自然語言處理與視覺處理，都重在對不同模態(tài)數(shù)據(jù)所包含的語義信息進行識別和理解，但是兩種數(shù)據(jù)的語義表現(xiàn)形式和處理方法不同，導致存在所謂的“語義壁壘”，現(xiàn)在這種壁壘正在被AI打破。
1月初，美國人工智能公司OpenAI推出兩個跨越文本與圖像次元的模型：DALL·E和CLIP，前者可以基于文本生成圖像，后者則可以基于文本對圖片進行分類。這個突破說明通過文字語言來操縱視覺概念現(xiàn)在已經觸手可及。自然語言處理和視覺處理的邊界已經被打破，多模態(tài)AI系統(tǒng)正在逐步建立。
“數(shù)據(jù)的來源或者形式是多種多樣的，每一種都可以稱為一種模態(tài)。例如圖像、視頻、聲音、文字、紅外、深度等都是不同模態(tài)的數(shù)據(jù)。單模態(tài)AI系統(tǒng)只能處理單個模態(tài)的數(shù)據(jù)。例如對于人臉識別系統(tǒng)或者語音識別系統(tǒng)來說，它們各自只能處理圖像和聲音數(shù)據(jù)。”中國科學院自動化研究所副研究員黃巖在接受科技日報記者采訪時表示。
相對而言，多模態(tài)AI系統(tǒng)可以同時處理不止一種模態(tài)的數(shù)據(jù)，而且能夠結合多種模態(tài)數(shù)據(jù)進行綜合分析?！袄绶諜C器人系統(tǒng)或者無人駕駛系統(tǒng)就是典型的多模態(tài)系統(tǒng)，它們在導航的過程中會實時采集視頻、深度、紅外等多種模態(tài)的數(shù)據(jù)，進行綜合分析后選擇合適的行駛路線?！秉S巖說。
不同層次任務強行關聯(lián)會產生“壁壘”
就像人類有視覺、嗅覺、聽覺一樣，AI也有自己的“眼鼻嘴”，而為了研究的針對性和深入，科學家們通常會將其分為計算機視覺、自然語言處理、語音識別等研究領域，分門別類地解決不同的實際問題。
自然語言處理與視覺處理分別是怎樣的過程，二者之間為什么會有壁壘?
語義是指文字、圖像或符號之間的構成關系及意義。“自然語言處理與視覺處理，都重在對不同模態(tài)數(shù)據(jù)所包含的語義信息進行識別和理解，但是兩種數(shù)據(jù)的語義表現(xiàn)形式和處理方法不同，導致存在所謂的‘語義壁壘’?！秉S巖說。
視覺處理中最常見的數(shù)據(jù)就是圖像，每個圖像是由不同像素點排列而成的二維結構。像素點本身不具有任何語義類別信息，即無法僅憑一個像素點將其定義為圖像數(shù)據(jù)，因為像素點本身只包含0到255之間的一個像素值。
“例如對于一張人臉圖像來說，如果我們只看其中某些像素點是無法識別人臉圖像這一語義類別信息的。因此，目前計算機視覺領域的研究人員更多研究的是如何讓人工智能整合像素點數(shù)據(jù)，判斷這個數(shù)據(jù)集合的語義類別?！秉S巖說。
“語言數(shù)據(jù)最常見的就是句子，是由不同的詞語序列化構成的一維結構。不同于圖像像素，文本中每個詞語已經包含了非常明確的語義類別信息。而自然語言處理則是在詞語的基礎上，進行更加高級的語義理解?！秉S巖說，例如相同詞語排列的順序不同將產生不同的語義、多個句子聯(lián)合形成段落則可以推理出隱含語義信息。
可以說，自然語言處理主要研究實現(xiàn)人與計算機直接用自然語言進行有效信息交流，這個過程包括自然語言理解和自然語言生成。自然語言理解是指計算機能夠理解人類語言的意義，讀懂人類語言的潛在含義;自然語言生成則是指計算機能以自然語言文本來表達它想要達到的意圖。
由此可以看出，自然語言處理要解決的問題的層次深度超過了計算機視覺，自然語言處理是以理解人類的世界為目標，而計算機視覺所完成的就是所見即所得。這是兩個不同層次的任務。目前來說，自然語言處理在語義分析層面來說要高于視覺處理，二者是不對等的。如果強行將兩者進行語義關聯(lián)的話，則會產生“語義壁壘”。
AI打破自然語言處理和視覺處理的邊界
此前，OpenAI斥巨資打造的自然語言處理模型GPT-3，擁有1750億超大參數(shù)量，是自然語言處理領域最強AI模型。人們發(fā)現(xiàn)GPT-3不僅能夠答題、寫文章、做翻譯，還能生成代碼、做數(shù)學推理、數(shù)據(jù)分析、畫圖表、制作簡歷。自2020年5月首次推出以來，GPT-3憑借驚人的文本生成能力受到廣泛關注。
DALL·E根據(jù)一句話生成出來的卡通形象
與GPT-3一樣，DALL·E也是一個具有120億參數(shù)的基于Transformer架構的語言模型，不同的是，GPT-3生成的是文本，DALL·E生成的是圖像。
在互聯(lián)網(wǎng)上，OpenAI大秀了一把DALL·E的“超強想象力”，隨意輸入一句話，DALL·E就能生成相應圖片，這個圖片內容可能是現(xiàn)實世界已經存在的，也可能是根據(jù)自己的理解創(chuàng)造出來的。
此前，關于視覺領域的深度學習方法一直存在三大挑戰(zhàn)——訓練所需大量數(shù)據(jù)集的采集和標注，會導致成本攀升;訓練好的視覺模型一般只擅長一類任務，遷移到其他任務需要花費巨大成本;即使在基準測試中表現(xiàn)良好，在實際應用中可能也不如人意。
對此，OpenAI聯(lián)合創(chuàng)始人曾發(fā)文聲稱，語言模型或是一種解決方案，可以嘗試通過文本來修改和生成圖像。基于這一愿景，CLIP應運而生。只需要提供圖像類別的文本描述，CLIP就能將圖像進行分類。
至此，AI已經打破了自然語言處理和視覺處理的邊界?！斑@主要得益于計算機視覺領域中語義類別分析方面的飛速發(fā)展，使得AI已經能夠進一步進行更高層次的視覺語義理解?！秉S巖說。
具體來說，隨著深度學習的興起，計算機視覺領域從2012年至今已經接連攻克一般自然場景下的目標識別、檢測、分割等語義類別分析任務。2015年至今，越來越多的視覺研究者們開始提出和研究更加高層的語義理解任務，包括基于圖像生成語言描述、用語言搜索圖片、面向圖像的語言問答等。
“這些語義理解任務通常都需要聯(lián)合視覺模型和語言模型才能夠解決，因此出現(xiàn)了第一批橫跨視覺領域和語言領域的研究者?！秉S巖說，在他們推動下，兩個領域開始相互借鑒優(yōu)秀模型和解決問題的思路，并進一步影響到更多傳統(tǒng)視覺和語言處理任務。
多模態(tài)交互方式會帶來全新的應用
隨著人工智能技術發(fā)展，科學家也正在不斷突破不同研究領域之間的界限，自然語言處理和視覺處理的交叉融合并不是個例。“語音識別事實上已經加入其中，最近業(yè)內出現(xiàn)很多研究視覺+語音的新任務，例如基于一段語音生成人臉圖像或者跳舞視頻?！秉S巖說，但是要注意到，語音其實與語言本身在內容上可能具有較大的重合性。在現(xiàn)在語音識別技術非常成熟的前提下，完全可以先對語音進行識別將其轉換為語言，進而把任務轉換為語言與圖像交互的常規(guī)問題。
無論是DALL·E還是CLIP，都采用不同的方法在多模態(tài)學習領域跨出了令人驚喜的一步。今后，文本和圖像的界限是否會被進一步打破，能否順暢地用文字“控制”圖像的分類和生成，將會給現(xiàn)實生活帶來怎樣的改變，都值得期待。
對于多模態(tài)交互方式可能會帶來哪些全新應用?黃巖舉了兩個具有代表性的例子。第一個是手機的多模態(tài)語音助手。該技術可以豐富目前手機語音智能助手的功能和應用范圍。目前的手機助手只能進行語音單模態(tài)交互，未來可以結合手機相冊等視覺數(shù)據(jù)、以及網(wǎng)絡空間中的語言數(shù)據(jù)來進行更加多樣化的推薦、查詢、問答等操作。第二個是機器人的多模態(tài)導航。該技術可以提升服務機器人與人在視覺和語音(或語言)方面的交互能力，例如未來可以告訴機器人“去會議室看看有沒有電腦”，機器人在理解語言指令的情況下，就能夠結合視覺、深度等信息進行導航和查找。
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