专访孙剑：计算机视觉研究，如何改变了我们的生活？

2018 年 8 月 28 日 知识分子

►图片来源：www.pexels.com

撰文 | 邸利会（《知识分子》主笔）

责编 | 陈晓雪

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计算机视觉，听起来似乎很遥远的一个名词。但它的应用，你一定不会陌生。比如，今天在某些城市，如果乱闯红灯，就可能被路口的摄像头捕捉到。从美颜自拍，到增强现实（AR）、虚拟现实（VR）游戏，还有用无人机在人迹罕至的地区检测高压线路，背后都有计算机视觉的参与。

在这一领域，孙剑博士是其中的佼佼者。

2009年和2016年，孙剑两获计算机视觉领域的顶级会议CVPR（IEEE Conference on Computer Vision andPattern Recognition）最佳论文。2010年，他还入选《MIT技术评论》35岁以下年轻创新者。通过设计152层的神经网络ResNets，孙剑所带领的微软亚洲研究院团队在2015年获得ImageNet和MS COCO比赛的五项第一。

在微软研究院从事研究13年之后，他在2016年7月加入旷视科技，任首席科学家、研究院院长。旷视研究院从事基础以及应用研究，聚焦于深度学习算法、架构和数据科学。最近，孙剑带领的旷视研究院团队获得了COCO和Places挑战赛2017的三项冠军。

在前不久举行的CCF-GAIR全球人工智能与机器人峰会发表演讲后，孙剑博士接受了《知识分子》的独家专访。他用自己的研究经历说明，计算机视觉研究是如何改变我们的生活的。

计算机视觉的核心问题一直没变

《知识分子》：1993年到2003年，你一直在西安交通大学读书、做研究，那个时候的计算机视觉的研究面貌跟现在很不一样吧？

孙剑：其实研究的问题是一样的。计算机视觉研究的问题几乎没怎么变，因为核心问题就是研究怎么样去做分类检测、识别跟踪，大致就是这些问题。

西安交大的“人机所”成立已经30多年了，成立之初就叫人工智能与机器人研究所，那时有做图像的，比如有国防项目就是用摄像头看一个车，去跟踪，这样就需要做车的检测、跟踪，跟今天做的是一样的。

也有机器人项目。那个时候国有机器人还很少，我的导师郑南宁老师从日本引进了一台机器臂的设备，我们专门有一个机器人的组来研究怎么去控制这个机器人，学习里面的基本知识，操作机器人抓东西，跟今天的研究也是一样的。目前这个方向已经有很大进展，但是还不够，还需要更大的进展，因为这是更难的问题——感知问题，只是被动的看，怎么能够主动地去和世界交互，这个是更难的。看的话，很容易教计算机，给它一张照片，然后就可以学；但是交互的过程，很难有大规模的交互的例子能提供给计算机，让它理解，所以这个是最难的。

《知识分子》：那个时候，你做什么样的研究？

孙剑：人机所其实早期有很多学数学的老师和博士，最早我们做了很多机器学习的事情。机器学习基本的知识、概念，如何做机器学习，我都是在人机所学习得到的，然后把它运用在计算机视觉上。

举个例子，我自己本科毕业设计时，做了一个硬件设备——硬件电路板，来实现混沌神经网络，当然现在它不是主流。混沌神经网络能够记忆一些模式，是用硬件来实现的，因为当时的算力在CPU上是做不好的，一定要在硬件上来做这件事情。

我读硕士的时候，就是用神经网络来做人脸检测和简单的人脸识别工作。但是，其实当时的人脸识别就仅限于人脸或者是一些车牌这样的识别，能够做到一定地步。我博士做的方向是3D感知，也就是立体匹配。计算机视觉有两大核心问题：一个问题是3D重建；一个问题是识别。这样就把计算机视觉的一些基本问题学习了一下。

《知识分子》：LeCun教授1998年提出LeNet-5，用卷积神经网络，你硕士的时候的神经网络是怎样的？

孙剑：我那时候用的那些神经网络不是卷积神经网络，它可以认为是全连接网络的一些改进，做了一些分组，跟卷积有点像。卷积神经网络是我（本科）毕业以后才出现的，最早做手势识别、光学字符识别（Optical Character Recognition, OCR），大家也没觉得那个能怎么样，真的就是这样。后来，在2000年的时候出现了支持向量机（Support Vector Machine, SVM），一统江湖，所有人都在研究这个，所以关注神经网络的人就更少了。

《知识分子》：你在2009年就得过CVPR的最佳论文奖？

孙剑：对。那篇论文不是关于深度学习的，做的是计算摄影学。计算摄影学是做什么呢？比如，我们公司有一个业务叫手机智能，不是造手机，而是给手机提供核心的算法，人脸解锁是很大的一个应用，另外一个是如何让照片拍得更好看。

计算摄影学是我博士毕业后的一个研究方向，研究如何通过软件和硬件的修改，拍出更好的或者通过一般的技巧拍不到的照片。比如，今天用手机虚化背景，模拟单反照片的效果，这个就是计算摄影学——修改相机硬件，就能实现这样的新的效果，以及加了人工智能算法，使画质得到提升。

计算摄影学是计算机视觉和图形学的交叉，我做了很长时间这个工作。那个时候手机还没有这么强大，做完了以后，目的是应该放到单反相机、卡片机里面去，但是这些厂商（其实也是对的）需要做快速改动的能力和意愿不是那么强，所以并没有在相机或者单反上广泛使用，这大概是在十几年前的事情。今天，时代不一样了，相机计算力非常强，里面有很好的图像传感器，甚至在晴天下拍的照片和单反看不出区别。另外，现在的手机厂商也非常重视这个方向，如果看手机发布会的话，基本上照片拍的效果是竞争的一个亮点，所以这也是我们目前投入很大的一个方向。我们去年成立了旷视研究院的西雅图分院，专门研究计算摄影学在手机上的创新和应用。

我自己也挺感慨的，以前做研究，做完以后发一些文章，顶多Photoshop里面可能用一些这样的算法，离实际生活还是蛮远的，今天真的能够用深度学习的方法重新做一轮这样的问题，能够很快用在手机上，这个感觉，非常高兴。

卷积神经网络袭来

《知识分子》：你开始研究和使用卷积神经网络是什么时候？

孙剑：2013年，我在微软带领团队开始做卷积神经网络。2012年AlexNet出来，但刚出来的时候也没有人那么相信（它多么好），尤其是在计算机视觉领域。因为AlexNet只是针对ImageNet，大家不知道它是过拟合了ImageNet，还是在别的任务也管用。2013年的时候，特别是伯克利的RCNN（Regions with CNN features）出现，对于别的数据集的检测提高也非常大，真的具有很强的通用性，所以大家才会非常重视。

我们是在2013年开始研究，2014年第一次参加了ImageNet，物体检测拿了第二。2015年参加比赛的时候，内部就已经开发出了ResNet，ImageNet拿了三个第一名，COCO拿了两个第一名。而且COCO，只是把ResNet用上去，提升的就非常多，这是我在微软的工作。其实与此同时，旷视也是非常早，用深度学习来做人脸识别，大概也是在2013年开始的，我还没到旷视。他们当时在人脸检测、识别、关键点定位上拿了三个世界冠军，这也是他们做的非常早的一个工作。旷视是最早的用深度学习来做计算机视觉的创业公司之一。

《知识分子》：大众对人工智能、深度学习的兴趣很多是通过AlphaGo这样的事情，研究者好像一下子都涌到卷积神经网络的原因是什么？

孙剑：我觉得拥抱卷积神经网络也是花了好几年。2012年AlexNet出来时还有人怀疑，不相信，从2013年到现在也5年了，大家慢慢接受了。深度学习核心思想是，它有端到端学习的思想，尽可能不要人来设计复杂系统，因为人的设计能力是有限的。所以更多人去用这个思想来做事情。不是说这个思想是新的，而是如果这个思想有效，就会有更多的人愿意主动去用。

从图像识别来说，从ImageNet或者大规模数据学出来的特征，确实很有通用性。这个特征并不是说抽取语义特性，而是说它能够把很多东西分得开，比如说ImageNet出来的模型在医疗图像上非常好用。医疗图像数据比较少，先用ImageNet训练，以后再用少量的数据根据抽出来的特征再次做学习，可以提供很大的帮助，不然医疗图像这么少的数据，又没有好的特征，确实很难做什么事。

《知识分子》：你和合作者在2015年提出ResNet，它解决什么问题？

孙剑：训练优化问题。我们在开发之前，大概GoogleNet，VGG就是最好的网络，大概到20多层，再增加层数就不行了，训练都训练不下去；或者训练的难度非常高，说明整体的优化没有做好。

其实机器学习大概要解决三个问题，一个是说系统是否可以有能力拟合，能力是否够。比如，很简单的一个线性分离器可能无法表示像AlphaGo那么复杂的映射关系，如果加很多层这样的神经网络，能力就是够的。不过，这也只是说理论上能力够。

第二个问题要解决怎么让它拟合上去，就是训练优化问题，ResNet是解决这个问题。当然加了ResNet以后，现在可以说是任何深度层的都可以来拟合。大家常用的是几十层或者是一两百层这样的网络。

第三个问题今天还没有解决的很好，就是推广能力问题。比如，确认了网络在训练数据、测数据的时候好，如果突然来一个新的场景，能不能也做好？比如说，突然来了一个刮风下雨的天气，又有一个奇怪的车，车上掉了东西下来，这个东西还没见过，这就需要推广能力。这是在训练数据当中无法大规模收集到的，这个问题今天深度学习也好，人工智能也好，还是长期要解决的问题。这跟人不一样，人有推理、抽象，有先验，很多东西都能来帮助我们解决推广能力问题，泛化能力问题。这是下一个深度学习解决的问题。像人脸识别解决的非常好了，但是还有很多任务没有这么好。

《知识分子》：从研究方法上来说，现在是不是一个巨大的改变，都是用深度学习，卷积神经网络来做？

孙剑：对。基础都得用这个，结合具体问题的一些领域知识，领域知识用得越多越好。现在深度学习已经成为一个工具。我们刚从CVPR2018回来，如果看今年的发展的热点，深度学习已经无处不在了。有几个Talk很有意思，讲者上来就说，我的Talk不包含深度学习，没用深度学习。像以前专门有论文，题目叫深度学习XXX，今天这样的论文题目已经很少了，而是真正深入到问题的本身去研究了。

机器学习会长期产生更大的作用

《知识分子》：大家都用深度学习了，以前传统的方法会完全抛弃吗？

孙剑：没有完全抛弃，像3D的话还是不能抛弃的，3D几何的这些关系，是不能简单那样来描述的。包括图像，其实今天深度学习能做的非常好，但是实际上我们在做很多深入的视觉理解中，拟合一个函数是不够的，还有很多局限性，做不到非拟合函数的一些推理功能。比如，如果两张扑克牌叠在一起很近的话，今天的方法不一定能很好的检测出两张牌，但是人是知道这个牌是方形的，多出来一个角不正常，通过推理就能够推出，下面还有一张牌。人有很强的先验信息，才能把这个问题做好。

《知识分子》：你今天的主题讲的是“云端芯的计算机视觉”，你觉得现在云端、终端和芯片上有哪些不同的要求？

孙剑：云上不用考虑计算量和内存访问、模型大小的一些问题，或者说是有很松的边界，要追求的是精度问题。在端上，比如说在手机上，它的计算量、内存访问模式和要求的模型大小都是不一样的。今天因为设计网络结构还是人工的一个事情，所以在云上设计的模型肯定在端上不是最优的设计，所以需要在端上面设计才能得到更好的效果。

包括在芯片上也是一样，不光要调结构，而是内部的网络表示都要采取低精度化的表示，其实这也是神经网络很神奇的特性，因为我们一般来说用32位浮点数表示里面所有的信号，但它（神经网络）其实很稳健，不用32位，用几个比特也能够很好地把这个信息流给传播了。

因为我相信人真正的神经系统里面也不会用32位浮点数表示信号，所以，第一就要设计这样的算法来适合现有的硬件；第二，其实芯片是演化非常快的一个行业，设计芯片要考虑这个特性，用低精度来设计芯片，这样就能够做的非常好。我相信在很多设备上这样的芯片都会普及，以至于在云上的一些计算可以围绕这个芯片来做，今天这个发展非常快，这远远不是摩尔定律能够框起来的，大概几个月计算量翻一倍，功耗还不变或者说计算量不变，功耗降一半，这个范围非常宽。

《知识分子》：设计各种各样的网络，看起来就像是艺术，你是基于什么去设计一个算法的？

孙剑：别的科学都没有Science这个名词，而Computer Science，计算机科学加了一个Science，其实计算机科学里面大多数算法都是设计出来的，它跟物理、生物实验做出来的发现是不太一样的。我们深度学习有点像计算机科学这个方式，像排序算法是怎么设计出来的，有各种各样的排序算法，不是做实验做出来的。

另一方面，它（神经网络）跟那些纯算法还不太一样，它和数据相关，跟数据相关的话，跟平台也相关，所以核心是说，对要做的一些问题要有非常深入的理解，理解有很多细节，理解整个网络在不同的情况下会怎么样，然后从小出发，抓住小的点，把小的点做大，慢慢就可以设计好。

《知识分子》：你对微软的研究氛围体会如何？

孙剑：鼓励基础研究。深度学习中有一个梯度下降算法、反传算法，最后监督信号决定了这个系统会是什么样子的。我觉得在任何一个组织的话，你希望这个组织做什么，不做什么，就相当于一个监督信号。训练一个分类器，可以接受正样本、负样本，这个组织就会像深度学习一样，自动地去反传、监督这个信号，形成它的特色。微软研究院很鼓励基础创新，鼓励对最前沿问题长期如一日的这么做，这样才可能有新的突破诞生。

《知识分子》：在人工智能的科研和教育方面，旷视和大学、科研机构有合作吗？

孙剑：我们在南京成立了研究院，与南京大学有合作，我们和西安交大人机所、上海科技大学成立了联合实验室，和权龙老师在香港科技大学也成立了一个实验室，因为想实现互补——3D认知方面和图像识别方面是要结合在一起的。我们接下来还会找和我们相互补的，不管学校也好，或者研究机构也好，来做这样的合作。

《知识分子》：年轻人都来学AI，你有什么样的经验可以给到他们？

孙剑：如果看长远一些，机器学习会长期产生更大的作用。今天虽然说人工智能，但其实大多数是机器学习的基础知识，包括如何来用统计思考问题的方法，可能很多做事情的方式都是通过这种方式做的。学习这些，我觉得长期来看都是非常有好处的。