通常，我們的人工智能系統(tǒng)都是以人的視角去構(gòu)造的，這些系統(tǒng)已經(jīng)用于自動(dòng)駕駛、人臉識(shí)別、操作重型機(jī)器，甚至檢測(cè)疾病。那么，我們可以從動(dòng)物的角度構(gòu)建一個(gè)智能系統(tǒng)嗎？比如讓 AI 去模擬狗的行為。

華盛頓大學(xué)與 Allen 人工智能研究所的研究人員最新的論文公開(kāi)了他們開(kāi)發(fā)的一種深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以訓(xùn)練并模擬狗的行為特征。研究人員表示訓(xùn)練智能機(jī)器的目標(biāo)是使其能夠充當(dāng)一個(gè)智能視覺(jué)體的角色。不過(guò)，讓智能機(jī)器充當(dāng)狗的角色這個(gè)想法是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

簡(jiǎn)介

我們研究了如何直接構(gòu)建一個(gè)視覺(jué)智能體（visually intelligent agent）。通常，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)專注于解決與視覺(jué)智能相關(guān)的各種子任務(wù)。但我們的研究不同于這種標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法。相反，我們嘗試直接構(gòu)建一個(gè)視覺(jué)智能體，我們的模型將視覺(jué)信息作為輸入，并直接預(yù)測(cè)智能體在未來(lái)的行為。

此外，我們引入了 DECADE 數(shù)據(jù)集，這是一個(gè)以狗的視角所搜集的狗的行為數(shù)據(jù)集。利用這些數(shù)據(jù)，我們可以模擬狗的行為和動(dòng)作規(guī)劃方式。在多種度量方法下，對(duì)于給定的視覺(jué)輸入，我們成功地構(gòu)建了一個(gè)視覺(jué)智能體，它能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并模擬狗的行為。不僅如此，與圖像分類任務(wù)學(xué)到的特征表征相比，我們的智能體學(xué)習(xí)到的特征能夠編碼不同的信息，也可以推廣到其他領(lǐng)域。尤其需要指出的是，通過(guò)將這種狗的建模任務(wù)作為表示學(xué)習(xí)，我們?cè)诳尚凶邊^(qū)域預(yù)測(cè)和場(chǎng)景分類任務(wù)中取得非常卓越的結(jié)果。

方法與模型

為了訓(xùn)練，研究人員使用了一個(gè)叫做 Kelp 的阿拉斯加雪橇犬，并在其腿部配備了 GoPro 相機(jī)，尾部和后備箱上配備六個(gè)慣性測(cè)量傳感器，一個(gè)麥克風(fēng)以及一個(gè)把這些數(shù)據(jù)綁在一起的 Arduino 開(kāi)發(fā)板。研究人員在超過(guò) 50 個(gè)不同的地點(diǎn)，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，記錄了 Kelp 的活動(dòng)數(shù)據(jù)，如步行、追蹤、抓取，與其他狗互動(dòng)以及跟蹤物體等。利用英偉達(dá)提供的 GeForce GTX 1080 GPU，TITAN X GPU 以及 cuDNN 加速的深度學(xué)習(xí)框架，研究人員用所獲得的視覺(jué)和感官信息來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

在這里，研究人員解決了三個(gè)問(wèn)題：

像狗一樣行動(dòng)：根據(jù)一系列先前看到的圖像,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是預(yù)測(cè)狗未來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡；

像狗一樣規(guī)劃：目標(biāo)是找到一系列動(dòng)作，讓狗在給定的一對(duì)圖像的位置之間移動(dòng)。

從狗身上學(xué)習(xí)：我們將學(xué)習(xí)的表現(xiàn)用于第三項(xiàng)任務(wù)（如可行走的表面評(píng)估（Walkable surface estimation），預(yù)測(cè)狗的可行走區(qū)域）。

這些任務(wù)需要一些相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)：例如，就像真的狗一樣，我們的 AI 系統(tǒng)必須知道，當(dāng)它需要從一個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)到另一地點(diǎn)的時(shí)候，可行走區(qū)域的位置有哪些。它不能在樹(shù)上或汽車上行走，也不能在沙發(fā)上行走（這也取決于房子）。因此，我們的模型也要學(xué)會(huì)這一點(diǎn)，它可以作為一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)視覺(jué)模型，在一張給定圖像中找出一個(gè)寵物（或一個(gè)有足機(jī)器人）所能夠到達(dá)的位置。下面我們將逐一介紹這三個(gè)任務(wù)所用到的模型結(jié)構(gòu)。

這是用于模擬狗的行為的模型結(jié)構(gòu)。這個(gè)模型是一個(gè)編碼-解碼器結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，編碼器接收成對(duì)的圖片流作為輸入，而解碼器輸出每個(gè)節(jié)點(diǎn)未來(lái)的行動(dòng)決策。在編碼器和解碼器之間有一個(gè)全連接層（FC），它能夠更好地捕捉區(qū)域內(nèi)的行為變化。在解碼器中，每個(gè)時(shí)步輸出的行動(dòng)概率將被用于下一個(gè)時(shí)步（timestep）。我們?cè)趦蓚€(gè) ResNet 中共享模型的權(quán)重參數(shù)。

這是用于規(guī)劃狗的行為的模型結(jié)構(gòu)。這個(gè)模型是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) CNN 和長(zhǎng)短期記憶模型 LSTM 的結(jié)合體。模型的輸入是兩張圖片 I1 和 IN，這是在視頻系列的第 N-1 時(shí)間步截取來(lái)的數(shù)據(jù)。長(zhǎng)短期記憶模型 LSTM 接收 CNN 的特征作為輸入，并輸出狗從 I1 移動(dòng)到 IN 過(guò)程的行動(dòng)序列。

這是用于可行走區(qū)域預(yù)測(cè)的模型結(jié)構(gòu)。我們用 ResNet 模型的后四層，對(duì)其進(jìn)行卷積、反卷積來(lái)推斷可行走區(qū)域。

評(píng)估指標(biāo)

在實(shí)驗(yàn)評(píng)估階段，我們使用多種不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)綜合地評(píng)判我們的方法，包括分類精度、混淆度(perplexity)等。

定量分析結(jié)果：我們展示了模型識(shí)別視頻中 5 幀數(shù)據(jù)的結(jié)果，視頻中一個(gè)男人開(kāi)始向一只狗投擲一個(gè)球。在視頻中，當(dāng)球飛向那只狗時(shí)，狗會(huì)向右方移動(dòng)以躲避球飛過(guò)來(lái)的方向。僅僅使用這 5 幀數(shù)據(jù)，模型就能夠在球飛來(lái)時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出狗的移動(dòng)方向。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

“像狗一樣行動(dòng)”的結(jié)果： 我們觀察了 5 幀的視頻序列并預(yù)測(cè)了接下來(lái)的 5 個(gè)動(dòng)作。

“像狗一樣規(guī)劃”的結(jié)果：在開(kāi)始和結(jié)束幀之間進(jìn)行規(guī)劃， 我們考慮了相隔 5 步的起始圖像。

持續(xù)評(píng)估和全節(jié)點(diǎn)評(píng)估。在第一欄中數(shù)值越低越好，在第二欄中數(shù)值越高越好。

“步行式表面評(píng)估”結(jié)果。我們將在 ImageNet 上訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)結(jié)果與為我們做任務(wù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了比較。 評(píng)估指標(biāo)是 IOU。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們的模型能夠在不同的情況下學(xué)習(xí)并模擬狗的行為，并像狗一樣的規(guī)劃并采取行動(dòng)。

在研究報(bào)告中，研究人員指出，“狗的行動(dòng)空間比人類要簡(jiǎn)單得多，這使得我們的任務(wù)更加易于處理。然而，它們能夠清楚地表現(xiàn)出智能視覺(jué)的能力，如識(shí)別食物、障礙物、其他人類和動(dòng)物，并對(duì)這些輸入做出相應(yīng)地反應(yīng)，但我們對(duì)于這些行為的目標(biāo)和動(dòng)機(jī)常常知之甚少。”

未來(lái)展望

研究人員提到，他們的評(píng)估實(shí)驗(yàn)顯示出有趣而富有希望的結(jié)果。他們的模型可以在各種情況下預(yù)測(cè)狗的行為，并能像狗一樣采取行動(dòng)，還能像狗一樣計(jì)劃如何從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)。

在未來(lái)的應(yīng)用中，研究團(tuán)隊(duì)表示這只是一個(gè)初步的實(shí)驗(yàn)。他們打算從多只狗身上收集更多數(shù)據(jù)（建立多樣的數(shù)據(jù)庫(kù)），并考慮引入更多的感官信息，如找到一些捕捉聲音、觸覺(jué)和嗅覺(jué)的方法。他們希望這項(xiàng)工作能夠?yàn)槿祟惛美斫庖曈X(jué)智能和生物智能奠定基礎(chǔ)。