胶囊网络（参见例如Hinton等，2018）旨在编码有关对象及其部分之间关系的知识和理由。在本文中，我们为此类数据指定了一个生成模型，并得出了一种用于推断场景中每个模型对象转换的变异算法以及观察到的部分对对象的分配。我们基于变异期望最大化来得出对象模型的学习算法（Jordan等，1999）。我们还根据Fischler和Bolles（1981）的RANSAC方法研究了一种替代推理算法。我们将这些推理方法应用于（i）从正方形和三角形（“星座”）等多个几何对象生成的数据，以及（ii）基于零件的面部模型的数据。 Kosiorek等人的最新工作。 （2019年）通过堆叠的胶囊自动编码器（SCAE）使用摊销推理来解决此问题 - 我们的结果表明，我们在可以进行比较的地方（在星座数据上）大大优于它们。

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.

当前独立于域的经典计划者需要问题域和实例作为输入的符号模型，从而导致知识采集瓶颈。同时，尽管深度学习在许多领域都取得了重大成功，但知识是在与符号系统（例如计划者）不兼容的亚符号表示中编码的。我们提出了Latplan，这是一种无监督的建筑，结合了深度学习和经典计划。只有一组未标记的图像对，显示了环境中允许的过渡子集（训练输入），Latplan学习了环境的完整命题PDDL动作模型。稍后，当给出代表初始状态和目标状态（计划输入）的一对图像时，Latplan在符号潜在空间中找到了目标状态的计划，并返回可视化的计划执行。我们使用6个计划域的基于图像的版本来评估LATPLAN：8个插头，15个式嘴，Blockworld，Sokoban和两个LightsOut的变体。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

代表物体粒度的场景是场景理解和决策的先决条件。我们提出PrisMoNet，一种基于先前形状知识的新方法，用于学习多对象3D场景分解和来自单个图像的表示。我们的方法学会在平面曲面上分解具有多个对象的合成场景的图像，进入其组成场景对象，并从单个视图推断它们的3D属性。经常性编码器从输入的RGB图像中回归3D形状，姿势和纹理的潜在表示。通过可差异化的渲染，我们培训我们的模型以自我监督方式从RGB-D图像中分解场景。 3D形状在功能空间中连续表示，作为我们以监督方式从示例形状预先训练的符号距离函数。这些形状的前沿提供弱监管信号，以更好地条件挑战整体学习任务。我们评估我们模型在推断3D场景布局方面的准确性，展示其生成能力，评估其对真实图像的概括，并指出了学习的表示的益处。

在本文中，我们解决了用高各向异性定位噪声损坏的多点云的问题。我们的方法遵循高斯混合模型（GMM）重建的广泛使用的框架，预期最大化（EM）算法。现有方法基于空间不变各向同性高斯噪声的隐含假设。然而，在单分子定位显微镜（SMLM）的应用中，在实践中侵犯了这种假设。为了解决这个问题，我们建议介绍一个明确的定位噪声模型，使用GMM从噪声处理中脱颖而出。我们设计了一种随机EM算法，将无噪声数据视为潜在变量，每个EM步骤在闭合型溶液中。我们的方法的第一个优点是处理具有任意考兰的空间变体和各向异性高斯噪声。第二个优点是利用显式噪声模型来施加关于可以从物理传感器获得的噪声的先验知识。我们在各种模拟数据中展示了我们的噪声处理策略提高了高水平各向异性噪声的鲁棒性。我们还展示了我们对真实SMLM数据的方法的表现。

培训和测试监督对象检测模型需要大量带有地面真相标签的图像。标签定义图像中的对象类及其位置，形状以及可能的其他信息，例如姿势。即使存在人力，标签过程也非常耗时。我们引入了一个新的标签工具，用于2D图像以及3D三角网格：3D标记工具（3DLT）。这是一个独立的，功能丰富和跨平台软件，不需要安装，并且可以在Windows，MacOS和基于Linux的发行版上运行。我们不再像当前工具那样在每个图像上分别标记相同的对象，而是使用深度信息从上述图像重建三角形网格，并仅在上述网格上标记一次对象。我们使用注册来简化3D标记，离群值检测来改进2D边界框的计算和表面重建，以将标记可能性扩展到大点云。我们的工具经过最先进的方法测试，并且在保持准确性和易用性的同时，它极大地超过了它们。

We present a framework for efficient inference in structured image models that explicitly reason about objects. We achieve this by performing probabilistic inference using a recurrent neural network that attends to scene elements and processes them one at a time. Crucially, the model itself learns to choose the appropriate number of inference steps. We use this scheme to learn to perform inference in partially specified 2D models (variable-sized variational auto-encoders) and fully specified 3D models (probabilistic renderers). We show that such models learn to identify multiple objects -counting, locating and classifying the elements of a scenewithout any supervision, e.g., decomposing 3D images with various numbers of objects in a single forward pass of a neural network at unprecedented speed. We further show that the networks produce accurate inferences when compared to supervised counterparts, and that their structure leads to improved generalization.

预测性编码提供了对皮质功能的潜在统一说明 - 假设大脑的核心功能是最小化有关世界生成模型的预测错误。该理论与贝叶斯大脑框架密切相关，在过去的二十年中，在理论和认知神经科学领域都产生了重大影响。基于经验测试的预测编码的改进和扩展的理论和数学模型，以及评估其在大脑中实施的潜在生物学合理性以及该理论所做的具体神经生理学和心理学预测。尽管存在这种持久的知名度，但仍未对预测编码理论，尤其是该领域的最新发展进行全面回顾。在这里，我们提供了核心数学结构和预测编码的逻辑的全面综述，从而补充了文献中最新的教程。我们还回顾了该框架中的各种经典和最新工作，从可以实施预测性编码的神经生物学现实的微电路到预测性编码和广泛使用的错误算法的重新传播之间的紧密关系，以及对近距离的调查。预测性编码和现代机器学习技术之间的关系。

从视觉观察中了解动态系统的潜在因果因素被认为是对复杂环境中推理的推理的关键步骤。在本文中，我们提出了Citris，这是一种变异自动编码器框架，从图像的时间序列中学习因果表示，其中潜在的因果因素可能已被干预。与最近的文献相反，Citris利用了时间性和观察干预目标，以鉴定标量和多维因果因素，例如3D旋转角度。此外，通过引入归一化流，可以轻松扩展柑橘，以利用和删除已验证的自动编码器获得的删除表示形式。在标量因果因素上扩展了先前的结果，我们在更一般的环境中证明了可识别性，其中仅因果因素的某些成分受干预措施影响。在对3D渲染图像序列的实验中，柑橘类似于恢复基本因果变量的先前方法。此外，使用预验证的自动编码器，Citris甚至可以概括为因果因素的实例化，从而在SIM到现实的概括中开放了未来的研究领域，以进行因果关系学习。

与CNN的分类，分割或对象检测相比，生成网络的目标和方法根本不同。最初，它们不是作为图像分析工具，而是生成自然看起来的图像。已经提出了对抗性训练范式来稳定生成方法，并已被证明是非常成功的 - 尽管绝不是第一次尝试。本章对生成对抗网络（GAN）的动机进行了基本介绍，并通​​过抽象基本任务和工作机制并得出了早期实用方法的困难来追溯其成功的道路。将显示进行更稳定的训练方法，也将显示出不良收敛及其原因的典型迹象。尽管本章侧重于用于图像生成和图像分析的gan，但对抗性训练范式本身并非特定于图像，并且在图像分析中也概括了任务。在将GAN与最近进入场景的进一步生成建模方法进行对比之前，将闻名图像语义分割和异常检测的架构示例。这将允许对限制的上下文化观点，但也可以对gans有好处。

It is possible to combine multiple latent-variable models of the same data by multiplying their probability distributions together and then renormalizing. This way of combining individual "expert" models makes it hard to generate samples from the combined model but easy to infer the values of the latent variables of each expert, because the combination rule ensures that the latent variables of different experts are conditionally independent when given the data. A product of experts (PoE) is therefore an interesting candidate for a perceptual system in which rapid inference is vital and generation is unnecessary. Training a PoE by maximizing the likelihood of the data is difficult because it is hard even to approximate the derivatives of the renormalization term in the combination rule. Fortunately, a PoE can be trained using a different objective function called "contrastive divergence" whose derivatives with regard to the parameters can be approximated accurately and efficiently. Examples are presented of contrastive divergence learning using several types of expert on several types of data.

统计模型是机器学习的核心，具有广泛适用性，跨各种下游任务。模型通常由通过最大似然估计从数据估计的自由参数控制。但是，当面对现实世界数据集时，许多模型运行到一个关键问题：它们是在完全观察到的数据方面配制的，而在实践中，数据集会困扰缺失数据。来自不完整数据的统计模型估计理论在概念上类似于潜在变量模型的估计，其中存在强大的工具，例如变分推理（VI）。然而，与标准潜在变量模型相比，具有不完整数据的参数估计通常需要估计缺失变量的指数 - 许多条件分布，因此使标准的VI方法是棘手的。通过引入变分Gibbs推理（VGI），是一种新的通用方法来解决这个差距，以估计来自不完整数据的统计模型参数。我们在一组合成和实际估算任务上验证VGI，从不完整的数据中估算重要的机器学习模型，VAE和标准化流程。拟议的方法，同时通用，实现比现有的特定模型特定估计方法竞争或更好的性能。

We explore an original strategy for building deep networks, based on stacking layers of denoising autoencoders which are trained locally to denoise corrupted versions of their inputs. The resulting algorithm is a straightforward variation on the stacking of ordinary autoencoders. It is however shown on a benchmark of classification problems to yield significantly lower classification error, thus bridging the performance gap with deep belief networks (DBN), and in several cases surpassing it. Higher level representations learnt in this purely unsupervised fashion also help boost the performance of subsequent SVM classifiers. Qualitative experiments show that, contrary to ordinary autoencoders, denoising autoencoders are able to learn Gabor-like edge detectors from natural image patches and larger stroke detectors from digit images. This work clearly establishes the value of using a denoising criterion as a tractable unsupervised objective to guide the learning of useful higher level representations.

People learning new concepts can often generalize successfully from just a single example, yet machine learning algorithms typically require tens or hundreds of examples to perform with similar accuracy. People can also use learned concepts in richer ways than conventional algorithms-for action, imagination, and explanation. We present a computational model that captures these human learning abilities for a large class of simple visual concepts: handwritten characters from the world's alphabets. The model represents concepts as simple programs that best explain observed examples under a Bayesian criterion. On a challenging one-shot classification task, the model achieves human-level performance while outperforming recent deep learning approaches. We also present several "visual Turing tests" probing the model's creative generalization abilities, which in many cases are indistinguishable from human behavior.

自动编码变化贝叶斯（AEVB）是一种用于拟合潜在变量模型（无监督学习的有前途的方向）的强大而通用的算法，并且是训练变量自动编码器（VAE）的众所周知的。在本教程中，我们专注于从经典的期望最大化（EM）算法中激励AEVB，而不是确定性自动编码器。尽管自然而有些不言而喻，但在最近的深度学习文献中并未强调EM与AEVB之间的联系，我们认为强调这种联系可以改善社区对AEVB的理解。特别是，我们发现（1）优化有关推理参数的证据下限（ELBO）作为近似E-step，并且（2）优化ELBO相对于生成参数作为近似M-step；然后，与AEVB中的同时进行同时进行，然后同时拧紧并推动Elbo。我们讨论如何将近似E-Step解释为执行变异推断。详细讨论了诸如摊销和修复技巧之类的重要概念。最后，我们从划痕中得出了非深度和几个深层变量模型的AEVB训练程序，包括VAE，有条件的VAE，高斯混合物VAE和变异RNN。我们希望读者能够将AEVB认识为一种通用算法，可用于拟合广泛的潜在变量模型（不仅仅是VAE），并将AEVB应用于自己的研究领域中出现的此类模型。所有纳入型号的Pytorch代码均可公开使用。

以对象表示的学习背后的想法是，自然场景可以更好地建模为对象的组成及其关系，而不是分布式表示形式。可以将这种归纳偏置注入神经网络中，以可能改善具有多个对象的场景中下游任务的系统概括和性能。在本文中，我们在五个常见的多对象数据集上训练最先进的无监督模型，并评估细分指标和下游对象属性预测。此外，我们通过调查单个对象不超出分布的设置（例如，具有看不见的颜色，质地或形状或场景的全局属性）来研究概括和鲁棒性，例如，通过闭塞来改变，裁剪或增加对象的数量。从我们的实验研究中，我们发现以对象为中心的表示对下游任务很有用，并且通常对影响对象的大多数分布转移有用。但是，当分布转移以较低结构化的方式影响输入时，在模型和分布转移的情况下，分割和下游任务性能的鲁棒性可能会有很大差异。

We marry ideas from deep neural networks and approximate Bayesian inference to derive a generalised class of deep, directed generative models, endowed with a new algorithm for scalable inference and learning. Our algorithm introduces a recognition model to represent an approximate posterior distribution and uses this for optimisation of a variational lower bound. We develop stochastic backpropagation -rules for gradient backpropagation through stochastic variables -and derive an algorithm that allows for joint optimisation of the parameters of both the generative and recognition models. We demonstrate on several real-world data sets that by using stochastic backpropagation and variational inference, we obtain models that are able to generate realistic samples of data, allow for accurate imputations of missing data, and provide a useful tool for high-dimensional data visualisation.

因果表示学习是识别基本因果变量及其从高维观察（例如图像）中的关系的任务。最近的工作表明，可以从观测的时间序列中重建因果变量，假设它们之间没有瞬时因果关系。但是，在实际应用中，我们的测量或帧速率可能比许多因果效应要慢。这有效地产生了“瞬时”效果，并使以前的可识别性结果无效。为了解决这个问题，我们提出了ICITRI，这是一种因果表示学习方法，当具有已知干预目标的完美干预措施时，可以在时间序列中处理瞬时效应。 Icitris从时间观察中识别因果因素，同时使用可区分的因果发现方法来学习其因果图。在三个视频数据集的实验中，Icitris准确地识别了因果因素及其因果图。