedding在上一時(shí)間步產(chǎn)生的預(yù)測(cè)

2 由自上而下的神經(jīng)網(wǎng)在上一級(jí)的embedding上作用于上一時(shí)間步產(chǎn)生的預(yù)測(cè)

3 前一個(gè)時(shí)間步長的embedding向量

4 前一時(shí)間步相鄰列中同層次的embedding的注意力加權(quán)平均值

對(duì)于一個(gè)靜態(tài)圖像來說，隨著時(shí)間的推移，一個(gè)層面的嵌入應(yīng)該會(huì)穩(wěn)定下來，產(chǎn)生幾乎相同的向量的獨(dú)特島，如下圖所示：

附近六列中某一特定時(shí)間的嵌入圖片

所有顯示的位置都屬于同一個(gè)對(duì)象，場(chǎng)景層面還沒有確定一個(gè)共享矢量。將每個(gè)位置的完整嵌入向量分為部分-整體層次結(jié)構(gòu)中每個(gè)層次的獨(dú)立部分，然后將一個(gè)層次的高維嵌入向量作為二維向量顯示出來。

這樣就可以說明，不同位置的嵌入向量的排列情況。圖中所示的各級(jí)相同向量的島代表一棵分析樹。

GLOM沒有分配神經(jīng)硬件來表示解析樹中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也沒有給節(jié)點(diǎn)指向其前面和后面的指針，而是分配一個(gè)合適的活動(dòng)向量來表示該節(jié)點(diǎn)，并對(duì)屬于該節(jié)點(diǎn)的所有位置使用相同的活動(dòng)向量。訪問節(jié)點(diǎn)的先后能力是由自下而上和自上而下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，而不是用RAM來做表查找。

像BERT一樣，整個(gè)系統(tǒng)可以在最后一個(gè)時(shí)間步進(jìn)行訓(xùn)練，從有缺失區(qū)域的輸入圖像中重建圖像，但目標(biāo)函數(shù)還包括兩個(gè)正則化器，鼓勵(lì)在每個(gè)層次上有接近相同向量的島。

簡(jiǎn)單來說，正則器只是新的嵌入在一個(gè)層面上與自下而上和自上而下的預(yù)測(cè)之間的保持一致的一種方法，這有利于形成局部島。

一個(gè)非常簡(jiǎn)單的神經(jīng)場(chǎng)的例子，使用單個(gè)像素作為位置。四個(gè)像素的強(qiáng)度都可以用同一個(gè)代碼（a，b）來表示，即使它們的強(qiáng)度根據(jù)函數(shù)f(x) = ax+b而變化。解碼器有一個(gè)額外的輸入，它指定了位置。

GLOM架構(gòu)的另一種可視化方法

這是GLOM架構(gòu)所示架構(gòu)的另一種可視化方式，顯示了用另一種方式看待GLOM架構(gòu)的各個(gè)自下而上和自上而下的神經(jīng)網(wǎng)。

在這里，該架構(gòu)與Transformer的關(guān)系更加明顯。文中第一個(gè)圖代表時(shí)間的水平維度變成了本圖中代表層次的垂直維度。

在每個(gè)位置，每個(gè)層現(xiàn)在都有部分-整體層次結(jié)構(gòu)中所有層次的嵌入。這相當(dāng)于在圖1中垂直壓縮了單個(gè)時(shí)間片內(nèi)的層次描述。通過這個(gè)架構(gòu)的一次正向傳遞就可以解釋靜態(tài)圖像。這里將所有特定級(jí)別的自下而上和自上而下的神經(jīng)網(wǎng)都顯示為單個(gè)神經(jīng)網(wǎng)。

在正向傳遞過程中，L層的嵌入向量通過多層自下而上的神經(jīng)網(wǎng)接收來自上一層中L-1層嵌入向量的輸入。

它還通過多層自上而下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接收來自上一層中L+1級(jí)嵌入的輸入。在前向傳遞過程中，對(duì)前一層中L+1級(jí)的依賴性實(shí)現(xiàn)了自上而下的效果。層t+1中的L級(jí)嵌入也取決于層t中的L級(jí)嵌入和層t中其他附近位置的L級(jí)嵌入的注意力加權(quán)和，這些層內(nèi)交互作用沒有顯示出來。

最后，研究人員還對(duì)GLOM與其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（例如膠囊模型，變壓器模型，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）相比，存在的優(yōu)勢(shì)作出了分析。

論文發(fā)表在https://arxiv.org/abs/2102.12627上。