2017年8月27日星期日

14款GitHub最流行的开源机器学习项目：TensorFlow排榜首

现在机器学习逐渐成为行业热门，经过二十几年的发展，机器学习目前也有了十分广泛的应用，如：数据挖掘、计算机视觉、自然语言处理、生物特征识别、搜索引擎、医学诊断、DNA序列测序、语音和手写识别、战略游戏和机器人等方面。
本文列举了目前GitHub上最受欢迎的14款开源的机器学习项目，以供开发者参考使用。

1. TensorFlow

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TensorFlow 是谷歌发布的第二代机器学习系统。据谷歌宣称，在部分基准测试中，TensorFlow的处理速度比第一代的DistBelief加快了2倍之多。
具体的讲，TensorFlow是一个利用数据流图（Data Flow Graphs）进行数值计算的开源软件库：图中的节点（ Nodes）代表数学运算操作，同时图中的边（Edges）表示节点之间相互流通的多维数组，即张量（Tensors）。这种灵活的架构可以让使用者在多样化的将计算部署在台式机、服务器或者移动设备的一个或多个CPU上，而且无需重写代码；同时任一基于梯度的机器学习算法均可够借鉴TensorFlow的自动分化（Auto-differentiation）；此外通过灵活的Python接口，要在TensorFlow中表达想法也变得更为简单。
TensorFlow最初由Google Brain小组（该小组隶属于Google's Machine Intelligence研究机构）的研究员和工程师开发出来的，开发目的是用于进行机器学习和深度神经网络的研究。但该系统的通用性足以使其广泛用于其他计算领域。
目前Google 内部已在大量使用 AI 技术，包括 Google App 的语音识别、Gmail 的自动回复功能、Google Photos 的图片搜索等都在使用 TensorFlow 。

开发语言：C++
许可协议：Apache License 2.0 
GitHub项目地址：https://github.com/tensorflow/tensorflow

2. Scikit-Learn

Scikit-Learn是用于机器学习的Python 模块，它建立在SciPy之上。该项目由David Cournapeau 于2007年创立，当时项目名为Google Summer of Code，自此之后，众多志愿者都为此做出了贡献。
主要特点：
  • 操作简单、高效的数据挖掘和数据分析
  • 无访问限制，在任何情况下可重新使用
  • 建立在NumPy、SciPy 和 matplotlib基础上
Scikit-Learn的基本功能主要被分为六个部分：分类、回归、聚类、数据降维、模型选择、数据预处理，具体可以参考官方网站上的文档。经过测试，Scikit-Learn可在 Python 2.6、Python 2.7 和 Python 3.5上运行。除此之外，它也应该可在Python 3.3和Python 3.4上运行。
注：Scikit-Learn以前被称为Scikits.Learn。

开发语言：Python
许可协议:3-Clause BSD license
GitHub项目地址: https://github.com/scikit-learn/scikit-learn

3.Caffe

Caffe 是由神经网络中的表达式、速度、及模块化产生的深度学习框架。后来它通过伯克利视觉与学习中心（(BVLC）和社区参与者的贡献，得以发展形成了以一个伯克利主导，然后加之Github和Caffe-users邮件所组成的一个比较松散和自由的社区。
Caffe是一个基于C++/CUDA架构框架，开发者能够利用它自由的组织网络，目前支持卷积神经网络和全连接神经网络（人工神经网络）。在Linux上，C++可以通过命令行来操作接口，对于MATLAB、Python也有专门的接口，运算上支持CPU和GPU直接无缝切换。

Caffe的特点

  • 易用性：Caffe的模型与相应优化都是以文本形式而非代码形式给出， Caffe给出了模型的定义、最优化设置以及预训练的权重，方便快速使用；
  • 速度快：能够运行最棒的模型与海量的数据；
  • Caffe可与cuDNN结合使用，可用于测试AlexNet模型，在K40上处理一张图片只需要1.17ms；
  • 模块化：便于扩展到新的任务和设置上；
  • 使用者可通过Caffe提供的各层类型来定义自己的模型；
目前Caffe应用实践主要有数据整理、设计网络结构、训练结果、基于现有训练模型，使用Caffe直接识别。

开发语言：C++
许可协议： BSD 2-Clause license
GitHub项目地址: https://github.com/BVLC/caffe

4. PredictionIO

PredictionIO 是面向开发人员和数据科学家的开源机器学习服务器。它支持事件采集、算法调度、评估，以及经由REST APIs的预测结果查询。使用者可以通过PredictionIO做一些预测，比如个性化推荐、发现内容等。PredictionIO 提供20个预设算法，开发者可以直接将它们运行于自己的数据上。几乎任何应用与PredictionIO集成都可以变得更“聪明”。其主要特点如下所示：
  • 基于已有数据可预测用户行为；
  • 使用者可选择你自己的机器学习算法；
  • 无需担心可扩展性，扩展性好。
PredictionIO 基于 REST API（应用程序接口）标准，不过它还包含 Ruby、Python、Scala、Java 等编程语言的 SDK（软件开发工具包）。其开发语言是Scala语言，数据库方面使用的是MongoDB数据库，计算系统采用Hadoop系统架构。 

开发语言：Scala
许可协议： Apache License 2.0
GitHub项目地址: https://github.com/PredictionIO/PredictionIO

5. Brain

Brain是 JavaScript 中的 神经网络库。以下例子说明使用Brain来近似 XOR 功能：
var net = new brain.NeuralNetwork();

net.train([{input: [0, 0], output: [0]},

           {input: [0, 1], output: [1]},

           {input: [1, 0], output: [1]},

           {input: [1, 1], output: [0]}]);

var output = net.run([1, 0]);  // [0.987]
当 brain 用于节点中，可使用npm安装：
npm install brain
当 brain 用于浏览器，下载最新的 brain.js 文件。训练计算代价比较昂贵，所以应该离线训练网络（或者在 Worker 上），并使用 toFunction() 或者 toJSON()选项，以便将预训练网络插入到网站中。

开发语言：JavaScript
GitHub项目地址: https://github.com/harthur/brain

6. Keras

Keras是极其精简并高度模块化的神经网络库，在TensorFlow 或 Theano 上都能够运行，是一个高度模块化的神经网络库，支持GPU和CPU运算。Keras可以说是Python版的Torch7，对于快速构建CNN模型非常方便，同时也包含了一些最新文献的算法，比如Batch Noramlize，文档教程也很全，在官网上作者都是直接给例子浅显易懂。Keras也支持保存训练好的参数，然后加载已经训练好的参数，进行继续训练。
Keras侧重于开发快速实验，用可能最少延迟实现从理念到结果的转变，即为做好一项研究的关键。
当需要如下要求的深度学习的库时，就可以考虑使用Keras：
  • 考虑到简单快速的原型法（通过总体模块性、精简性以及可扩展性）；
  • 同时支持卷积网络和递归网络，以及两者之间的组合；
  • 支持任意连接方案（包括多输入多输出训练）；
  • 可在CPU 和 GPU 上无缝运行。
Keras目前支持 Python 2.7-3.5。

开发语言：Python
GitHub项目地址:https://github.com/fchollet/keras

7. CNTK

CNTK（Computational Network Toolkit ）是一个统一的深度学习工具包，该工具包通过一个有向图将神经网络描述为一系列计算步骤。在有向图中，叶节点表示输入值或网络参数，其他节点表示该节点输入之上的矩阵运算。
CNTK 使得实现和组合如前馈型神经网络DNN、卷积神经网络（CNN）和循环神经网络(RNNs/LSTMs)等流行模式变得非常容易。同时它实现了跨多GPU 和服务器自动分化和并行化的随机梯度下降（SGD，误差反向传播）学习。
下图将CNTK的处理速度（每秒处理的帧数）和其他四个知名的工具包做了比较了。配置采用的是四层全连接的神经网络（参见基准测试脚本）和一个大小是8192 的高效mini batch。在相同的硬件和相应的最新公共软件版本（2015.12.3前的版本）的基础上得到如下结果：
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CNTK自2015年四月就已开源。

开发语言：C++
GitHub项目地址:https://github.com/Microsoft/CNTK

8. Convnetjs

ConvNetJS是利用Javascript实现的神经网络，同时还具有非常不错的基于浏览器的Demo。它最重要的用途是帮助深度学习初学者更快、更直观的理解算法。
它目前支持：
  • 常见的神经网络模块（全连接层，非线性）；
  • 分类（SVM/ SOFTMAX）和回归（L2）的成本函数；
  • 指定和训练图像处理的卷积网络；
  • 基于Deep Q Learning的实验强化学习模型。

一些在线示例：

9. Pattern

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Pattern是Python的一个Web挖掘模块。拥有以下工具：
  • 数据挖掘：网络服务（Google、Twitter、Wikipedia）、网络爬虫、HTML DOM解析；
  • 自然语言处理：词性标注工具(Part-Of-Speech Tagger)、N元搜索(n-gram search)、情感分析(sentiment analysis)、WordNet；
  • 机器学习：向量空间模型、聚类、分类（KNN、SVM、 Perceptron）；
  • 网络分析：图形中心性和可视化。
其文档完善，目前拥有50多个案例和350多个单元测试。 Pattern目前只支持Python 2.5+（尚不支持Python 3），该模块除了在Pattern.vector模块中使用LSA外没有其他任何外部要求，因此只需安装 NumPy （仅在Mac OS X上默认安装）。

开发语言：Python
许可协议：BSD license
GitHub项目地址:https://github.com/clips/pattern

10. NuPIC

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NuPIC是一个实现了HTM学习算法的机器智能平台。HTM是一个关于新（大脑）皮质（Neocortex）的详细人工智能算法。HTM的核心是基于时间的连续学习算法，该算法可以存储和调用时间和空间两种模式。NuPIC可以适用于解决各类问题，尤其是异常检测和流数据源预测方面。
NuPIC Binaries文件目前可用于：
  • Linux x86 64bit
  • OS X 10.9
  • OS X 10.10
  • Windows 64bit
NuPIC 有自己的独特之处。许多机器学习算法无法适应新模式，而NuPIC的运作接近于人脑，当模式变化的时候，它会忘掉旧模式，记忆新模式。

开发语言：Python
GitHub项目地址：https://github.com/numenta/nupic

11. Theano

Theano是一个Python库，它允许使用者有效地定义、优化和评估涉及多维数组的数学表达式，同时支持GPUs和高效符号分化操作。Theano具有以下特点：
  • 与NumPy紧密相关--在Theano的编译功能中使用了Numpy.ndarray ；
  • 透明地使用GPU--执行数据密集型计算比CPU快了140多倍（针对Float32）；
  • 高效符号分化--Theano将函数的导数分为一个或多个不同的输入；
  • 速度和稳定性的优化--即使输入的x非常小也可以得到log(1+x)正确结果；
  • 动态生成 C代码--表达式计算更快；
  • 广泛的单元测试和自我验证--多种错误类型的检测和判定。
自2007年起，Theano一直致力于大型密集型科学计算研究，但它目前也很被广泛应用在课堂之上（ 如Montreal大学的深度学习/机器学习课程）。

开发语言：Python
GitHub项目地址：https://github.com/Theano/Theano

12. MXNet

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MXNet是一个兼具效率和灵活性的深度学习框架。它允许使用者将符号编程和命令式编程相结合，以追求效率和生产力的最大化。其核心是动态依赖调度程序，该程序可以动态自动进行并行化符号和命令的操作。其中部署的图形优化层使得符号操作更快和内存利用率更高。该库轻量且便携带，并且可扩展到多个GPU和多台主机上。
主要特点：
  • 其设计说明提供了有用的见解，可以被重新应用到其他DL项目中；
  • 任意计算图的灵活配置；
  • 整合了各种编程方法的优势最大限度地提高灵活性和效率；
  • 轻量、高效的内存以及支持便携式的智能设备；
  • 多GPU扩展和分布式的自动并行化设置；
  • 支持Python、R、C++和 Julia；
  • 对“云计算”友好，直接兼容S3、HDFS和Azure。
MXNet不仅仅是一个深度学习项目，它更是一个建立深度学习系统的蓝图、指导方针以及黑客们对深度学习系统独特见解的结合体。

开发语言：Jupyter Notebook
开源许可：Apache-2.0 license
GitHub项目地址：https://github.com/dmlc/mxnet

13. Vowpal Wabbit

Vowpal Wabbit是一个机器学习系统，该系统推动了如在线、散列、Allreduce、Learning2search、等方面机器学习前沿技术的发展。 其训练速度很快，在20亿条训练样本，每个训练样本大概100个非零特征的情况下：如果特征的总位数为一万时，训练时间为20分钟；特征总位数为1000万时，训练时间为2个小时。Vowpal Wabbit支持分类、 回归、矩阵分解和LDA。
当在Hadoop上运行Vowpal Wabbit时，有以下优化机制：
  • 懒惰初始化：在进行All Reduce之前，可将全部数据加载到内存中并进行缓存。即使某一节点出现了错误，也可以通过在另外一个节点上使用错误节点的数据（通过缓存来获取）来继续训练。
  • Speculative Execution：在大规模集群当中，一两个很慢的Mapper会影响整个Job的性能。Speculative Execution的思想是当大部分节点的任务完成时，Hadoop可以将剩余节点上的任务拷贝到其他节点完成。

开发语言：C++
GitHub项目地址：https://github.com/JohnLangford/vowpal_wabbit

14. Ruby Warrior

通过设计了一个游戏使得Ruby语言和人工智能学习更加有乐趣和互动起来。
使用者扮演了一个勇士通过爬上一座高塔，到达顶层获取珍贵的红宝石（Ruby）。在每一层，需要写一个Ruby脚本指导战士打败敌人、营救俘虏、到达楼梯。使用者对每一层都有一些认识，但是你永远都不知道每层具体会发生什么情况。你必须给战士足够的人工智能，以便让其自行寻找应对的方式。
勇士的动作相关API：
  • Warrior.walk： 用来控制勇士的移动，默认方向是往前；
  • warrior.feel：使用勇士来感知前方的情况，比如是空格，还是有怪物；
  • Warrior.attack：让勇士对怪物进行攻击；
  • Warrior.health：获取勇士当前的生命值；
  • Warrior.rest：让勇士休息一回合，恢复最大生命值的10%。

勇士的感知API:

  • Space.empty：感知前方是否是空格；
  • Space.stairs：感知前方是否是楼梯；
  • Space.enemy： 感知前方是否有怪物；
  • Space.captive：感知前方是否有俘虏；
  • Space.wall：感知前方是否是墙壁。

开发语言：Ruby
GitHub项目地址：https://github.com/ryanb/ruby-warrior
发帖者： 在

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