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内容来源:本文为人民邮电出版社书籍《深度学习》读书笔记,笔记侠经出版社授权发布。% O4 F- `& f d$ z
作者简介: Ian Goodfellow,谷歌公司的研究科学家;Yoshua Bengio,蒙特利尔大学计算机科学与运筹学系的教授;Geoffrey Hinton,多伦多大学荣誉退休教授,Google杰出研究科学家。7 ]* x" S2 [7 B
读书笔记•人工智能
; l9 ^( D* S% I3 x6 N本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
+ E7 x$ |8 K5 b y- P& V阅读前,笔记君邀你思考:& |) x& i5 X# }9 n: v2 C
北京时间3月27日晚,ACM(计算机协会)宣布把2018年度图灵奖颁给了深度学习“三巨头”——Yoshua Bengio、Geoffrey Hinton 和 Yann LeCun,以表彰他们在深度学习神经网络上的工作。
( T! G3 L, R6 w3 ?5 \图灵奖被认为是计算机领域的“诺贝尔奖”,一起来看看图灵奖得主如何理解所谓的“深度学习”。! M+ y3 H7 b- ~
以下,尽请欣赏~( m$ C9 y4 ` K: Q
1956年的夏天,一场在美国达特茅斯大学召开的学术会议,多年以后被认定为全球人工智能研究的起点。
: @% M) n7 T8 S B" L6 \2016年的春天,一场AlphaGo与世界顶级围棋高手李世石的人机世纪对战,把全球推上了人工智能浪潮的新高。, d, f* t7 S" O% A; _& T' b/ T
2016年被称为“人工智能元年”,这一年爆发了全球性的人工智能潮流。( v' ~8 O z# Q+ E
以谷歌、Facebook、微软为首的全球三大AI巨头都在逐渐将公司的发展重心转移到人工智能方面来。/ U j% G. p5 i9 p# x( Z5 K1 U) I
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2019年1月25日,谷歌旗下的DeepMind开发的全新AI程序AlphaStar,在《星际争霸2》人机大战比赛中,以10:1的战绩,全面击溃了人类职业高手。1 w) z$ U: n, R% u3 x1 D, A
在围棋世界里,动作空间只有361种,而《星际争霸2》大约是10的26次方种。这场比赛可以说是人工智能在竞技游戏领域的一次里程碑式的胜利。3 L6 q& q% g; E' H6 V
无论是AlphaGo还是AlphaStar,它们的主要工作原理都是“深度学习”。“深度学习”是机器学习的一个领域,其形式是模拟人类大脑的神经网络进行计算和学习。% ^3 m; r3 T0 w3 M* F
一、神经网络与深度学习
4 W, j& t3 F) D8 }: h为什么要了解深度学习?
1 }& A$ ~" L2 K8 z首先,“深度学习”现在太热门了,图形识别、语音识别、汽车导航全都能用上,非常值钱。0 u1 ]2 }# c2 \: G7 `
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更重要的是,“深度学习”算法包含精妙的思想,能够代表这个时代的精神。# ]0 j* b4 T2 b& Y+ @! P A H
这个思想并不难,但是一旦领会了,你就能窥探一点脑神经科学和现代工程学。
5 ~% T+ W+ {* E7 ?我将重点使用两份参考资料:9 C9 U4 r5 m% h
" Y) C3 h/ J1 i& T8 }一个是Arstechnica网站近期发布的一篇文章《计算机图形识别能力如何好到令人震惊》,作者是蒂莫西·李(Timothy Lee)。
+ a, k; |9 z/ C K. q+ Z6 {: ]一个是一本新书《深度学习:智能时代的核心驱动力量》,作者是特伦斯·谢诺夫斯基(Terrence Sejnowski),中信出版社刚刚出了中文版。) [. I4 ]4 S: |" @$ |# V# X, L
不知道你注意到没有,你的手机相册,知道你每一张照片里都有什么东西。
# [8 i& m1 m8 E/ `! n- h. P! ?8 j9 I不管你用的是 iPhone还是安卓,相册都有一个搜索功能,你输入“beach”,它能列举所有包含海滩的照片;输入“car”,它能列举画面中有汽车的照片,而且它还能识别照片中的每一个人。% R. W: V/ ^$ C" l6 N
每拍摄一张照片,手机都自动识别其中的典型物体。这是一个细思极恐的技术。怎么才能教会计算机识别物体呢? n& b+ s8 \; A3 s, a3 C" o+ F: x
1.没有规则的学习
0 e6 ~0 K. H) d L不到十年之前,人们总认为模式识别方面人脑比计算机厉害,甚至谷歌投入巨大精力研究都做不到从照片里识别出一只猫。3 i. Q% Z6 M* g, N2 S ^& E
然而,从2012年开始,“深度学习”让计算机识别图形的能力突然变得无比强大,甚至已经超过了人类。# b* w0 M* G/ f* I3 c- r: z) ^
首先来看人是怎么识别猫的。) U: Z, ]; h2 a( }( i1 H) M
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、( F+ u3 l6 \3 x6 S2 `. A X
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你可能会说,这很简单,所有人都知道猫长什么样——好,那请问猫长什么样?
5 H- \$ ^& J+ B; P9 {/ c5 r你也许可以用科学语言描写“三角形”是什么样的——这是一种图形,它有三条直线的边,有三个顶点。: z5 X5 O4 W+ D) X- Q$ ]! e
可是你能用比较科学的语言描写猫吗?它有耳朵、有尾巴,但这么形容远远不够,最起码你得能把猫和狗区分开来才行。
8 M9 b& b; G4 r1 x9 D7 D再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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8 [3 v. G- \0 i0 N' g/ ?图片来自 design.tutsplus.com
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5 T; s0 a b6 F; ^% i你可能会说女性长得更秀气一些——那什么叫“秀气”?是说眉毛比较细吗?是轮廓比较小吗?
0 c1 g: e5 W! b3 Q# j- W+ c' R这是一个非常奇怪的感觉。你明明知道猫长什么样,你明明一眼就能区分男性和女性,可是说不清是怎么看出来的。
7 n( ^: k3 E5 B! x: }- Z4 o古老的计算机图形识别方法,就是非要规定一些明确的识别规则,让计算机根据规则判断,结果发现非常不可行。# c6 C V1 L( S# x. `+ [
人脑并不是通过什么规则做的判断。那到底是怎么判断的呢?
) K# Q- A6 l& y/ G2.神经网络
4 Q7 e; h# y+ Y+ ^0 t# g9 J( x神经网络计算并不是一项新技术,几十年前就有了,但是一开始并不被看好。 z2 C9 F/ D4 l8 H2 {
《深度学习》的作者谢诺夫斯基,上世纪80年代就在研究神经网络计算,那时候他是一个少数派。
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9 ^- v% g( u6 N z$ Z1 k1989年,谢诺夫斯基到麻省理工学院计算机实验室访问。气氛不算融洽,那里的人都质疑他的方法。
0 V, T. X( t( z& g5 T& X) V- z午餐之前,谢诺夫斯基有五分钟的时间,给所有人介绍一下他讲座的主题。谢诺夫斯基临场发挥,以食物上的一只苍蝇为题,说了几句话。
+ ^9 Z; L; b, ~& M1 W$ l: f) O谢诺夫斯基说,你看这只苍蝇的大脑只有10万个神经元,能耗那么低,但是它能看、能飞、能寻找食物,还能繁殖。MIT有台价值一亿美元的超级计算机,消耗极大的能量,有庞大的体积,可是它的功能为什么还不如一只苍蝇?
3 k0 l! j; A- Y1 \" c在场的教授都未能回答好这个问题,倒是一个研究生给出了正确答案。: F/ j4 q/ R! ~+ }7 o! [
他说:这是因为苍蝇的大脑是高度专业化的,进化使得苍蝇的大脑只具备这些特定的功能,而我们的计算机是通用的,你可以对它进行各种编程,它理论上可以干任何事情。- @' D; u9 ~) N
这个关键在于,大脑的识别能力,不是靠临时弄一些规则临时编程。大脑的每一个功能都是专门的神经网络长出来的。* N/ q4 u% X! u5 ?+ z1 x8 x4 T
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那计算机能不能效法大脑呢?9 Q+ d* t% `2 X3 f2 E" ^& v
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。* R- I* _0 g$ |
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
: f3 @$ b" q% p人脑非常善于在一个混乱的场景之中识别出你想要的那个东西。比如你能从满大街的人中,一眼就认出你熟悉的人。5 u) J; p. T* I$ t* w
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。+ F }0 ]% j* U. O2 O
第三个暗示:大脑不管是练习还是使用识别能力,都不是按照各种逻辑和规则进行的。2 f }4 e, `8 y9 T$ Z$ C
我们识别一个人脸,并不是跟一些抽象的规则进行比对。我们不是通过测量这个人两眼之间的距离来识别这个人。我们一眼看过去,就知道他是谁了。+ K* E3 x/ C. M) b' P
第四个暗示:大脑是由神经元组成的。我们大脑里有数百亿个神经元,大脑计算不是基于明确规则的计算,而是基于神经元的计算。1 W2 e* ~! o i0 I* n9 E2 }( z
这就是神经网络计算要做的事情。
; G) p0 _- g5 o2 A& B3.什么是“深度学习”6 v7 e- @/ Q" p/ N9 x/ y
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
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9 g0 v- K4 ~! b* \' h8 f图片来自 hackernoon.com
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! J: A, h; W% O) l6 [2 ?# i4 |它从左到右分为三层。+ Y; f; w7 M) s9 e1 w
第一层代表输入的数据,第二和第三层的每一个圆点代表一个神经元。( C1 b. a, K* P# g( {: u7 ?& j0 U6 m
第二层叫“隐藏层”。" b& ~3 H- A1 R& z$ @
第三层是“输出层”。, W7 r; z- U; Z5 y$ C+ L
数据输入进来,经过隐藏层各个神经元的一番处理,再把信号传递给输出层,输出层神经元再处理一番,最后作出判断。
3 A% r2 O1 ~4 H: ~从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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- X0 I/ w+ f2 g' f+ C图片来自 Analytics India Magazine. W9 W0 f4 P8 h/ l
那什么叫“深度学习”呢?最简单的理解,就是中间有不止一层隐藏层神经元的神经网络计算。
! t: @7 Y D$ `/ ?% J. N“深度”的字面意思就是层次比较“深”。! a+ d8 O; Y5 A: W/ [" C& n
接着看下面这张图,你可以看到,左边是简单神经网络,右边是深度学习神经网络。
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: D( n$ a; s+ ^0 n5 r. \, a图片来自 Towards Data Science 网站
0 p R$ r6 p A6 l+ z/ b9 p计算机最底层的单元是晶体管,而神经网络最底层的单元就是神经元。神经元是什么东西呢?我们看一个最简单的例子。7 L h& S8 o7 G6 W- |$ {. s. s t
下面这张图表现了一个根据交通信号灯判断要不要前进的神经元。它由三部分组成:输入、内部参数和输出。, d6 E) |' w/ S. U9 ]

. j2 n3 Z7 X8 r这个神经元的输入就是红灯、黄灯和绿灯这三个灯哪个亮了。我们用1表示亮,0表示不亮,那么按照顺序,“1,0,0” 这一组输入数字,就代表红灯亮,黄灯和绿灯不亮。 M; K' o R* G" x# {
( R; _& Z8 b$ N) G! N神经元的内部参数包括“权重(weight)”,它对每个输入值都给一个权重。4 E8 l/ m+ V$ I% `" `+ P' R
比如图中给红灯的权重是 -1,黄灯的权重是 0,给绿灯的权重是 1。另外,它还有一个参数叫“偏移(bias)”,图中偏移值是-0.5。: D3 D8 {" B* Z+ e
神经元做的计算,就是把输入的三个数字分别乘以各自的权重,相加,然后再加上偏移值。比如现在是红灯,那么输入的三个数值就是1、0、0,权重是 -1、0、1。" T4 w$ M$ O/ {
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。. M: F T$ K% F0 X8 q2 |( T8 M
输出是做判断,判断标准是如果计算结果大于 0 就输出“前进”命令,小于 0 就输出“停止”命令。现在计算结果小于0,所以神经元就输出“停止”。
; O- I0 L0 P; _这就是神经元的基本原理。! y- z( }: ~6 E' H3 z
真实应用中的神经元会在计算过程中加入非线性函数的处理,并且确保输出值都在 0 和 1 之间。 ( j# }7 r' s* T9 U% @) R. I8 W
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本质上,神经元做的事情就是按照自己的权重参数把输入值相加,再加入偏移值,形成一个输出值。如果输出值大于某个阈值,我们就说这个神经元被“激发”了。* w$ ]& g) |& G# W& F+ z8 _' w
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。8 x1 D2 W5 s+ e; j# E9 s! L
用数据训练神经网络的过程,就是调整更新各个神经元的内部参数的过程。神经网络的结构在训练中不变,是其中神经元的参数决定了神经网络的功能。
. C! s4 p7 F9 G0 Y' N. @接下来我们要用一个实战例子说明神经网络是怎样进行图形识别的。6 ]6 q! \+ C9 v" T
二、计算机如何识别手写数字# U7 W/ x Z/ w% a w% H5 @4 S
用神经网络识别手写的阿拉伯数字,是一个非常成熟的项目,网上有现成的数据库和很多教程。* p+ B0 M7 ^1 F
有个叫迈克尔·尼尔森(Michael Nielsen)的人只用了74行Python程序代码就做成了这件事。( e, C3 C _8 ~1 ~7 L! G
给你几个手写阿拉伯数字,可能是信封上的邮政编码也可能是支票上的钱数,你怎么教会计算机识别这些数字呢?
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1. 简化! q, T9 z q3 M- x
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。4 Q, r3 l+ s+ Q
写在纸上的字千变万化,我们首先把它简化成一个数学问题。我们用几个正方形把各个数字分开,就像下面这张图一样。, R3 x, ^% `8 z6 z ~" }
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现在问题变成给你一个包含一个手写数字的正方形区域,你能不能识别是什么数字?
/ L4 |; g/ S' e$ o再进一步,我们忽略字的颜色,降低正方形的分辨率,就考虑一个28×28=784个像素的图像。
/ o# f" |, j. f X Z9 `; ^: R我们规定每一个像素值都是0到1之间的一个小数,代表灰度的深浅,0表示纯白色,1表示纯黑。这样一来,手写的数字“1”就变成了下面这个样子 —— 0 ~1 Q# d* M/ ?
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
2 B- T$ T( v! F& C这就完全是一个数学问题了。# J7 j; u; P* \" T; m- K$ h/ }) Y0 q
现在无非就是给你784个0-1之间的数,你能不能对这组数做一番操作,判断它们对应的是哪个阿拉伯数字。输入784个数,输出一个数。( @2 P5 m" @& x8 D3 c7 a
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。* m. v4 Z( N* v* f, e: c { Y
比如任何人写数字“7”,左下角的区域应该是空白的,这就意味着784个像素点中对应正方形左下角区域那些点的数值应该是0。
$ R& M1 m& R, g9 @, \; |再比如说,写“0”的时候的中间是空的,那么对应正方形中间的那些像素点的数值应该是0。
! g4 a( A0 w( g" V6 a然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
. J6 K5 K4 \* ~首先你很难想到所有的规则,更重要的是很多规则都是模糊的——比如,7的左下角空白,那这个空白区域应该有多大呢?不同人的写法肯定不一样。
8 V5 H) G" l9 ^, U& N肯定有规律,可我们说不清都是什么规律,这种问题特别适合神经网络学习。# [6 c+ f5 p2 {9 W
2. 设定
8 d4 E% h9 D, t) m- W4 b1 |我们要用的方法叫做“误差反向传播网络”,它最早起源于1986年发表在《自然》杂志上的一篇论文,这篇论文的被引用次数已经超过了4万次,是深度学习的里程碑。) e- v- K7 y# F, |$ K( _
根据尼尔森的教程,我们建一个三层的神经网络,就是下面这张图。
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" [" b7 C4 t1 E) [* }2 h第一层是输入数据,图中只画了8个点,但其实上有784个数据点。
$ I: s9 a- k1 v( q4 C% N& u第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
0 r2 N+ _2 k: ~( M0 V# V第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
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每个神经元都由输入、权重和偏移值参数、输出三个部分组成。
( [7 V9 A, ?8 q {0 }+ c! F/ D0 A隐藏层15个神经元中的每一个都要接收全部784个像素的数据输入,总共有784×15=11760个权重和15个偏移值。, m2 v) [( p6 ]. C
第三层10个神经元的每一个都要跟第二层的所有15个神经元连接,总共有150个权重和10个偏移值。这样下来,整个神经网络一共有11935个可调参数。/ S) o, c+ t8 H; V
理想状态下,784个输入值在经过隐藏层和输出层这两层神经元的处理后,输出层的哪个神经元的输出结果最接近于1,神经网络就判断这是哪一个手写数字。
4 W2 o0 A9 d0 h' V: ?) J* W3. 训练
: y- Z' n# y) X3 F5 i# m网上有个公开的现成数据库叫“MNIST”,其中包括6万个手写的数字图像,都标记了它们代表的是哪些数字。
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我们要做的是用这些图像训练神经网络,去调整好那11935个参数。我们可以用其中3万个图像训练,用剩下3万个图像检验训练效果。7 I0 D+ B6 X4 {- x5 C! _7 k9 |3 k- d
7 X- ?/ L. D2 e" t% s! n0 ?这个训练调整参数的方法,就是“误差反向传播”。比如我们输入一个数字“7”的图像。$ B0 J1 e. p" v" _

; b" ]9 \# w) u) v$ x' x9 G神经网络实际收到的是784个像素值。经过两层神经元的传播计算,理想情况下,输出层的7号神经元的输出值应该最接近于1,其他的都很接近于0。8 s f4 K% k$ k% u' w
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一开始结果并不是这么准确,我们要用一套特定的规则去调整各个神经元的参数。
1 S$ [3 e* r) E# ^参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
8 m% ~- o9 G. n6 H7 s比如对输出层的7号神经元来说,调整方向就是要让它的输出值变大;对其他9个神经元,调整方向则是让输出值变小。8 u/ s* r' x9 C; A4 L9 g; V
这个调整策略是看哪个输入信息对结果的影响大,对它的权重的调整就要大一点。
* x/ O( x1 x9 y: ]% ^2 A- {. J几万个训练图像可能会被反复使用多次,神经网络参数不断修改,最终将会达到稳定。5 z. m4 q& s2 T2 b ~% H& F1 r9 h
慢慢地,新图像喂进来,这11935个参数的变化越来越小,最终几乎不动了。那就是说,这个识别手写数字的神经网络,已经练成了。
, t! m7 O0 a" b0 J0 [* U* u$ w事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
* |- y8 l" D' e, Z7 |* k你只要把一张张的图片喂给神经网络,告诉它图上有什么,它终将自己发现各个东西的像素规律……但是在实践上,这个方法非常不可行。
, K$ u% `1 s' j! \) Y. k9 Q三、卷积网络如何实现图像识别( M, w, Z, P% S4 b+ p' z
计算机不怕“笨办法”,但是哪怕你能让它稍微变聪明一点,你的收获都是巨大的。* H8 \, X8 ^. d5 @- }
1.“笨办法”和人的办法
6 |* p" |. G( w* [" v( W下面这张图中有一只猫、一只狗、绿色的草地和蓝天白云。它的分辨率是350×263,总共92050个像素点。9 y3 t7 ~( [% v. o, x5 i
考虑到这是一张彩色照片,每个像素点必须用三个数来代表颜色,这张图要用27万个数来描写。7 m! `6 P+ [6 u) l! _

; B6 a) U w# ^! r) D3 i; b2 q要想用误差反向传播神经网络识别这样的图,它第二层每一个神经元都要有27万个权重参数。/ p% y4 _: M( G& S8 o' L2 e6 @# ]0 z
要想识别包括猫、狗、草地、蓝天白云这种水平的常见物体,它的输出层必须有上千个神经元才行。
: A2 ~. I- N5 ?% a这样训练一次的计算量将是巨大的 —— 但这还不是最大的难点。
' n# |* m9 H( c9 U% Q% M; F8 {# g最大的难点是神经网络中的参数越多,它需要的训练素材就越多。
s5 L; {8 ?1 n4 `: N并不是任何照片都能用作训练素材,你必须事先靠人工标记照片上都有什么东西作为标准答案,才能给神经网络提供有效反馈。
* [) U$ q4 k' z! J; x这么多训练素材上哪找呢?
1 Q9 x/ z3 T4 C3 I, ^我听罗胖跨年演讲学到一个词叫“回到母体”,意思大约是从新技术后退一步,返回基本常识,也许能发现新的创新点。( ?' H8 F+ z0 J' h3 m
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。. _6 [/ y8 V3 @+ R& M4 q; n: `5 h
人脑并不是每次都把一张图中所有的像素都放在一起考虑。我们有一个“看什么”,和一个“往哪看”的思路。
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1 ?' f1 i; [* L# U让你找猫,你会先大概想象一下猫是什么样子,然后从一张大图上一块一块地找,你没必要同时考虑图片的左上角和右下角。这是“往哪看”。
8 r0 C t( \/ T, e+ M# K还有,当你想象猫的时候,虽然不能完全说清,但你毕竟还是按照一定的规律去找。比如猫身上有毛,它有两个眼睛和一条尾巴等等。
& B, C' Y. y5 w5 E8 e S你看的不是单个的像素点,你看的是一片一片的像素群的模式变化。这是“看什么”。
, l) Z4 u, w$ k9 ~2 N6 ?8 L我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
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斯坦福大学的华裔计算机科学家李飞飞,组织了一个叫做ImageNet的机器学习图形识别比赛,从2010年开始每年举行一次。! G" H2 o7 ]1 F2 s9 v& }; x
这个比赛每年都给参赛者提供一百万张图片作为训练素材!其中每一张图都由人工标记了图中的每个物体。
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图片素材中共有大约一千个物体分类。这就意味着,对每一种物体,人工智能都有大约一千次训练机会。3 k: W- M2 r& x9 Q- D
比赛规则是参赛者用这一百万张图片训练自己的程序,然后让程序识别一些新的图片。8 |% F% ]6 j! F& Y( G; r
每张新图片有一个事先设定的标准答案,而参赛者的程序可以猜五个答案,只要其中有一个判断跟标准答案相符合,就算识别结果准确。
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9 l2 P4 _) [* d8 W0 E8 F上图是历届比赛冠军的成绩。2010和2011年,最好成绩的判断错误率都在26%以上,但是2012年,错误率下降到了16%,从此之后更是直线下降。2017年的错误率是2.3%,这个水平已经超过人类。
& ~- x- ^9 l! O1 [2 u* ?) |那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。2 |2 c2 M& x; \9 C+ B) w
3.卷积网络
; w1 e2 h' f# c, }7 z* f) E4 i$ b2012年的冠军是多伦多大学的一个研究组,他们使用的方法就是卷积网络。0 [6 D% b8 |$ w0 K6 F6 H, c
正是因为这个方法太成功了,“深度学习”才流行起来,现在搞图形识别几乎全都是用这个方法。- `; X. b5 T1 A3 _" c3 ?) N' A
获奖团队描述卷积网络的论文的第一作者叫艾利克斯·克里泽夫斯基(Alex Krizhevsky),当时他只是一个研究生,这篇论文现在被人称为“AlexNet” 。, y; s9 M# |5 f, j
简单来说,AlexNet的方法是在最基本的像素到最终识别的物体之间加入了几个逻辑层,也就是“卷积层”。8 M; C7 X1 A0 N [) J5 w2 q0 r
“卷积”是一种数学操作,可以理解成“过滤”,或者叫“滤波”,意思是从细致的信号中识别尺度更大一点的结构。
- [4 K% m4 \% \每一个卷积层识别一种特定规模的图形模式,然后后面一层只要在前面一层的基础上进行识别,这就解决了“看什么”和“往哪看”的问题。; q$ P d+ y8 D; K, d7 e
比如说我们要搞人脸识别,卷积网络方法把问题分解为三个卷积层。
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& L! a% ?! A9 s- }: d& O图片来自cdn.edureka.co
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第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。: \1 O9 v& X' q( e* Z
第二层,是根据第一层识别出来的小尺度结构识别像眼睛、耳朵、嘴之类的局部器官。
) B' y! p& z" H# h9 n7 S第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
' _- s$ M/ h* R3 u1 R0 w5 u其中每一层的神经网络从前面一层获得输入,经过深度学习之后再输出到后面一层。
6 |+ v; P5 O1 E: V( T, n5 _( xAlexNet的论文提到,他的识别系统足足分了五个卷积层,每一层都由很多个“特征探测器”组成。9 b" ~* n X' o! [) \
第一层有96个特征探测器,各自负责探测整个图形中哪些地方有下面这96种特征中的一种。3 h h, q" M8 u" Y8 z% J

/ E# `/ ~7 w: W) o. V8 N* \ o比如说,第一层的第一个特征探测器,专门负责判断图中哪里有像下面这样,从左下到右上的线条结构。
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这个特征探测器本身也是一个神经网络,有自己的神经元——而这里的妙处在于,它的每一个神经元只负责原始图像中一个11×11小区块。
1 L( r' |) I/ | m考虑到三种颜色,输入值只有 11×11×3= 363个。而且因为这个探测器只负责探测一种结构,每个神经元的参数都是一样的!这就大大降低了运算量。+ P% p3 T: g5 q; r. I
第一层的其他探测器则负责判断像垂直条纹、斑点、颜色从亮到暗等各种小结构,一共是96种。9 J* B( V, F# a1 p- `& C5 u5 W9 N4 N. e
也就是说,卷积网络的第一层先把整个图像分解成11×11的区块,看看每个区块里都是什么结构。
! m& G; V8 S" r1 b为了避免结构被区块拆散,相邻的区块之间还要有相当大的重叠。经过第一层的过滤,我们看到的就不再是一个个的像素点,而是一张小结构的逻辑图。
) h/ \7 ?( J4 s9 h* L$ g v然后第二卷积层再从这些小结构上识别出更大、更复杂也更多的结构来。以此类推,一直到第五层。- {+ X; [! y" |8 o' a
下面这张图表现了从第一层到第三层识别的模块(灰色)和对应的实例(彩色)。# K& ?7 k- ~+ C

f6 y/ |2 c/ ?0 l6 f% b7 \: ]图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
6 M0 @ F8 A2 C我们看到,第二个卷积层已经能识别圆形之类的结构,第三层已经能识别车轮和小的人脸。: R8 G f& L+ O* H
五个卷积层之外,AlexNet还设置了三个全局层,用于识别更大的物体。整个分层的结构是下面这样。
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图片来自 Machine Learning Blog' S( D$ n) Z ?. ^
% k- V/ U, y# o% U这样分层方式有很多好处:第一,卷积层中的神经元只要处理一个小区域的数据,而且参数可以重复使用,大大减少了运算量。第二,因为可以一个区域一个区域地搜索,就可以发现小尺度的物体。
K4 j1 w% Z w- h意识到图形识别有多难,你就能体会到AlexNet的识别水平有多神奇。下面这张图中有个红色的螨虫,它出现在图像的边缘,但是被正确识别出来了。
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! ^# D# g0 C( a) g6 J( Y) U, @7 a3 fAlexNet还猜测它可能是蜘蛛、蟑螂、虱子或者海星,但是认为它是螨虫的可能性最高。这个判断水平已经超过了我,我都不知道那是个螨虫。' i( s$ n% r& H% F7 m
再比如下面这张图,标准答案是“蘑菇”,但AlexNet给的第一判断是更精确的“伞菌”,“蘑菇”是它的第二选项!% C- d* K; o4 ^, E
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而现在基于类似的卷积网络方法的深度学习程序,水平已经远远超过了AlexNet。
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, R9 `$ J+ w7 N4.深度学习(不)能干什么2 G4 P# A; F5 n8 n/ P5 n, j4 t
AlexNet那篇论文的几个作者成立了一家创业公司,这家公司在2013年被Google收购了。半年之后,Google相册就有了基于图片识别的搜索能力。; d8 A4 W5 A" m4 I
紧接着,Google就可以从自家拍摄的街景图像中识别每家每户的门牌号码了。( v6 v4 ]1 x7 D% Z6 Q* o
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
) l( r4 v3 J h9 I2 A; r8 W所以千万别低估工程师迭代新技术的能力。他们举一反三,一旦发现这个技术好,马上就能给用到极致。
" {: `6 d# ~: X2012年之前深度学习还是机器学习中的“非主流”,现在是绝对主流。
) g2 O2 k) t1 x9 c% k深度学习能做一些令人赞叹的事情。( w0 A( C) H H
比如说对于一个不太容易判断的物体,如果网络知道图中有草地,那么它就会自动判断这应该是一个经常放在户外的东西,而不太可能是一件家具。- P. q! O6 e u9 O
这完全是基于经验的判断,你不需要告诉它家具一般不放户外。看的图多了,它仿佛获得了一些智慧!一个生活经验少的人可做不到这一点。$ x' | q5 U2 {! N0 ?# h' k" \- L
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
5 `0 [/ X% T8 [4 y9 x8 R4 p3 B( `6 M比如说把一个物体放大一点、或者旋转一个角度、或者调整一下光线,卷积网络就不知道那是同一个东西,它必须重新判断。
) W/ u+ D7 t) R5 N f/ t5 Z" V2 g! |5 R- r' |# L( y9 A
深度学习完全是基于经验的判断,它没有任何逻辑推理能力。
4 v8 v3 s0 ]5 O) g在我看来,这种学习方法,就如同在数学考试前夜背诵习题集。你能猜对答案是因为你背诵过类似的题,但是你并不真的理解数学。 f5 C' N! y- x, T; J
这样的算法会有创造力吗?深度学习能发现图像中从来没有被人命名过的“怪异”物体吗?1 P* P$ H; }3 ?2 g
我们见识了光凭经验的操作能强大到什么程度,但是我们也能看出来,它距离真正的智能还非常遥远。4 N# T+ P% x0 v" X
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4 ~* R0 |+ X" Z, J* [7 E$ ~ 嘿,你在看吗?
5 q h. M, p5 L; _# U0 H来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
1 }3 O( a' ]1 N u! P0 v+ s免责声明:如果侵犯了您的权益,请联系站长,我们会及时删除侵权内容,谢谢合作! |
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