一、什么是“潜在空间”

在人工智能领域,有一个让人着迷的概念叫做“潜在空间”。这是当前AI技术中最重要的组成部分,使得AI能生成逼真的图像,进行流畅的对话。要真正理解这个概念,我们先看一个简单的例子,然后再深入技术细节。

把潜在空间想象成一个庞大的点图。每个点都代表一样东西,比如一种美味的纸杯蛋糕。每种纸杯蛋糕都有不同的口味、糖霜、装饰和大小。你可以在这个图上标出每一种自己见过的纸杯蛋糕,相似的蛋糕靠在一起,不同的蛋糕隔得远远的。所有草莓蛋糕会聚在一起,而巧克力蛋糕则聚在图的另一区域。

这个蛋糕网格就像一个小小的潜在空间。每个点都代表一种独特的纸杯蛋糕,在AI中,每个点都代表一种独特的数据。AI程序利用这张图理解自己所见、所闻或所读的内容。如果AI想创造新的东西,比如想出新口味的蛋糕或者编写故事,它会在已存在的点之间找到一个新的点,并将其转换成我们能看到、尝到或阅读的内容。

简而言之,潜在空间可以看作是AI用于理解和创造新事物的一种映射。

二、更专业的潜在空间解释

上面的例子是一个简单的二维网格,坐标轴代表口味和大小。而在AI领域,潜在空间几乎总是更复杂的多维空间。每个维度对应数据的一个特征或特性。换句话说,纸杯蛋糕的每个特征都可以在潜在空间中形成一个维度——直径、高度、颜色、口味、原料、烘焙时间等等。

在AI图像生成的场景下,比如敌对生成网络(GAN),算法首先会将输入数据(比如数百万张人脸图片)映射到潜在空间的不同点上。每个点就代表一张图片及其不同特征在坐标轴上的数值。一旦建立了这种映射,AI就可以通过在潜在空间中选择一个点,并使用转换器将其解码成一张图片,从而生成新的、从未见过的图片。

GAN中名为编码器的组件负责完成第一步,即将大量图片映射到一个叫做潜在空间的抽象数学空间中。编码器接受每张脸部图片,将数据中的复杂性压缩成一个简单的形式——定义了潜在空间中的一个点的数学值。这个结构叫做张量,我们稍后会详细说明。

由于这个多维空间中的每个坐标轴都代表着数据的某个特性。在我们的例子中,这可能是脸部的形状、眼睛的大小、头发的颜色等属性。

这个空间中的每个点都唯一对应数据集中的一张脸部图片,点的具体坐标就编码了那张脸图片的独特特征。具有相似特征的脸会被映射到靠近的点上,在潜在空间中形成相关图片的布局。即使是抽象的形式,潜在空间也保留了原始数据中的基本多样性和相似性。

但是我们能用它来做什么呢?潜在空间不仅仅是原始数据的存储库,也是催生新创作的温床。一旦GAN构建了这个潜在空间,它就可以生成新的、从未见过的图片。这是通过GAN的另一个组件生成器来实现的。

生成器的工作原理是随机选择潜在空间中的一个点。这个点可能代表原始数据集中的一张实际脸部图片,但更有用的是,它可能处于附近几张脸之间,代表这些脸部图片特征的混合。生成器取这个点,解码其编码的特征(之前提到的面部属性),然后根据这些特征组装一张新图片。

结果是一张新图片,虽然不是原始数据集的一部分,但由于潜在空间中特征的有意义编码和解码,所以仍然像一张真实的脸部图片。

简而言之,潜在空间成为GAN探索、发明和创造图片的游乐场。这些图片既新颖,又植根于从原始数据集中学习到的模式。这就是AI图像生成的本质。

三、张量和多维性

潜在空间中的数据,比如一张图片或一段文字,用一个数字张量表示。对于图片,张量可能捕获不同颜色通道中每个像素的强度,张量的每个维度对应一个特定颜色通道的一个特定像素。对于文本,张量可能包含句子中每个单词的数值表示,通常使用诸如词嵌入之类的技术创建。

当一个AI模型将数据转换并置入潜在空间时,它实际上是将原始数据转换成一个张量,其中包含表示数据不同相关特征的数学值。这个张量就表示了潜在空间中的一个点。转换过程涉及一系列张量操作,如乘法、加法或应用非线性函数,所有这些操作都是由AI模型的神经网络执行的。

处理潜在空间的关键部分是有效存储和检索表示空间中数据点的高维向量。这是通过专门设计的数据库即向量数据库来实现的。

向量数据库经过专门设计,可以高效处理高维向量。它提供了基于相似性存储、搜索和检索向量的机制,非常适合处理潜在空间。向量数据库可以用来存储GAN潜在空间中图像对应的向量。当GAN生成一张新图片时,可以查询向量数据库来找到基于它们在潜在空间中的向量相似程度找到最相似的已经生成的图片。又或者,语言模型通过查看向量数据库中存储在附近的单词和词组的词向量,来预测接下来的单词。通过查看周围的上下文或“词元”,一个训练良好的模型可以准确预测将要出现的下一个单词。

理解潜在空间的概念对于有用的AI应用至关重要。在图像处理中,AI可以生成新的逼真图像或修改现有图像。比如,AI可以将白天的图像改造成夜间图像,仅仅通过在潜在空间中遍历。

在文本和语言的世界中,这个概念使得AI能够生成有意义、与上下文相关的响应,从而实现聊天机器人和语言模型成为可能。在推荐系统中,潜在空间可用于推荐与用户偏好高度匹配的产品或媒体。

此外,它还延伸到其他AI领域,如音乐生成、游戏等,这进一步凸显了潜在空间作为AI创造力的关键驱动器的地位。

潜在空间虽然是一个复杂的概念,但它构成了许多前沿AI应用的支柱。这是AI使用的秘密地图,用于表示、理解和生成数据。通过进一步了解它,我们不仅揭开了AI背后神奇的面纱,也为发挥其全部潜力奠定了基础。

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