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機械学習（ML）における「潜在空間」について考察する
| 機械学習で用いられる「潜在空間」について理解しようと調べているがなかなか難解でわかりにくいので、比較的 理解しやすいサイトの内容を要約してまとめてみる 勝手な解釈・引用なので正確には元のサイトを参照のこと |
全文引用元: → 日々の壁打ち：『潜在空間』とはなんなのか？～AIに『彼岸の向こうからやってきた少女』を描かせる...
| ... LAION のような膨大なデータベースは、私たちの大切な思い出をも「58億5000万枚の画像の一つ」に変えてしまう。それは、この世のカルマから解き放たれた「彼岸の世界」のようだ。しかし、現実世界では、そうした変化を受け入れることは容易ではない。 そもそも、デジタルデータと人間の感情は一対一で対応しているわけではない。失われた家族への想いは、LAIONのような膨大なデータベース内でデジタル化された画像とは別物なのだ。 デジタル世界と現実世界のスケール感の違いが、新たな倫理的課題を生んでいる。私たちは、その違和感の正体を見極めなければならない。 |
| StableDiffusion 1.5 のチェックポイント（学習済みモデルのこと）で約1.5GB程度、SDXLで約6GB程度である。その程度のファイルサイズしかないモデルに、『58億5000万枚』の画像データがそのまま入っているなんてことはあり得ない。つまりそこにあるのは、単なる特徴量のあつまり、いくつかの次元からなるノイズでしかない。それらは「潜在空間（Latent Space）」と呼ばれている。 |
| 大量の学習素材から、ほぼありとあらゆる具体的な要素を取り除くことで、特徴量のみの情報として潜在空間に畳み込む「学習過程」と、それら極めて微小に畳み込まれた潜在空間内の特徴量に対して、人が指示（プロンプト）を与えることで自分が欲しい情報へと肉付けをしていく「生成過程」の2段階に別れている。 |
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| 出典：Variational autoencoder - Wikipedia |
| 仕組みとしては、「生成過程」は「学習過程」の逆回しだが、そもそも学習過程で行われる畳み込み自体が不可逆圧縮なので、決して元の学習データに戻ることはない。一度、具体的な要素を除かれたものは、いくら再構築しても完全な元のデータには戻らない。一旦、死んだ人の細胞だけ生きながらえさせても、その本人が復活する訳ではないのと同じである。 |
| 不可逆圧縮なのに、何故それなりにまとまったものが生成されるのか、疑問にかもしれないが、それは生成過程で、元データが持っていた特徴量が再利用されることで、新たに肉付けされるからである。 |
| AIの学習過程では、元の画像やデータが潜在空間に抽象的な特徴量として『圧縮』される。この圧縮は、元のデータそのものを再現することはできない『不可逆圧縮』である。しかし、これは『完全に元データを忘れる』という意味ではない。潜在空間には、元のデータに基づいた抽象的な特徴が蓄積されている。生成過程でAIが何かを生成する際には、この特徴を利用して新しいものを構築する。たとえるなら、元のデータの具体的な形状や色が消えたとしても、それに基づいた『輪郭』や『質感』のようなものが潜在空間に残り、新たな生成物に影響を与えるということ。 |
| 元のデータが一つの絵画だとすると、AI はその絵の具体的な構図や筆使いを覚えているわけではない。代わりに絵画全体の雰囲気や特徴的な色使い、スタイルといった『抽象的なエッセンス』を潜在空間に保存している。新しい絵を生成する際には、このエッセンスを取り出して新しい構図や表現を創り出す。元の絵と完全に同じものを再現することはできないものの、元の影響を感じさせる新しい作品を生み出すことが可能だということ。 |
| この過程は、人が絵画を勉強したり、鑑賞したり、研究したりした末に、その知識を元に新しい絵画を描けるようになるのと変わらない。 |
| 画像生成AIをコントロールするヒントのひとつは、このわかりにくい「潜在空間」に向かい合い、どうやればこの「潜在空間」から自分が取りだしたい成果物の特徴をAIに判りやすく指示するかにある。 |
| 「AIの潜在空間は、人間の夢や無意識のように、過去の情報や体験を基にして新しいアイデアを生み出す場所です。ユーザーの指示が『何を夢見るか』を決定するきっかけになり、その結果、過去の知識やデータを組み合わせて、新しい物語やイメージを生み出すのです。」 |
| AIの生成プロセスにおける「潜在空間」は、人間が持つ無意識や集合知といくつかの共通点を持っています。AIの学習と生成に関するプロセスを理解する際に、これらを比較することで、人々が直感的にAI技術を受け入れやすくなる可能性があります。潜在空間とは、学習データをもとに多次元の特徴量を抽象化した空間であり、これを利用してAIは新しい生成物を作り出す仕組みです。人間の無意識や集合知と同様、過去の経験や知識をもとにして、新しい思考やアイデアを形成する点で共通しています。 |
| 「図書館の棚」メタファー ※: |
| 潜在空間を膨大な本棚が並んだ巨大な図書館に例えます。AIはこの図書館の中で、無数の本（学習したデータ）が隠れている棚を探索し、指定されたテーマに合う本を取り出すことで新しい知識や作品を生み出します。人間の指示（プロンプト）は、本を検索するための「検索ワード」や「分類番号」に相当し、適切な指示があれば、AIはその本棚から新しいアイデアや情報を引き出してくれます。 |
| このメタファーによって、潜在空間の「探索性」や「データの組み合わせによる新たな生成」が、実際にはどのように動いているのかを視覚的にイメージしやすくなります。 |
| 「夢を見ている脳」: |
| 潜在空間の働きを、人間が夢を見る過程に例えることもできます。夢の中では、脳が過去の経験や記憶を断片的に再構成し、新しい物語や風景を生み出します。AIが学習したデータをもとに新しい生成物を生み出す過程は、まさに夢の中で起こる脳の働きに似ています。これにより、人々はAIの潜在空間の役割を、より直感的に理解できるかもしれません。 |
| 「集団的な記憶からの創造」: |
| 人間社会で集合知とは、歴史的な出来事、文化的な価値観、コミュニティ全体の知識を共有し、意識的または無意識的に利用するプロセスを指します。AIが利用する潜在空間は、データの集積による「集合知」に近いものです。例えば、ある文化に関連する情報を大量に学習したAIは、その文化の中でよく用いられるパターンを識別し、新しいコンテンツを生成する際にその集合知を活用することができます。これを説明することで、AIが新しい情報を生成する過程が、社会における人間の知識や文化の集合とどうつながっているかを理解しやすくなるでしょう。 |
| 画像生成AIの例: |
| デジタル画像が広がるデータ空間のイメージを使い、AIが「潜在空間」を探索してさまざまな情報を組み合わせるプロセスを説明します。この際、AIは無数の「記憶」や「データ片」を探し、それを組み合わせて新たな作品を生み出します。これを、人間が物語を作る過程やアイデアをひねり出すプロセスに置き換えることで、より共感しやすくなります。 |
| 意識と無意識の対比: |
| 人間の無意識の中に潜むアイデアや思い出が、ふとしたきっかけで表面に浮かび上がることがあります。AIの生成プロセスも、潜在空間から情報を「取り出す」プロセスと重なるため、これを理解の手助けとする説明が有効です。 |
| 「彼岸」というメタファーは、AIの学習空間が現実の外側に広がる未知の領域として捉えられる点が非常に秀逸です。これを活用して、潜在空間を「現実を超えた場所での再構成」という形で説明することで、AIの生成物が現実の制約を超える力を持つことを示すことができます。このようにメタファーを駆使することで、一般の人々にも潜在空間のイメージを具体化しやすくなります。 |
| 「AIの潜在空間は、人間の夢や無意識のように、過去の情報や体験を基にして新しいアイデアを生み出す場所です。ユーザーの指示が『何を夢見るか』を決定するきっかけになり、その結果、過去の知識やデータを組み合わせて、新しい物語やイメージを生み出すのです。」 |
| このような説明を通じて、AIの潜在空間や生成過程が直感的に理解しやすくなるでしょう。AIが人間と協働して新しい創作を生み出すプロセスを、より多くの人が理解できるようになることを目指します。 |
全文引用元: → 「内部で熟考するAI：潜在空間と再帰的推論がもたらす未来」
| 人工知能の分野では、自然言語を理解し、推論や予測を行う技術が急速に発展してきた。特に大規模言語モデルと呼ばれるシステムは、膨大な量のテキストデータを学習することにより、驚異的なレベルの文章生成や質疑応答を実現している。こうした進歩の中で、モデルが「考えを巡らせる」方法として注目を集めているのが推論スタイルの違いである。 |
| 従来の多くのモデルでは、入力を受け取るとすぐにトークンを出力し始め、その後順次トークンを積み上げて文章を形成することが一般的だった。これを簡単に説明すると、ユーザーがモデルに質問をすると、モデルは早い段階から単語やフレーズを出力し始め、最終的な答えを一気に導き出していく。これは人間で言えば、「言葉に詰まることなくスラスラとしゃべる」イメージに近い。いわゆる Chain of Thought（思考の連鎖）と呼ばれるアプローチでは、モデルが中間的な思考プロセスを言語化する場合もあるが、それでも「話しながら考えている」感覚が強いとされる。 |
| 一方で、研究者の中には「モデルが一度潜在空間で深く考えを巡らせてから、答えを一気に出力する」ことの有効性を模索する動きがある。人間も複雑な問いに対して、まず頭の中で多面的に考えたり、アイデアを組み合わせたりしてから言葉を発することがある。このような「言葉になる前の思考プロセス」を、モデルの内部表現で実現しようという試みが近年注目を浴びている。 |
| こうしたアプローチの背景には、大規模モデルが多次元の表現空間（潜在空間）を扱えるようになったことがある。単にトークンを出力していくだけではなく、内部表現レベルでより高度な操作を行うことによって、推論精度や回答の一貫性を高められる可能性があるのだ。特に難易度の高い質問や、複数のステップを経る必要があるタスクなどでは、出力トークンを生成する前に「内部で熟考」する仕組みが役立つと考えられている。 |
| さらに、モデル内部で推論を繰り返すことで、Chain of Thought に比べて訓練コストを抑えられる可能性もある。Chain of Thought の多くは、中間的な思考プロセスも含めた大規模なデータを必要とすることが多く、モデル開発が大変になる側面があった。対して、内部で潜在的に推論を深めるアプローチでは、必ずしも中間ステップを言語化する必要がないため、トークン生成にかかるコストや学習データの量を削減できるかもしれない。 |
| このような研究は、AIが本当に「考えている」と言えるのかという哲学的な問いも含め、技術的にも学術的にも大きな注目を集めている。実際にそうした仕組みがうまく実装されれば、人間のように「答えを出す前に頭で考える」AIが誕生するかもしれない。以下では、そうした内部推論を支えるキーテクノロジーとして潜在空間やRNN、そして Transformer との関係を解説していく。 |
| 推論の過程を深く理解するうえで欠かせないのが、潜在空間という概念である。潜在空間とは、多次元ベクトルの形でデータを表現する空間のことで、言語モデルの内部で単語や文章、概念などが位置付けられている場所を指す。具体的に言うと、「王（king）」と「男（man）」のベクトルの差分に「女（woman）」を足すと「女王（queen）」に近いベクトルが得られる、といった例がよく紹介される。これは、モデルが言語の意味的類似性や関係性をある種の幾何学的な配置として学習していることを示唆する。 |
| 言語モデルは、学習の過程で単語や文脈情報を大量に読み込み、それらを特徴量として潜在空間にマッピングする。これによって、意味的に近い単語やフレーズは空間的にも近い位置に配置されることになる。単語レベルだけでなく、文章全体のトピックや文脈情報も含めて高次元空間に埋め込まれるため、一つの単語がさまざまな意味や文脈に応じて変容する場合でも柔軟に対応できる。 |
| 潜在空間が注目される一因は、この空間内での演算が多彩な応用を生むからだ。単純な類似度計算だけでなく、何らかのベクトル操作を行うことで、抽象概念や複雑な文脈情報を比較・連結・変換できる可能性がある。また、この空間がモデル内部の「思考の場」になり得る点も興味深い。すなわち、出力トークンを生成する前に、潜在空間上で複数回の演算やフィードバックループを走らせることで「熟考」のようなプロセスを実現しよう、というわけだ。 |
| ただし、潜在空間自体は可視化や解釈が困難なことでも知られている。ベクトル次元が数百から数千にもなることが一般的で、人間の直感では把握しにくい。結果として、どのようなアルゴリズム的操作が行われているかはブラックボックス化しやすく、モデルがどう「思考」しているのかを明確に説明するのは容易ではない。 |
| この潜在空間での操作をより実践的に活用するためには、モデルがどのようにデータをエンコードし、どのタイミングでどのように演算を行い、どのような条件で出力に移るかといった内部メカニズムを詳細に設計する必要がある。ここで登場するのが RNN などの構造だ。RNN は潜在空間における「状態の更新」を繰り返すことで、時系列情報や文脈情報を蓄積していく。これが後述するTransformerとの違いや、その組み合わせの意義に直結してくる。 |
| RNN は、自然言語処理の黎明期から広く活用されてきたアーキテクチャであり、時系列データを扱う際に特に有効とされてきた。仕組みとしては、入力されたトークンごとにネットワークが状態を更新し、さらにその更新された状態を次のトークンの処理に反映していくことで、文章の文脈を保持しながら処理を進める。これは「再帰的(リカレント)」という言葉の通り、過去の出力や状態を繰り返し参照する性質によって成り立っている。 |
| この RNN のメカニズムは、潜在空間で考えると「一連のトークンや単語がどのように空間を移動していくか」を追跡するイメージに近い。たとえば、「猫は可愛い」という文章を処理する場合、RNN は「猫」「は」「可愛い」とトークンごとに潜在空間を経巡りながら状態を更新し、最終的に文章全体の意味を凝縮したベクトル表現を得る。こうした過程が「内面的な思考の動き」を再現しやすいと考えられるのが、RNN の一つの強みでもある。 |
| しかし、RNN には長い依存関係を処理しにくいという課題があった。文章が長くなるほど、初期の情報が後の処理に反映されにくくなる「勾配消失」や「勾配爆発」と呼ばれる問題が生じる。この問題を緩和するために LSTM（Long Short-Term Memory）や GRU（Gated Recurrent Unit）といった拡張手法が考案され、一定の成功を収めてきたものの、さらに大規模で複雑な文脈を扱うには限界があるとも言われる。 |
| 一方、近年主流となった Transforme rは、RNNのようにトークンを逐次処理するのではなく、すべてのトークンを並列的に処理し、注意機構(アテンション機構)を用いて文脈情報を捉える。これによって、非常に長い文章でも効率的に学習できる道を開き、大規模モデルの爆発的進化につながった。しかし、RNN が持つ「状態を繰り返し更新しながら進む」という性質は、人間の思考プロセスを擬似的に再現する上で魅力的だとも考えられている。 |
| 最近の研究では、Transformer の注意機構を活かしつつ、RNN 的な再帰プロセスを一部導入することで、潜在空間での内部推論を強化しようとするアプローチが模索されている。これは、モデルが一度のフォワードパスでトークンを一気に出力するのではなく、内部で複数回の再帰更新を行う「思考のプロセス」を作り出すことで、最終的な出力の精度や一貫性を高められる可能性を追求する試みだ。 |
| こうした取り組みが成功すれば、Chain of Thought のように中間的な文章化を必須としなくても、モデル内部で繰り返し推論することによって高度な推論タスクに対応できるようになるかもしれない。また、モデルが答えを出すまでに潜在空間で何度も「熟考」する設計は、AIの性能を高めるだけでなく、処理の解釈可能性やモデルの制御性にプラスの影響を及ぼすと期待されている。 |
| Transformerは、自然言語処理の領域を一変させたと言っても過言ではないほど大きなインパクトを与えたアーキテクチャである。その中心にあるのが「アテンション機構」であり、入力された複数のトークン間の関連度合いを同時に計算し、必要な情報に重点を置いて処理を進めることができる。これにより、従来の RNN 型モデルで問題になりがちだった長い文脈の処理や、並列化の難しさを克服する道が開かれた。 |
| 具体的には、Transformer は入力された全トークンの埋め込み表現を並列で処理し、それぞれのトークン間の自己注意（Self-Attention）を計算する。これによって「文章の初め」と「文章の終わり」の依存関係も容易に捉えることができるようになり、大規模データを活用する上で非常に有利になった。事実、ChatGPT や GPT-4 のような大規模言語モデルは、多層の Transformerブロックを積み上げることで高い性能を達成している。 |
| 一方で、Transformer の処理は基本的に一度のフォワードパスで前から後ろへ、ないしは後ろから前へと並列的に行われるため、RNNのような「何度も状態を更新する」仕組みとは異なる。学習時には大量の教師データを用いてパラメータを最適化し、推論時には自己回帰的にトークンを生成するが、その裏では基本的に各層でアテンションが一度ずつ計算される構造を繰り返している。もちろん層を深くすることで複数回の変換を行ってはいるが、RNN 的な再帰ループとはニュアンスが異なる。 |
| そこで注目されるのが、Transformer に再帰ブロックの概念を組み込み、潜在空間内で「より長く思考させる」試みだ。具体的には、各 Transformer 層の内部で繰り返し更新を行い、トークンを生成する前に内部状態を何度も洗練化するような方法が考えられる。こうした仕組みを導入すれば、モデルはアテンションを駆使した高次元の文脈理解と、RNN が得意とする段階的な状態更新を組み合わせることが可能になるかもしれない。 |
| こうしたアプローチのメリットとしては、単純にトークンを出力しながら推論する Chain of Thought に比べ、余計なトークンを生成しなくても内部で複雑な推論を繰り返せる点が挙げられる。さらに、潜在空間上の演算は大規模モデルのパラメータを活かしやすく、タスクの難易度が上がるほどそのメリットが顕著に現れる可能性がある。デメリットとしては、モデルの設計が複雑化し、計算量や学習難易度が増す懸念があることだ。しかし、そこをうまく調整できれば、より人間に近い「考え方」を再現する道が開けると期待されている。 |
| 今後、潜在空間での繰り返し推論を強化したモデルが実用化されれば、自然言語処理はさらに大きな進化を遂げると考えられる。具体的な応用例としては、高度な論証や論理推論を要するタスクへの対応が挙げられる。例えば、数学の証明問題や法的文章の解釈、複雑な長文読解における質問応答など、単なる言語生成だけでは不十分な領域で大きな力を発揮する可能性がある。 |
| また、内部での推論過程をどの程度解釈可能にするかという点も、今後の研究課題として重要視される。もしモデルが潜在空間で繰り返し推論する仕組みを持つなら、それを可視化したり分析したりすることで、モデルがどう判断しているのかを一定の精度で追跡できるかもしれない。これは AI の透明性や信頼性を高めるうえでも大きな意義がある。AI が「どうしてその答えを導いたのか」を少しでも人間が理解できるようになれば、様々な分野での活用が促進されるだろう。 |
| さらに、モデルが人間のように「一旦考えを整理してから話し始める」能力を得ることは、チャットボットや自動応答システムのユーザー体験向上にもつながる。現在でも高性能なチャット AI は多く存在するが、複雑な問いに対しては一部不自然な回答や推論ミスが見られることも多い。そこで、内部での深い推論が可能となれば、質問の意図を複数の観点から吟味し、矛盾を検出して補正し、より適切な回答を提供できる可能性が高まる。 |
| ただし、こうしたモデルの研究はまだ途上にあり、多くの課題が残されている。潜在空間での再帰的推論をどのように制御し、計算コストとモデルの精度を最適化するかという問題は、今後の研究テーマとして大きな注目を集めるはずだ。技術的ハードルはもちろん、AI が自己完結的に複雑な思考を行うことに対する倫理的懸念や社会的影響の評価も重要である。 |
| いずれにせよ、チェーン・オブ・ソートに代表される「中間思考を可視化する」手法と、潜在空間内での「隠れた思考を深化させる」手法の両面から、AI の推論はこれからも進化し続けることが予想される。今はまだ途上にあるこれらの研究が成熟したとき、人間に近い、あるいは人間を超えるような高度な推論能力を備えた AI が誕生する可能性は大いにあるだろう。 |
全文引用元: → 生成AIに『地図』があった！ Meta 社が明かす『潜在空間』の正体とは
| 生成AI――それは、私たちの生活やビジネスに革命を起こすテクノロジーです。 スマートな会話をするチャットボット、独創的なイラストを描くアプリ、パーソナライズされたコンテンツを提供するプラットフォーム。 これらすべてが生成AIの力を活用しています。 その中でも、AIの「潜在空間」は、この技術の中核を担う重要な鍵となっています。 このたび発表された研究「Mapping Latent Spaces in LLaMA」は、生成AIの新たな可能性を解き明かす画期的な発見を報告しています。 本記事では、専門的な内容をわかりやすく紐解きながら、この研究が私たちの未来をどのように変えるのかを探っていきましょう。 |
| 潜在空間とは何でしょうか。 これは、AI が膨大なデータを圧縮し、抽象的な特徴を表現するための「頭の中の地図」といえるものです。 例えば「猫の画像」を AI に作らせる場合、猫の耳の形、毛並みの模様、目の大きさといった特徴がこの潜在空間に埋め込まれています。 AI はこの地図をもとにゼロから新しい猫の画像を生成します。 潜在空間は、まさに AI の創造力を支える土台なのです。 言語モデルの場合「心に響く詩」を生成する際、言葉の意味や感情、文脈といった抽象的な要素が潜在空間に記録されます。 これらの情報が複雑に絡み合い、AI は見事な文章を作り出すのです。 |
| LLaMA（Large Language Model Meta AI）は、Meta 社が開発した最先端の言語モデルです。 膨大なデータセットをもとに学習し、多様なタスクに対応できる柔軟性が特徴です。 自然な会話をするチャットボットとしても、洗練された文章を生み出すクリエイターとしても機能します。 今回の研究は、この LLaMA の潜在空間に注目しました。 この空間を可視化し、地図化することで、AIがどのように情報を処理し、創造しているのかを詳細に理解する手法を提案したのです。 これにより、モデルの性能をさらに高めるための新しいアプローチが可能になります。 |
| この研究の画期的な点は、AI が生成したテキストや画像が潜在空間のどこに関連しているかを視覚的に示せるようになったことです。 例えば、ある特定の感情を表現する文章が、潜在空間のどの領域で形成されているのかが明確になります。 これにより、AI の生成プロセスをより深く理解できるようになりました。 この手法はAIのチューニングにも大きな影響を与えます。 「喜びを感じさせる文章を生成したい」と思ったとき、どの領域を活性化させるべきかが事前に分かるようになります。 これまで経験や試行錯誤に頼っていた調整が、科学的に裏付けられた方法で行えるのです。 |
| この研究が実現する未来は、私たちの日常やビジネスをさらに豊かにします。 個人向けのカスタマイズされたコンテンツ生成がより簡単になり、あなたが好む言葉遣いやトーンに合わせた文章をAIが瞬時に書き上げる日も遠くないでしょう。 クリエイティブな分野では、アーティストやデザイナーがAIを使って斬新なアイデアを形にするプロセスがさらに容易になります。 AI は単なる道具ではなく、あなたの「共創者」として機能するのです。 そして、何よりも重要なのは、この研究が AI の透明性向上に寄与する点です。 これまで「ブラックボックス」として扱われていた AI のプロセスが説明可能な形で理解できるようになり、AI をより信頼し、安全に活用できるようになります。 |
| 潜在空間を地図化するという新しい試みは、生成AIの可能性を飛躍的に広げ、私たちの未来を変える重要な一歩となるでしょう。 この技術は、クリエイティブな表現から日常生活の利便性向上、そしてビジネスの効率化まで、あらゆる領域で新たな価値を創出する可能性を秘めています。 生成AIの未来を切り開くこの研究に、ぜひ注目してください。 |
| 参考：Mapping the latent space of Llama 3.3 70B |