【51CTO.com原創(chuàng)稿件】近幾年，人工智能領(lǐng)域顯得異常的活躍。除了傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)術(shù)圈外，Google、Microsoft、Facebook、蘋果以及國(guó)內(nèi)的百度、阿里等等優(yōu)秀的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也紛紛成立了相關(guān)的研究團(tuán)隊(duì)，并取得了很多令人矚目的成果。

Google的AlphaGo向全世界展示了強(qiáng)大的運(yùn)算能力，Siri和Google Now中的語(yǔ)音識(shí)別能力，國(guó)內(nèi)百度的小度機(jī)器人在“***大腦”上展現(xiàn)的語(yǔ)音、圖像識(shí)別能力，這些優(yōu)秀的項(xiàng)目都極大的反應(yīng)了人類在人工智能領(lǐng)域的飛速發(fā)展。但是，無(wú)論是語(yǔ)音還是圖像識(shí)別，很大程度上都依賴于云計(jì)算來(lái)滿足大量的運(yùn)算和存儲(chǔ)，而移動(dòng)、PC設(shè)備，都需要時(shí)時(shí)刻刻通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的連接，獲取計(jì)算資源來(lái)達(dá)到人工智能的目的。

不過(guò)近期，在Google發(fā)布的Android Wear 2.0中，除了允許手表脫離手機(jī)直接使用外，更加讓人震驚的是“智能回復(fù)”（Smart Reply）能力，官方技術(shù)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這是基于離線AI實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需接入網(wǎng)絡(luò)去尋求云計(jì)算幫助，就能夠?qū)崿F(xiàn)自我學(xué)習(xí)的目的。

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(圖片來(lái)自 engadget)

在此之前，包括作者在內(nèi)，都認(rèn)為對(duì)于智能手表這樣的移動(dòng)設(shè)備，在有限的計(jì)算能力和內(nèi)存容量上，如果不連接云端就能夠擁有自我學(xué)習(xí)，“智能回復(fù)”等能力，這幾乎是不可能的事情。直到Google的一支名為“Expander”的AI研發(fā)團(tuán)隊(duì)做到了，并移植到Android Wear 2.0上且得到很好的效果！他們通過(guò)重新設(shè)計(jì)了一套更加輕量、全新的機(jī)器學(xué)習(xí)框架，不僅能驅(qū)動(dòng) Android Wear 2.0 上的 Smart Reply，還可以給更多其他離線移動(dòng)應(yīng)用帶來(lái)巨大的幫助。不過(guò)在此之前，他們也嘗試了很多比較流行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和圖形學(xué)習(xí)技術(shù)，但是建立的模型并不適合應(yīng)用在移動(dòng)平臺(tái)，限制回復(fù)的數(shù)量也打不到預(yù)期效果。通過(guò)這套輕量，簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，可以將預(yù)期回復(fù)相似的消息，比如“你最近好嗎？”“過(guò)得怎么樣？” 迅速歸類到一起，以此減輕Smart Reply給內(nèi)存帶來(lái)的壓力。

在此之間，作者聯(lián)系到了在Google 負(fù)責(zé)Android工作的梁宇凌老師，他介紹說(shuō)，AI一般指的都是機(jī)器學(xué)習(xí)，主要分為訓(xùn)練和預(yù)測(cè)兩個(gè)流程。訓(xùn)練時(shí)需要海量數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的計(jì)算能力，因此通常還是在云端進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束以后得到的模型，進(jìn)行單次預(yù)測(cè)時(shí)不需要海量數(shù)據(jù)和計(jì)算能力，所謂的離線AI，往往是指把網(wǎng)上訓(xùn)練好的模型存在移動(dòng)設(shè)備上，進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此技術(shù)難點(diǎn)往往在于如何把模型的size縮小，以及減少預(yù)測(cè)時(shí)的計(jì)算量和加快預(yù)測(cè)速度。這方面有很多辦法，現(xiàn)在很熱的AI芯片加速就是其中一種辦法。

其實(shí)Android Wear 2.0的離線AI技術(shù)并沒(méi)有采用深度學(xué)習(xí)，而是通過(guò)一種叫semi-supervised graph learning（半監(jiān)督圖學(xué)習(xí)[1]）的技術(shù)，其中技術(shù)核心部分在于對(duì)設(shè)備上的信息內(nèi)容（例如聊天，短信等等）高效地映射到相應(yīng)可能的自動(dòng)回復(fù)。而在Smart Reply中采用了一套全新、且比較輕量化的機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)，他不僅僅能夠滿足智能回復(fù)功能，將來(lái)還會(huì)在很多離線的移動(dòng)應(yīng)用中帶來(lái)巨大的幫助。

接下來(lái)，作者整合了梁老師的建議以及Google官方技術(shù)團(tuán)隊(duì)的博客，具體分析Android Wear 2.0離線AI技術(shù)的實(shí)踐思路。

Google wear 2.0 智能回復(fù)

學(xué)習(xí)與投射

建立輕量級(jí)會(huì)話模型的一個(gè)簡(jiǎn)單的策略是，在設(shè)備上創(chuàng)建的內(nèi)容是常見(jiàn)的、且有規(guī)則的小字典（比如輸入→回復(fù)映射），并且在推理時(shí)使用一種較為樸素的查詢策略。這里牽涉到使用幾個(gè)特征的一小組類預(yù)測(cè)任務(wù)，（比如二元情感分類，“我愛(ài)這部電影”傳遞了一種積極的情感，而“演得很糟糕”這句話傳遞了消極的情感）。但是，它缺乏良好的擴(kuò)展性，無(wú)法支持聊天消息中常見(jiàn)的豐富詞匯和眾多復(fù)雜的語(yǔ)言變化。另一方面，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（比如LTSM）等機(jī)器學(xué)習(xí)模型是功能極其強(qiáng)大的工具，適用于自然語(yǔ)言理解任務(wù)中的復(fù)雜序列學(xué)習(xí)，包括“智能回復(fù)”。然而，壓縮這類豐富的模型用來(lái)適應(yīng)很小的內(nèi)存設(shè)備，并通過(guò)降低計(jì)算成本獲得可靠的預(yù)測(cè)（迅速按照需要處理），那非常有挑戰(zhàn)性。Android Wear 2.0團(tuán)隊(duì)早期嘗試通過(guò)限制模型、只預(yù)測(cè)一小批回復(fù)，或者使用量化（quantization）或字符級(jí)模型（character-level model）等技術(shù)，但是都未能獲得很好的結(jié)果。

***，通過(guò)為設(shè)備端機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)構(gòu)建一套不同的解決方案。思路是，先使用一種快速、高效的機(jī)制，將相似的消息分成一組，并將它們投射到相似（“鄰近”）的位向量表示。雖然有幾個(gè)方法可以執(zhí)行這個(gè)投射步驟，比如使用單詞嵌入或者編碼器網(wǎng)絡(luò)，但***Android Wear 2.0采用了一種經(jīng)過(guò)改動(dòng)的局部敏感哈希算法（LSH）， 將維度從數(shù)百萬(wàn)個(gè)獨(dú)特的單詞簡(jiǎn)化為短小的、固定長(zhǎng)度的位序列。這樣能夠非常快地為消息即時(shí)計(jì)算投射，并且在設(shè)備上占用的內(nèi)存空間更小，因?yàn)椴恍枰鎯?chǔ)消息、單詞嵌入或者甚至是用來(lái)訓(xùn)練的整個(gè)模型。

投射步驟：相似的消息分到一組，被投射到鄰近向量。比如說(shuō)，“hey, how's it going?”和“How's it going buddy?”這兩條信息有著相似的內(nèi)容，可能被投射到同一個(gè)11100011。另一個(gè)相關(guān)的信息“Howdy, everything going well?”被映射到只相差2位的鄰近向量11100110。

接下來(lái)，系統(tǒng)通過(guò)消息及其投射后，共同訓(xùn)練成“消息投射模型”，該模型學(xué)會(huì)使用半監(jiān)督式圖形學(xué)習(xí)框架，預(yù)測(cè)可能合適的回復(fù)。圖形學(xué)習(xí)框架想要訓(xùn)練成一個(gè)可靠的模型，其辦法是結(jié)合來(lái)自多個(gè)來(lái)源的語(yǔ)義關(guān)系（消息/回復(fù)交互、單詞/短語(yǔ)相似性、語(yǔ)義聚類信息），并且學(xué)習(xí)有用的投射操作，這些投射操作可以映射到出色的回復(fù)預(yù)測(cè)。

學(xué)習(xí)步驟：（上面）消息連同投射和相應(yīng)回復(fù)一起用于機(jī)器學(xué)習(xí)框架，共同學(xué)習(xí)一個(gè)“消息投射模型”。（下面）消息投射模型學(xué)會(huì)將回復(fù)與相應(yīng)的消息投射關(guān)聯(lián)起來(lái)。比如說(shuō)，該模型將兩個(gè)不同的消息：“Howdy, everything going well?”和“How’s it going buddy?”（底部中間）投射到鄰近位向量，并學(xué)習(xí)將其映射到相關(guān)回復(fù)（底部右邊）。

上述值得一提的是，雖然可以使用復(fù)雜機(jī)器學(xué)習(xí)和云計(jì)算的能力，訓(xùn)練消息投射模型，但是模型本身駐留在設(shè)備上，而且完全在設(shè)備上執(zhí)行并推理。設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序可以傳遞用戶的消息，并從設(shè)備端模型接收回復(fù)預(yù)測(cè)，而數(shù)據(jù)不用離開設(shè)備。而且還可以改動(dòng)該模型，以適應(yīng)用戶的書寫風(fēng)格和個(gè)人偏好，從而提升個(gè)性化的體驗(yàn)。

推理步驟：該模型將學(xué)到的投射運(yùn)用于消息（或消息序列），并建議相關(guān)的不同回復(fù)。推理工作在設(shè)備上執(zhí)行，讓模型得以適應(yīng)用戶數(shù)據(jù)和個(gè)性化書寫風(fēng)格。

為了讓設(shè)備端系統(tǒng)能夠開箱即用，Android Wear團(tuán)隊(duì)也不得不進(jìn)行幾個(gè)額外的改進(jìn)，比如專門進(jìn)行了優(yōu)化，以便加快設(shè)備端計(jì)算，以及從模型生成豐富多樣的回復(fù)。

離線AI從手表交流到應(yīng)用

從一開始，Google Wear團(tuán)隊(duì)開始踏上從零開始開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，對(duì)于模型的預(yù)測(cè)是否有用和準(zhǔn)確率其實(shí)心里沒(méi)底。但是完成整個(gè)項(xiàng)目后，他們驚奇的發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)在即便在計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源非常有限的Android可穿戴設(shè)備上效果能夠達(dá)到預(yù)期，這使得整個(gè)團(tuán)隊(duì)都非常的興奮。接下來(lái)他們還會(huì)繼續(xù)改進(jìn)模型，為用戶提供更出色的會(huì)話體驗(yàn)，也會(huì)充分利用這個(gè)設(shè)備端機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)，帶來(lái)全新的應(yīng)用，類似此前Google推出基于人工智能應(yīng)用Allo 的APP，讓溝通更加簡(jiǎn)單，工作效率更高。

因此，Android Wear團(tuán)隊(duì)還提供了非常豐富的API接口，為第三方使用Wear的設(shè)備接入并使用Smart Reply能力，比如，如果想要對(duì)您的通知操作啟動(dòng)Smart Reply，需要執(zhí)行以下操作：

• 使用NotificationCompat.MessagingStyle
• 對(duì)通知操作調(diào)用setAllowGeneratedReplies(true)
• 確保通知操作具有RemoteInput（相應(yīng)駐留）

以下示例為如何使用智能回復(fù)響應(yīng)創(chuàng)建MessagingStyle通知：

// Create an intent for the reply action 
Intent replyIntent = new Intent(this, ReplyActivity.class); 
PendingIntent replyPendingIntent = 
 PendingIntent.getActivity(this, 0, replyIntent, 
  PendingIntent.FLAG_UPDATE_CURRENT); 
 
// Create the reply action and add the remote input 
NotificationCompat.Action action = 
 new NotificationCompat.Action.Builder(R.drawable.ic_reply_icon, 
  getString(R.string.label), replyPendingIntent) 
 .addRemoteInput(remoteInput) 
 
// 1) allow generated replies 
.setAllowGeneratedReplies(true) 
 .build(); 
 
Notification noti = new NotificationCompat.Builder() 
 .setContentTitle(messages.length + " new messages with " + sender.toString()) 
 .setContentText(subject) 
 .setSmallIcon(R.drawable.new_message) 
 .setLargeIcon(aBitmap) 
 // 2) set the style to MessagingStyle 
 .setStyle(new NotificationCompat.MessagingStyle(resources.getString(R.string.reply_name)) 
 .addMessage(messages[0].getText(), messages[0].getTime(), messages[0].getSender()) 
 .addMessage(messages[1].getText(), messages[1].getTime(), messages[1].getSender())) 
 
 
// 3) add an action with RemoteInput 
.extend(new WearableExtender().addAction(action)).build(); 

如果想要接入更多的擴(kuò)展能力，需要進(jìn)入>>

***，梁老師還跟作者表示，Google現(xiàn)在有好幾個(gè)項(xiàng)目都有離線AI，例如Google翻譯。但針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有所不同，例如Google翻譯上的方法和Wear 2.0的Smart Reply用的就不是同一種技術(shù)。針對(duì)Smart Reply是否能夠開源的問(wèn)題，梁老師沒(méi)有去評(píng)論，不過(guò)他建議大家可以關(guān)注一下剛剛發(fā)布的TensorFlow 1.0版本[2]，里面演示了在Android和ios上實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別的能力，也有非常好的例子。

[1]:https://arxiv.org/pdf/1512.01752

[2]:https://github.com/tensorflow/tensorflow/tree/master/tensorflow/examples/android

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