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图灵奖得主,带你详解深度学习

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发表于 2019-3-31 22:25:16 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 中国
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。2 k! I5 R* G# ]- I1 C6 @3 C3 {
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。- R8 n, D& W' @& K" B* R5 g
读书笔记•人工智能; J& q- F( ?6 f; O' U7 C. o
本文优质度:★★★+口感:拿铁( h( a' S+ p2 l
阅读前,笔记君邀你思考:
. }4 i8 {# w9 q- G9 S2 X& Y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。
( Q, ?1 y' G; E# Y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”。- }1 m9 a+ s3 N
以下,尽请欣赏~
, N5 k) q. ?4 v/ b1956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。
% D1 e; C$ k. W0 @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。
2 ^; @+ C! Q) u& p2016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。2 h2 b; w, w% c& K! K
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。
! _; F3 [1 B8 h, z  d" i& v, v5 }. K# V8 q- r( F
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。
0 m" y* Q6 H# @% ^8 I9 P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。1 e. L/ {4 G" ~" `
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。1 b; c1 [; G) A0 h0 w; F
一、神经网络与深度学习
: C! w; n. d: J' P1 M0 J为什么要了解深度学习?9 E3 w6 U- m8 Y* y
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。
* c* Q4 d8 f8 U3 E% A% u+ l3 L* j; x) D, G
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈! [4 g2 S: a5 P$ o

: v/ D3 N+ p' n. I8 w5 ~" h6 X3 ^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。7 _1 {2 m4 X& y( @! 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。
/ _" G" O6 h  e6 B3 b我将重点使用两份参考资料:7 N0 p6 X' z# g+ @8 \9 ~- Q; D- N

* {( m& p5 A% I. ^4 P7 {/ m9 j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)。4 _, f5 J( C! Q$ m) a
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。) Q; q& R# T# x5 f
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。, B, j' P8 F' L6 P
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。* }1 C0 p( c7 O1 ^: A7 l) G! s
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?
, Q% |1 f9 i! R3 C6 w" U: B: ?! q1.没有规则的学习" U1 N0 A8 t1 ~" @9 ~5 X9 R
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。
1 B% Z0 p5 M1 @! D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。- s: Q+ o& P) c9 r" n
首先来看人是怎么识别猫的。% h# W* G# f4 b
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
- x, {) O7 Y% r7 R4 v/ {) S* `# E4 V" E* ]3 U$ R$ ~1 Q3 h" ?
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?
& b2 Z1 U  p( i/ |9 O) H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。
7 N% n: V% Z7 z) f9 Q* u2 b4 D9 b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。
+ b6 d5 e2 K8 }7 y# {再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
6 e8 _2 C4 S5 T. O
2 E% h, Y$ A. Q: a1 S图片来自 design.tutsplus.com* `9 @! q  z% Z
+ ?: ?' ]' x5 r
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?
4 o/ p& O" j+ m7 g2 k2 S& Y# t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。
6 k' O0 f( e7 n/ F  j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。: x* e# {) x6 p" G. d
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?
$ G& `1 e! W) [* t* {- u& J2.神经网络
1 R4 j+ l# p  ]$ y( Z: B+ M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。
+ i% I! {' V: V' ^& x《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。
! Q9 o4 Y. Q; n* a
7 J+ M( a. z6 t; ?2 V2 W1989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。
/ I6 Z+ w6 u0 i. Z3 D! D2 u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。4 M- P" ~9 S5 n; R2 N1 Z: J
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?& b8 z; ?( l7 M2 ~, H) q# t
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。& `( y( `4 h3 q
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。8 c! y. s9 p$ T5 h! E
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。
0 V7 M" z0 m' {2 ]" U# q3 V+ [0 |( M/ M8 N
那计算机能不能效法大脑呢?
9 q! H, K% s4 Y/ |. q; D% P' c谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。7 ]3 A( w4 h& A8 F  \3 C
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
7 P, X0 O+ S; b8 k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。
! }8 U- E& T; V! m3 q第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
( g2 [' r3 f+ l5 ~7 z! z: |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。% M3 ~# F! K& v) s% O
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。  Y: M/ }4 D' V4 m/ G
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。, ?% L2 \, E8 A  p
这就是神经网络计算要做的事情。7 n& a) a# _0 r2 {
3.什么是“深度学习”
# ^. `, |" ~$ z! b) e$ z9 N下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
' Z0 r$ D7 |$ i! w( L3 w
1 \3 p4 Q& F) B8 W图片来自 hackernoon.com3 P) O3 o, F% h: q

% N$ o; ^  A: w: d* v它从左到右分为三层。" l' Y; ?* O0 D( P. T8 Y0 P. T
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。
3 l" ]' Z- P. s* q9 f4 r( w第二层叫“隐藏层”。
/ B: I9 x) o& Q3 K第三层是“输出层”。
; g$ S) |( |: R& q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。/ b/ L. j9 O/ s* o  m% y+ D
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。, Z+ y* b3 r0 M
, |, |+ b5 w/ p, v  |9 i6 w
图片来自 Analytics India Magazine0 \( L1 f1 u& U# n1 C" M9 T
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。' B; q: s; a6 u: h2 Y- f- Z$ K
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。& ]  R8 g/ C3 M/ y2 `
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。, H; d4 G( f8 ?$ |

# o: ~" N" J" P% {  Y9 K0 t图片来自 Towards Data Science 网站& X7 O  E1 W" e5 E: V- m' Y6 l: c
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。
. X* Q+ u8 F" F2 R! {% c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。0 K( T: i4 ~# @+ A1 G

& L/ H: U4 @6 [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。
& z! C& T6 c) g! a
4 s8 |: e2 I! P4 Y  K5 j* U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。/ F' c6 |( b1 Y2 w
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。
/ _4 `; t* S3 g8 r# x" K. `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。0 Y+ t7 I; O1 \* l6 z: _
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
3 {1 g+ ?( d; e* F% _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”。8 s. E" ?& W6 X4 c
这就是神经元的基本原理。$ R6 v, J7 [1 S- \% b
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。 9 k) [, z& Y. ]$ c2 z* l
/ t+ D" a9 p# M  c
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。* H5 |* Q& b3 ]& U5 n1 a
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。1 i3 v! k2 I% V; r7 F) D/ a" X! ?
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。
& \' e5 m' h# U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。7 U) r9 p, X! U9 C: z. B
二、计算机如何识别手写数字
1 ?8 P' u8 Z9 g# {9 u# C7 M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。5 [6 @" L, {, i4 s0 N/ z0 u0 W4 ^3 [) {; A
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。
( ?" q; @) F0 V" N1 }. W3 ~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?" ^) C" g) X" n4 X- }* u/ N3 l  s
) e" I, }  |6 L' O0 d+ J& l% Z
1. 简化  z- N* ?8 t8 d6 Y* x0 ^. e3 W
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
$ F6 ^8 w* [. `, y: o2 p; ?3 m' M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。
6 {$ n/ B: }5 T: f# h2 ^0 m, R' n; l+ _+ R0 \. ~6 K
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?
" l- F" w" |' t* K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。
' n8 E" A# B8 B+ h' A- L7 H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 ——
. O0 Y( L! s" d$ ?6 Z, ~( h
2 q* R3 q1 F8 B6 K8 c! F/ w图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
1 C4 [+ c: a* a2 p: g% w6 _. Y这就完全是一个数学问题了。' i. d) ^5 E; E* P  o' _- r
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。
3 e6 P) T5 {# D  d$ l* ]0 {" `这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
# e9 r: I0 o4 d" _; d/ m" @" f$ E+ 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。
: [8 X) v6 Z; h8 w' Z, m, s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。
0 ~: }+ \; ^8 E$ e/ Z+ I  I* z然而,这种人为找规律的思路非常不可行。3 Q' i% q9 T" B1 ?) |+ H
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。0 n, R  u) n% \( P: I
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。# J' p6 g$ Q! y' g: u2 _0 k  F
2. 设定
, g; @: g2 ?; K$ s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。
2 j( O* K( B$ c, M% Y4 s, R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。
7 n4 q$ e7 K2 S/ a0 ?: u" X' h1 U
2 M! m% |  }& f0 I5 z. n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。
' R) F# K$ j1 }' v第二层是隐藏层,由15个神经元组成。* Z! _" l8 b/ J# ]. p
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。6 e) e; J% B) e% `& [" K

3 a. i2 \6 A' c$ A, t, [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。
' C/ c8 r4 n) |& I9 x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。) B4 h9 P" i& j  P, D
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。
9 s4 P" {5 ^. z3 X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。
# [# L/ N3 O% I* `$ H3. 训练
9 {; \8 }* d' S6 G- C: G" }# Z* U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。
6 u# {% y7 Q$ ]' ^7 Y5 B+ n
. K# w% [/ i& c( a7 \4 \2 F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。0 _0 N0 Q( N- D7 Q7 R  `2 g$ p6 W% Y

; n" r" M  L; \7 p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。
( ?6 B/ g7 R2 d, m  V
7 b, E* q" e' O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。
& F1 w4 v- s5 G' F% }, t/ T' R; T8 O# w# S: @
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。" E. _2 N, p/ x6 ~# ]8 b
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
5 D' k7 Q$ V$ Z8 t* T% K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。
* H/ Q. P* j2 ?, l4 {$ z. a% E0 \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。" u9 c# q/ C$ m3 L* H- v" U' w0 l9 N
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。
1 v- X2 q7 u- v$ N( }4 e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。
, L4 i! y1 D* S事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
  ?: k4 g. Q* I9 k+ d, J& i; D8 i4 p0 `! ~2 I5 Q
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。4 P4 v  Y; a$ E; `# X
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。
6 I0 \1 t4 t& F6 z; o" X三、卷积网络如何实现图像识别4 E% S- {$ |) M& B5 `: T3 V
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。
) S5 t$ ?+ M# G1.“笨办法”和人的办法, O  @- A; S# O) d; U! E! z
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。
; N0 _+ ]% R- p' v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。
, x/ w* Y% I/ H) I2 H+ |9 q/ n. c' c6 p, j6 `
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。
; B0 R3 Z: C, X% V' x9 Z5 u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。" p2 Y; j. T* c4 @1 P$ H. F
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。4 _8 F  o) _5 o) K% K
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。- d6 ]( V; \: I6 G" e0 f
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。7 H2 ?! v4 [, p' W9 W
这么多训练素材上哪找呢?& W9 R2 ?% `& I/ m
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。# }5 A9 W( S, W0 a, n. H$ i, S
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
& {' _; x$ }' k* n4 f$ h8 ^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。/ ?6 l- O* g, B# y* T: @) e8 H

1 O8 I! {$ D6 g& ?" c' f0 i6 }. Q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”。
; u  \" a$ I8 W' v7 a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。! D# K1 f% Q3 i
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”。
- n# C4 p' o4 T; i我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
* J5 N: N5 e6 [) ]2.竞赛
7 K; \5 D! v  V; f' `; @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。+ n4 W7 V( x# T2 z# t1 A
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。
* Y: @! Y2 T6 l$ Z* I+ J6 f$ a; r! l2 i7 D" c
; Q' l8 m- u0 g; Y6 `! Y
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。
/ ~/ H4 a$ n7 \8 x" b( V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。; s2 F" W' I: F+ u5 }0 E  F
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。9 u7 y2 B. z3 U* _2 b/ E) Q

9 `; r9 ^( Q' s# t8 T- r) `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。3 h+ z, ?5 [- J8 \( P2 Y+ L2 u, U& j, T
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。) Y( V6 k4 }& ~- w( ]
3.卷积网络6 n, W% p6 I  R) @) @4 x
2012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。
* G& l: S& ^% N$ d: Z  ^+ ^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。
" j# @/ g; @5 @0 ?( s+ m5 {/ f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” 。
' e3 K$ s4 R, `4 j" j' P! y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”。
7 s8 r( b8 m0 B. T: A7 U“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。
: M) e% b9 {' d* K) J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。
6 Q% D! _( P& G) J  G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。
4 _; {0 o) L) Y' q- ?7 i8 A: V
图片来自cdn.edureka.co
' l8 g6 V4 b1 t% M
5 G7 I( s5 G. V; }. i' b1 z' y第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。3 B/ D- @2 W/ P/ S
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。
4 F) f: u+ g$ f( \: b第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
2 o3 k7 z+ b% H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。" l# j8 W6 L4 _9 m' m; x5 s0 X
AlexNet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。
% E* ?" O0 l- m# Q. p, 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。4 y% z/ G: F) \
7 m6 s; {9 }/ X6 B4 i- b
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。
1 r+ e2 H4 b* u: R  S- l; M( y/ _8 X
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。
% ?& t: ?3 Y" m5 ~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。
1 J2 }; R$ g% S, n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。
4 G! I' m4 M$ W/ j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。
0 u: j' Z. B$ {5 |$ P* j1 g! D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。
* K1 i6 C) F/ W2 T# t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。
$ c4 x7 K% O$ q) S$ q: ^6 D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)。# u7 H* s. X& C
% n5 f9 @: J5 p/ {7 h! @
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
  \7 q' o3 ]) z4 {& {' _3 L! [& Q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。
* {2 F$ k* e# t. o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
3 b3 E  e6 Z* j7 Q/ d; _$ u# ?; q) i8 O1 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。2 c, I$ L5 V2 R) o. l! d! |
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。
$ u. _' T6 W! `" C2 G* Z! a, x* P4 m2 U# O& L0 T
AlexNet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。* v5 |: l  O& I' |: p# O
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!
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# G5 x' n6 R  |" W: s0 V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。
+ o5 T- }2 l% ~$ C& l2 W
( r" T0 ~( ?5 G% j, _5 V7 ]4.深度学习(不)能干什么
# b8 l5 X7 O& t4 S: ]/ LAlexNet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。$ L0 ]* X/ H5 c! h4 O
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。
# A7 ?3 r5 `* y; JGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。4 R7 W) N8 a' Y6 i0 e  K- m
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。
- e: V5 m1 A- j" T, H9 ~  {0 \2012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。5 }3 J5 `6 Y7 h" z; R# s& S
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
& s/ C/ e! y5 v1 B/ |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。" T; W' V9 V% z. N" }: [% H- m* d
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。6 R! r' Z9 Z8 F" m
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。& l% x0 E  u$ b; u
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。* _  U0 G) _& r

) e7 S1 y/ \, {2 a4 f3 O6 q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。
' z$ h2 v) Y6 D) F! R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。; x6 N1 T" B  y
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?
9 h' V( i  y- \( A3 {7 W  L: I2 _  o我们见识了光凭经验的操作能强大到什么程度,但是我们也能看出来,它距离真正的智能还非常遥远。: Y8 @, D3 U! _6 q1 h: N+ h4 F
6 ^1 H$ X, G7 l! z1 \) o

% b+ [- }9 d# D. D0 _! c! ?3 |9 A- {! A$ g
嘿,你在看吗?
( o6 n# l  J7 t! o+ R* |来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
: O8 C% W5 S' h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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