谷歌的 AutoML 每小時(shí)收費(fèi) 20 美元，是不是很肉疼？GitHub 上的一個(gè)開源項(xiàng)目為廣大從業(yè)者帶來了福音。這種名為 AutoKeras 的開源 Python 包為昂貴的 AutoML 提供了免費(fèi)替代品。AutoKeras 使用高效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)架構(gòu)搜索 ENAS，具有安裝快速、運(yùn)行簡單、案例豐富、易于修改等優(yōu)點(diǎn)，而且所有代碼都是開源的！想要嘗鮮的小伙伴可以了解一下。

每小時(shí) 20 美刀的 AutoML

Google AI 終于發(fā)布了 AutoML 的 beta 版，有人說這項(xiàng)服務(wù)將徹底改變深度學(xué)習(xí)的方式。

beta 版鏈接：https://cloud.google.com/automl/

谷歌的 AutoML 是機(jī)器學(xué)習(xí)工具中新的云軟件集。它基于谷歌最先進(jìn)的圖像識別研究——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)架構(gòu)搜索（Neural Architecture Search，NAS）。NAS 是一種在給定特定數(shù)據(jù)集中的算法，用于搜索在該數(shù)據(jù)集上完成特定任務(wù)的最優(yōu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。AutoML 是一套機(jī)器學(xué)習(xí)的工具，可以讓用戶輕松地訓(xùn)練高性能的深度網(wǎng)絡(luò)，而無需用戶具備任何深度學(xué)習(xí)或人工智能方面的知識；你所需要的只是標(biāo)簽數(shù)據(jù)！谷歌將使用 NAS 為特定的數(shù)據(jù)集和任務(wù)找到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。他們已經(jīng)展示了該模型如何取得遠(yuǎn)優(yōu)于手工設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的性能。

AutoML 完全改變了整個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)圈，因?yàn)閷τ谠S多應(yīng)用程序來說，有了它就不再需要專業(yè)技能和專業(yè)知識了。許多公司只需要深度網(wǎng)絡(luò)完成簡單的任務(wù)，如圖像分類。在這一點(diǎn)上，他們不需要招五個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)博士，只需要一個(gè)能處理數(shù)據(jù)遷移和數(shù)據(jù)組織的人即可。

那么 AutoML 會(huì)是讓所有公司或者個(gè)人輕松做人工智能的「萬能鑰匙」嗎？

沒那么快！

在計(jì)算機(jī)視覺中使用谷歌的 AutoML，每小時(shí)將花費(fèi) 20 刀。簡直瘋了！除非花錢去試，不然你都無法確定 AutoML 是否真的比你自己手工設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)更準(zhǔn)確。有趣的是，在谷歌以此盈利之前，無論在谷歌還是 AI 社區(qū)，人們都更傾向于開源，將知識分享給每一個(gè)人。

而谷歌的 AutoML 就將敗在「開源」上。

幫你省錢的開源 AutoKeras

AutoKeras 是一個(gè)由易用深度學(xué)習(xí)庫 Keras 編寫的開源 python 包。AutoKeras 使用 ENAS——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)架構(gòu)搜索的高效新版本。AutoKeras 包可通過 pip install autokeras 快速安裝，然后你就可以免費(fèi)在準(zhǔn)備好在的數(shù)據(jù)集上做你自己專屬的架構(gòu)搜索。

因?yàn)樗械拇a都是開源的，所以如果你想實(shí)現(xiàn)真正的自定義，你甚至可以利用其中的參數(shù)。所有都來自 Keras，所以代碼都很深入淺出，能幫助開發(fā)人員快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建模型，并允許研究人員深入研究架構(gòu)搜索。

AutoKeras 具備一個(gè)好的開源項(xiàng)目該有的一切：安裝快速，運(yùn)行簡單，案例豐富，易于修改，甚至可以看到最后 NAS 找到的網(wǎng)絡(luò)模型！偏愛 TensorFlow 或 Pytorch 的用戶可點(diǎn)擊以下鏈接：

https://github.com/melodyguan/enas

https://github.com/carpedm20/ENAS-pytorch

用戶可以嘗試?yán)?AutoKeras 或其他任何實(shí)現(xiàn)方式替代 AutoML，它們的價(jià)格便宜得離譜。或許谷歌正暗中改進(jìn) AutoML，與各種開源方法拉開差距，但 NAS 模型的表現(xiàn)與手工設(shè)計(jì)的模型差距很小，付出這么高的代價(jià)真的值得嗎？

知識應(yīng)該是開源的

總體來看，深度學(xué)習(xí)和 AI 是一種非常強(qiáng)大的技術(shù)，我們不應(yīng)該為其設(shè)置如此之高的成本壁壘。沒錯(cuò)，谷歌、亞馬遜、蘋果、Facebook 及微軟都需要賺錢才能在競爭中存活下來。但現(xiàn)在，研究論文是公開的，我們的深度學(xué)習(xí)庫可以快速復(fù)制這些方法，在公開內(nèi)容唾手可得的情況下，為用戶設(shè)置使用障礙是沒有意義的。

這里有一個(gè)更嚴(yán)重的潛在問題：知識本身正在被隱藏。AI 領(lǐng)域最新趨勢中非?？扇牲c(diǎn)的一點(diǎn)就是：許多研究社區(qū)都決定在 arXiv 等網(wǎng)站上快速、公開地發(fā)表自己的研究成果，以與其他社區(qū)分享并獲得反饋。此外還有一個(gè)趨勢變得越來越明顯，即在 Github 上發(fā)布研究代碼以供復(fù)制以及在研究和實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)算法的進(jìn)一步應(yīng)用。然而，我們?nèi)匀荒芸吹竭@種研究受困于高高的成本壁壘。

分享有助于每個(gè)人知識的增長和科學(xué)的進(jìn)步。知識應(yīng)該是開源的，這一點(diǎn)毋庸置疑，而且造福人人。

項(xiàng)目鏈接：https://github.com/jhfjhfj1/autokeras

AutoKeras 技術(shù)解析

相比于 AutoML，AutoKeras 采用的架構(gòu)搜索方法是一種結(jié)合了貝葉斯優(yōu)化的神經(jīng)架構(gòu)搜索。它主要關(guān)注于降低架構(gòu)搜索所需要的計(jì)算力，并提高搜索結(jié)果在各種任務(wù)上的性能。以下我們將從神經(jīng)架構(gòu)搜索到貝葉斯優(yōu)化介紹 AutoKeras 背后的技術(shù)，并期望讀者們能嘗試使用這樣的開源技術(shù)完成各種優(yōu)秀的應(yīng)用。

神經(jīng)架構(gòu)搜索（NAS）是自動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)中一種有效的計(jì)算工具，旨在為給定的學(xué)習(xí)任務(wù)搜索最佳的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。然而，現(xiàn)有的 NAS 算法通常計(jì)算成本很高。另一方面，網(wǎng)絡(luò)態(tài)射（network morphism）已經(jīng)成功地應(yīng)用于神經(jīng)架構(gòu)搜索。網(wǎng)絡(luò)態(tài)射是一種改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)但保留其功能的技術(shù)。因此，我們可以利用網(wǎng)絡(luò)態(tài)射操作將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改成新的體系架構(gòu)，如，插入一層或添加一個(gè)殘差連接。然后，只需再加幾個(gè) epoch 就可以進(jìn)一步訓(xùn)練新架構(gòu)以獲得更好的性能。

基于網(wǎng)絡(luò)態(tài)射的 NAS 方法要解決的最重要問題是運(yùn)算的選擇，即從網(wǎng)絡(luò)態(tài)射運(yùn)算集里進(jìn)行選擇，將現(xiàn)有的架構(gòu)改變?yōu)橐环N新的架構(gòu)?；谧钚戮W(wǎng)絡(luò)態(tài)射的方法使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制器，這需要大量的訓(xùn)練樣例。另一個(gè)簡單的方法是使用隨機(jī)算法和爬山法，這種方法每次只能探索搜索區(qū)域的鄰域，并且有可能陷入局部最優(yōu)值。

貝葉斯優(yōu)化已被廣泛用于基于觀察有限數(shù)據(jù)的尋找函數(shù)最優(yōu)值過程。它經(jīng)常被用于尋找黑箱函數(shù)的最優(yōu)點(diǎn)，其中函數(shù)的觀察值很難獲取。貝葉斯優(yōu)化的獨(dú)特性質(zhì)啟發(fā)了研究者探索它在指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)態(tài)射減少已訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的能力，從而使搜索更加高效。

為基于網(wǎng)絡(luò)態(tài)射的神經(jīng)架構(gòu)搜索設(shè)計(jì)貝葉斯優(yōu)化方法是很困難的，因?yàn)榇嬖谌缦绿魬?zhàn)：首先，其潛在的高斯過程（GP）在傳統(tǒng)上是用于歐氏空間的，為了用觀察數(shù)據(jù)更新貝葉斯優(yōu)化，潛在高斯過程將使用搜索到的架構(gòu)和它們的性能來訓(xùn)練。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并不位于歐氏空間，并且很難參數(shù)化為固定長度的向量。

其次，采集函數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化以生成下一個(gè)架構(gòu)用于貝葉斯優(yōu)化。然而，這個(gè)過程不是最大化歐氏空間里的一個(gè)函數(shù)來態(tài)射神經(jīng)架構(gòu)，而是選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)樹架構(gòu)搜索空間中擴(kuò)展，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)架構(gòu)，且每條邊表示一個(gè)態(tài)射運(yùn)算。傳統(tǒng)的類牛頓或基于梯度的方法不能簡單地進(jìn)行應(yīng)用。第三，網(wǎng)絡(luò)態(tài)射運(yùn)算改變神經(jīng)架構(gòu)的的一個(gè)層可能會(huì)導(dǎo)致其它層的很多變化，以保持輸入和輸出的一致性，這在以前的研究中并沒有定義。網(wǎng)絡(luò)態(tài)射運(yùn)算在結(jié)合了跳過連接的神經(jīng)架構(gòu)搜索空間中是很復(fù)雜的。

在 AutoKeras 作者提交的論文中，研究人員們提出了一種帶有網(wǎng)絡(luò)態(tài)射的高效神經(jīng)架構(gòu)搜索，它利用貝葉斯優(yōu)化通過每次選擇最佳運(yùn)算來引導(dǎo)搜索空間。為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，研究者創(chuàng)建了一種基于編輯距離（edit-distance）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核函數(shù)。與網(wǎng)絡(luò)態(tài)射的關(guān)鍵思路一致，它給出了將一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為另一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要多少運(yùn)算。此外，研究者為樹形架構(gòu)搜索空間專門設(shè)計(jì)了一種新的采集函數(shù)優(yōu)化器，使貝葉斯優(yōu)化能夠從運(yùn)算中進(jìn)行選擇。優(yōu)化方法可以在優(yōu)化過程中平衡探索和利用。此外，作者還定義了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)級態(tài)射，以解決基于前一層網(wǎng)絡(luò)態(tài)射的神經(jīng)架構(gòu)中的復(fù)雜變化。該方法被封裝成一個(gè)開源軟件，即 AutoKeras，在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行評估，并與最先進(jìn)的基線方法進(jìn)行比較。

該論文的主要貢獻(xiàn)總結(jié)如下：

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)態(tài)射提出了一種高效的神經(jīng)架構(gòu)搜索算法；

提出了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核的 NAS 貝葉斯優(yōu)化、樹結(jié)構(gòu)采集函數(shù)的優(yōu)化以及網(wǎng)絡(luò)級的態(tài)射；

開發(fā)了一個(gè)開源軟件 AutoKeras，基于本文提出的神經(jīng)架構(gòu)搜索方法；

在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上運(yùn)行了大量試驗(yàn)來評估該方法。

論文：Efficient Neural Architecture Search with Network Morphism

論文地址：https://arxiv.org/abs/1806.10282

雖然目前深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)參領(lǐng)域非常關(guān)注神經(jīng)架構(gòu)搜索（NAS），但現(xiàn)存的搜索算法通常面臨計(jì)算成本高昂的困境。網(wǎng)絡(luò)態(tài)射（Network morphism）在改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的同時(shí)保留它的功能，因此能在搜索過程中實(shí)現(xiàn)更有效的訓(xùn)練來幫助 NAS。然而，基于 NAS 的網(wǎng)絡(luò)態(tài)射仍然在計(jì)算上比較昂貴，這主要因?yàn)閷ΜF(xiàn)有的架構(gòu)選擇合適的變形操作效率比較低。

眾所周知，貝葉斯優(yōu)化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于優(yōu)化基于有限觀察值的目標(biāo)函數(shù)，這激勵(lì)我們探索利用貝葉斯優(yōu)化加速變形運(yùn)算選擇過程。本論文中提出了一種新穎的框架，它引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核函數(shù)和樹架構(gòu)的采集函數(shù)最優(yōu)化方法，并允許使用貝葉斯優(yōu)化為高效的神經(jīng)架構(gòu)搜索引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)態(tài)射。通過使用貝葉斯優(yōu)化選擇網(wǎng)絡(luò)態(tài)射操作，搜索空間的探索會(huì)更加高效。此外，將這一方法精心包裝成一個(gè)開源軟件，即 AutoKeras，沒有豐富機(jī)器學(xué)習(xí)背景的開發(fā)者也可以便捷地使用它。研究者已經(jīng)對真實(shí)數(shù)據(jù)集做了密集的實(shí)驗(yàn)，并證明了開發(fā)的框架對于當(dāng)前最優(yōu)的基線模型有更優(yōu)的性能。

研究過程中需要解決的第一個(gè)問題是：NAS 空間不是歐氏空間，它并不滿足傳統(tǒng)高斯過程的假設(shè)。由于架構(gòu)包含的層級數(shù)和參數(shù)數(shù)量并不確定，因此向量化所有神經(jīng)架構(gòu)是不切實(shí)際的。此外，因?yàn)楦咚惯^程是一種核方法，所以研究人員使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核函數(shù)以解決 NAS 搜索空間的問題，而不是直接向量化神經(jīng)架構(gòu)。核函數(shù)背后的原理可直觀理解為將一個(gè)神經(jīng)架構(gòu)變形為另一個(gè)所需的編輯距離。

圖 1：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核函數(shù)

我們需要解決的第二個(gè)問題是采集函數(shù)（acquisition function）最優(yōu)化。在歐氏空間上定義了傳統(tǒng)采集函數(shù)，其優(yōu)化方法不適用于通過網(wǎng)絡(luò)態(tài)射進(jìn)行的樹架構(gòu)搜索。因此本文提出一種優(yōu)化樹架構(gòu)空間采集函數(shù)的新方法。

評估該方法有效性的結(jié)果如表 1 所示。我們的方法在所有數(shù)據(jù)集上的錯(cuò)誤率最低。

表 1：分類錯(cuò)誤率