2021年深度学习哪些方向比较新颖，处于上升期或者朝阳阶段，比较有研究潜力？
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2021-10-02 22:09
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导读
深度学习成为近些年来较为热门的领域，算法工程师这一岗位也变得越发的抢手，尽管已经踏入了这一领域但对整体的大环境其实是还不能够准确的把握。从研究方向去看，2021年的深度学习还有哪些方向还是一片蓝海或者比较有研究的潜力呢？本文汇总了知乎三位答主的精华回答，希望能给大家带来帮助～
原问题链接：https://www.zhihu.com/question/460500204
# 回答一
作者：Zhifeng
来源链接：https://www.zhihu.com/question/460500204/answer/1902459141
回答几个我最近在研究的方向～ 我主要在做生成模型，不过乱七八糟的也有涉猎
可解释性：feature-based研究的很多了，instance-based个人感觉在上升期，从研究的角度来说缺乏benchmark/axiom/sanity check. 主流方法是influence function, 我觉得这里面self influence的概念非常有趣，应该很值得研究。当然，更意思的方向是跳出influence function本身，比如像relatIF 加一些regularization，也是水文章的一贯套路(relatIF是好文章)。
Influence function for generative models也是很值得做的。Influence function for GAN已经有人做了，虽然文章直接优化FID是有点问题的，但是框架搭好了，换一个evaluation换个setting就可以直接发paper。
我最近写了Influence function for VAE, 有不少比较有意思的observation (paper: https://arxiv.org/pdf/2105.14203.pdf; code repo: VAE-TracIn-pytorch)。
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无监督生成学习：最近的denoising diffusion probabilistic model(DDPM)绝对是热坑，效果好，但是速度慢没有meaningful latent space限制了很多应用，有待发掘。我去年实习写了一篇DiffWave是这个方法在语音上的应用，效果很好，最近应该能看到这个模型的application井喷，比如3D point cloud生成。
DDPM的加速最近已经有不少paper了，目前来看有几类，有的用conditioned on noise level去重新训练，有的用jumping step缩短Markov Chain，有的在DDPM++里面研究更快的solver. 我最近写了FastDPM, 是一种结合noise level和jumping step的快速生成的框架(无需retrain, original DDPM checkpoint拿来直接用)，统一并推广了目前的好几种方法，给出了不同任务(图像, 语音)的recipe (paper: https//arxiv.org/pdf/2106.00132.pdf; code repo: FastDPM_pytorch)。
生成模型里的Normalizing flow模型，用可逆网络转化数据分布，很fancy 能提供likelihood和比较好的解释性但是效果偏偏做不上去，一方面需要在理论上有补充，因为可逆或者Lipschitz网络的capacity确实有限。另一方面，实际应用中，training不稳定可能是效果上不去的原因，其中initialization 和training landscape都是有待研究的问题。潜在的突破口：augmented dimension或者类似surVAE那种generalized mapping. 除此之外，normalizing flow on discrete domain也是很重要的问题，潜在突破口是用OT里面的sinkhorn network。
我对residual flow这个模型有执念，很喜欢这个框架，虽然它不火。今年早些时候我写了residual flow的universal approximation in MMD的证明，很难做，需要比较特殊的假设 (paper: https://arxiv.org/pdf/2103.05793.pdf)。之后可能继续钻研它的capacity和learnability。
再补充一个：
生成模型的overfitting是一个长久的问题，但是本身很难定义，很大一个原因是mode collapse和copy training data耦合在一起。我们组去年发表了data-copying test用于检测相关性质，不过这个idea还停留在比较初级的阶段，我觉得这一块需要更多high level的框架。
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Meta learning + generative model方向个人十分看好，meta learning 框架可以直接套，loss改成生成模型的loss就可以了。Again, GAN已经被做了，不过GAN的paper那么多，随便找上一个加上meta learning还是很容易的。类似可以做multitask + GAN。
# 回答二
作者：谢凌曦
来源链接：https://www.zhihu.com/question/460500204/answer/1930151239
所有内容均只代表作者本人观点，均有可能被推翻，二次转载务必连同声明一起转载。
我的主要研究方向是计算机视觉，所以本文也会比较偏重CV方向。
1. 不适合的研究方向
首先我要反对两个方向：对比学习为代表的自监督学习算法（包括BYOL等）和Transformer。它们的上限几乎是肉眼可见的，在没有非平凡的改进之前，很难有本质上的突破。在大量研究者投入精力的情况下，只要没有持续的产出，就必然会导致其加速衰落。前些年盛极一时的网络架构搜索（NAS）就是一个非常典型的例子。
我们首先分析NAS、对比学习、Transformer的局限性：
原本以NAS为代表的AutoML技术受到了广泛的期待，我还主张“自动机器学习之于深度学习，就好比深度学习之于传统方法”，不过后来发现它的缺陷是明显的。在搜索空间指数级扩大之后，算法就必须在精度和速度之间做出选择。后来盛行的权重共享类搜索方法，相当于追求搜索空间中的平摊精度，而平摊精度与最佳个体的精度往往并不吻合。
对比学习被广泛引入图像领域作为自监督任务以后，前世代的自监督算法（如预测旋转、拼图、上色等）纷纷被吊打，甚至开始在下游任务中超越有监督训练的模型。然而，当前的对比学习类方法（包括BYOL）对于数据扩增（data augmentation）的依赖过重，因而不可避免地陷入了invariance和consistency之间的矛盾：强力的augmentation能够促进学习效果，但是如果augmentation过强，不同view之间的可预测性又无法保证。
至于Transformer，虽然目前还处在比较兴盛的状态，然而它的上限也是明显的。除了更快的信息交换，似乎这种模型并没有体现出显著的优势。问题是：CV任务真的需要频繁而快速的视觉信息交换吗？遗憾的是，学界依然沉浸在“先将所有任务用Transformer刷一遍”的廉价快乐中，鲜有人愿意思考一些更深入的问题。
因此，我特别希望初学者不要看到一个热门方向就一拥而上，而要冷静地思考这个问题：如果全世界都知道这个方向火热，那么你的研究要想脱颖而出，就必然有某些过人之处——比如你有特别多的卡，或者你有丰富的PR资源。否则，很可能还是捧红了别人的文章，浪费了自己的时间。
2. 应该关注的方向（但未必能够保证产出）
我认为CV领域还是存在很多本质问题没有解决的。但是这些问题往往非常困难，投入长期研究的风险也比较大，因而大部分研究者会回避这些问题。然而要从根源上推进CV的发展，这些问题就不得不去面对、解决：
是否存在神经网络之外的推理方式？当前，神经网络成为训练以后的唯一产物，而几乎所有算法均假设将输入送给神经网络以后，一次性地得到输出结果。然而，是否能够设计直接向前传递以外的其他推理方式？例如，当一个物体处于罕见的视角或者被严重遮挡时，能否通过多次迭代式的处理，逐渐恢复其缺失的特征，最终完成识别任务？这就涉及到将强化学习引入训练，或者通过类似于image warping的方式找到一条困难样例和简单样例之间的路径。后者可以导向一个非常本质的问题：如何以尽可能低的维度刻画语义空间？GAN以及相关的方法或许能够提供一些思路，但是目前还没有通用的、能够轻易跨越不同domain的方法。
是否存在更精细的标注方式，能够推进视觉的理解？我最近提出了一个假想：当前所有的视觉识别算法都远远没有达到完整，而这很可能是当前不够精细的标注所导致的。那么，是否能够在可行的范围内，定义一种超越instance segmentation的标注方式，进一步推进视觉识别？这就涉及到一系列根本问题：什么是一个物体？如何定义一个物体？物体和部件之间有什么联系？这些问题不得到解决，物体检测和分割将步图像分类的后尘，迅速陷入过拟合的困境。
如何解决大模型和小样本之间的矛盾？当前，大模型成为AI领域颇有前景的规模化解决方案。然而，大模型的本质在于，通过预训练阶段大量吸收数据（有标签或者无标签均可），缓解下游小样本学习的压力。这就带来了一个新的矛盾：大模型看到的数据越多，模型就越需要适应一个广泛而分散的数据分布，因而通过小样本进行局部拟合的难度就越大。这很可能是制约大模型思路落地的一个瓶颈。
能否通过各种方式生成接近真实的数据？生成数据（包括虚拟场景或者GAN生成的数据）很可能会带来新的学习范式，然而这些数据和真实数据之间存在一种难以逾越的domain gap，制约了其在识别任务中发挥作用。我们提出问题：这种domain gap，本质上是不是特定的识别任务带来的learning bias？我们希望通过改变学习目标，使得这种domain gap得到缓解甚至消失，从而能够在有朝一日消灭人工标注，真正开启新的学习范式。
是否存在更高效的人机交互模式？目前，人机之间的交互效率还很低，我就经常因为为做PPT而头疼不已。我认为AI算法或许会深刻地改变人机交互的模式，使得以下场景变得更容易：多媒体内容设计和排版、跨模态信息检索、游戏微操作，等等。多模态算法很可能会在这波“人机交互革命”中发挥重要作用。
在我看来，上述任何一个问题，相比于无止境的烧卡刷点，都要有趣且接近本质，但是风险也要更大一些。因此，大部分研究人员迫于现实压力而选择跟风，是再正常不过的事情。只要有人在认真思考这些问题并且稳步推进它们，AI就不是一个遥不可及的梦。
限于时间，无法将上述每个点写得太仔细；同时限于水平和视野，我也无法囊括所有重要的问题（如可解释性——虽然我对深度学习的可解释性感到悲观，不过看到有学者在这个领域深耕，还是能够感觉到勇气和希望）。
非常欢迎针对各种问题的讨论，也希望这些观点能够引发更多的思考吧。
# 回答三
作者：陀飞轮
来源链接：https://www.zhihu.com/question/460500204/answer/1902640999
先写两个最近火热我比较看好的方向Transformer和Self-Supervised，我这里举的例子倾向于计算机视觉方向。最后再补充Zero-Shot和多模态两个方向。
1.Transformer
自从去年DETR和ViT出来之后，计算机视觉领域掀起了Transformer狂潮。目前可以做的主要有两个路径，一个是魔改DETR和ViT，另一个是不同task迁移算法。
魔改DETR和ViT的方法，无非是引入local和hierarchical，或者魔改算子。
不同task迁移算法主要是探究如何针对不同的task做适配设计。
其中魔改DETR的可以参考以下工作：
[Deformable DETR] [TSP-FCOS/TSP-RCNN] [UP-DETR] [SMCA] [Meta-DETR] [DA-DETR]
其中魔改ViT的可以参考以下工作：
魔改算子：
[LambdaResNets] [DeiT] [VTs] [So-ViT] [LeViT] [CrossViT] [DeepViT] [TNT] [T2T-ViT]
[BoTNet] [Visformer]
引入local或者hierarchical：
[PVT] [FPT] [PiT] [LocalViT] [SwinT] [MViT] [Twins]
Swin Transformer对CNN的降维打击
引入卷积:
[CPVT] [CvT] [ConViT] [CeiT] [CoaT] [ConTNet]
不同task迁移算法的可以参考以下工作：
ViT+Seg [SETR] [TransUNet] [DPT] [U-Transformer]
ViT+Det [ViT-FRCNN] [ACT]
ViT+SOT [TransT] [TMT]
ViT+MOT [TransTrack] [TrackFormer] [TransCenter]
ViT+Video [STTN] [VisTR] [VidTr] [ViViT] [TimeSformer] [VTN]
ViT+GAN [TransGAN] [AOT-GAN] [GANsformer]
ViT+3D [Group-Free] [Pointformer] [PCT] [PointTransformer] [DTNet] [MLMSPT]
以上几个task是重灾区（重灾区的意思是听我一句劝，你把握不住）
ViT+Multimodal [Fast and Slow] [VATT]
ViT+Pose [TransPose] [TFPose]
ViT+SR [TTSR]
ViT+Crowd [TransCrowd]
ViT+NAS [BossNAS]
ViT+ReID [TransReID]
ViT+Face [FaceT]
想一想算子怎么魔改，或者还有什么task没有做的
2.Self-Supervised
Self-Supervised自从何恺明做出MoCo以来再度火热，目前仍然是最为火热的方向之一。目前可以做的主要有三个路径，一个是探索退化解的充要条件，一个是Self-Supervised+Transformer探索上限，还有一个是探索非对比学习的方法。
探索退化解的充要条件主要是探索无negative pair的时候，避免退化解的最优方案是什么。
[SimCLR] [BYOL] [SwAV] [SimSiam] [Twins]
Self-Supervised+Transformer是MoCov3首次提出的，NLP领域强大的预训练模型(BERT和GPT-3)都是Transformer架构的，CV可以尝试去复制NLP的路径，探究Self-Supervised+Transformer的上限。
[MoCov1] [MoCov2] [MoCov3] [SiT]
探索非对比学习的方法就是要设计合适的proxy task。
基于上下文 [Unsupervised Visual Representation Learning by Context Prediction] [Unsupervised Representation Learning by Predicting Image Rotations] [Self-supervised Label Augmentation via Input Transformations]
基于时序 [Time-Contrastive Networks: Self-Supervised Learning from Video] [Unsupervised Learning of Visual Representations using Videos]
刚写了基于时序，何恺明和Ross Girshick就搞了个时序的
A Large-Scale Study on Unsupervised Spatiotemporal Representation Learning
3. Zero-Shot
最近因为CLIP的出现，Zero-Shot可能会引起一波热潮，ViLD将CLIP成功应用于目标检测领域，相信未来会有越来越多的基于CLIP的Zero-Shot方法。
4. 多模态
最近的ViLT结合了BERT和ViT来做多模态，并且通过增加标志位来巧妙的区分不同模态，感觉是一个非常好的做多模态的思路，相信未来会有更强大的多模态出现。
至于最近火热的MLP架构，极其不推荐，很沙雕
最后，适当灌水，有能力还是要做有影响力的工作。
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