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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。# C4 e' B6 Z: ^" F7 G$ u
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。- `: v6 n$ y( T/ Z, k
读书笔记•人工智能* z, ]! p* o. I% U" j
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
: u* e9 P: D9 F' i) W: r阅读前,笔记君邀你思考:
% H8 i( l% P+ [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。
/ k6 X$ ]9 I7 r+ \1 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”。' [, d' d' |6 J# j. U/ U+ [
以下,尽请欣赏~
1 U! J! e; P$ |0 H: X3 \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。; l) L! `0 W7 T4 R0 g* b. T7 u
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。6 ]' n$ G6 U1 P
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。
7 m4 p6 j. V- x- w; y# b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。9 Q$ a7 j- _$ q: T7 ~* C* h8 `4 u# r6 N1 @
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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。& }6 R/ y. L6 G: V0 U
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。
( H8 T7 Y0 O" Q2 c1 y. |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。7 o0 B# m4 {% ?: `' O
一、神经网络与深度学习
, ^; T$ n+ K! H; d% `. C5 {" C' u为什么要了解深度学习?: B9 c, H2 c# t9 q& ~3 R" E' 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。$ o, @- E: |% A0 l
2 K# Z$ U6 U* I" Q6 \▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
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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。. k, q0 e. \4 T8 v
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。
6 f T3 n1 B3 L% B6 L( u我将重点使用两份参考资料:/ }& U2 S; ]/ b: D" k( Z
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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)。
1 d7 r- n- e" w6 q. ]5 i- |" h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。$ l9 F" D* b; U6 S& Z
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。& ?) q6 d2 _' r, Z- N' d
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。
0 ]5 `" M7 J8 { 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?7 N7 G! G4 I, D) ?" \; Q
1.没有规则的学习0 x! |8 W3 m) X) A7 R. o* K, L8 p
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。. {( H3 [- m: {/ z* O2 K; q
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。
9 f+ N/ L6 O8 x/ _3 I& b) h! O9 D首先来看人是怎么识别猫的。4 K5 W `: o, w w- k
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
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) Z# I0 e. F, M5 ~3 D+ k" t7 b" T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?
0 ?0 @4 J( f% m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。
, W1 A# Y# [; K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。4 a, }* @. H" H3 o. R3 L
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?- ?6 `: D* l9 ]
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图片来自 design.tutsplus.com
0 ?6 M8 l9 Z) [( o' h7 U& U: R, C1 P9 e' B$ l# N" W# K9 ~
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?
- V! ^) ^* l: e, x* [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。
], l( k3 I7 n5 s' p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。% b) a) }. O7 J1 n6 d+ J5 d3 {
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?
- O; [3 K/ ?( L2.神经网络& B/ N& B H' ^8 t2 u C1 X4 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。
+ z5 S) `# u9 D1 ^% [ U《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。2 o$ i: A# T* i% g, j
$ ]: f5 S9 E; U. j" e1989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。
" g9 i4 [! N- x$ |/ {1 {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。) n5 w( L4 @3 S
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?2 {7 W% m) W1 ~" r- V
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。
0 f, P% S$ k- \; z) Y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。) H. B& ~1 ]7 l
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。3 n& j7 f7 e/ g

" R; u, m- a; k9 C& w" _那计算机能不能效法大脑呢?
- o& O" C4 L! L谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
: D* W3 I0 w* I3 ~第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
% ?7 s6 H' L5 L/ w3 _7 i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。
+ s2 c' Q4 d q" x; p7 }: V9 i第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
- O( ~5 U5 G5 I/ f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。
+ p0 _7 M8 @* d, [# j' o 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。% P' \) V3 s2 F8 B& S
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。0 n8 M; s/ Z. `9 y4 N) ]* \
这就是神经网络计算要做的事情。2 ?) E; ?0 X' F, M& l4 s
3.什么是“深度学习”- q# A2 |- L' N+ `
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 9 ?" D$ a7 C) O0 v" e# g5 e

& n% x* ], O' o图片来自 hackernoon.com
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它从左到右分为三层。
% s |% L. a6 c3 \0 T1 L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。
, E2 _/ B- J" }+ }第二层叫“隐藏层”。
6 V/ B& e% q- j9 P' b2 B+ t. p第三层是“输出层”。
/ q* |. ~# t3 `- K8 U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。6 E. \0 a- V( s" m' D' M. `/ r& n
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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% x, o8 [) i" I+ J" [3 w7 C* o: C图片来自 Analytics India Magazine5 j ~ Q0 e q9 U2 J$ B
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。1 D. t, \7 }7 g3 Y
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。 U4 K/ Q. I" K- X) H
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。3 j4 U! S% b7 z6 r
" ]4 J7 e4 ?$ O! R5 q图片来自 Towards Data Science 网站
0 F) R- ^5 F+ k! `9 X- u: r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。* K) }( n" m' K- }: p8 r
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。# H4 S) ]" Z7 u
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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。 e# @' M0 R5 ]
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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 W8 ^8 i! P/ c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。8 c! N6 F5 j1 M5 ~* L
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。2 h/ c5 S0 B" m) i0 D% p2 A
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
- ?4 e; l E1 A4 n7 |( C; ]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”。 j2 v# ]7 _7 g0 R
这就是神经元的基本原理。) q( X- P* X3 q" S2 O6 ?0 ] M# E: X
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。 8 r( C5 r: W* ^: w! ~2 \
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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。( V. w9 X- m" N- Z
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。& r: s4 ~1 M: y0 H: K
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。9 i1 G( L2 R3 n: t: |) y, e5 g$ z
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。
$ g" h0 d* {, y) C二、计算机如何识别手写数字
' y+ }3 m h8 A, }% N1 ?+ \/ h! W* x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。
! R; C6 F$ f# q; C4 Y- y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。. ]1 h' U- H! _8 X! o, d
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?( |. O/ u' l5 G& T5 \6 ^

% q; ^8 E8 x6 B$ Q1. 简化
+ t: q) d6 Q' T+ r想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。# d3 J. I' S) r4 ]6 s
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。
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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?
& k% X5 @4 u. a3 ~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。
" V" e K" }7 J* j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 —— 8 `; \% L0 {; z; d' @
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28# X: }% T! \. P) V+ N
这就完全是一个数学问题了。3 v: E3 I1 h7 B' t
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。
) ~9 I- _# r t* u这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。6 o7 E1 ^- O: e6 s G1 x, \' D
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。$ T( Q# P. V; l* L; r
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。% L) b2 h6 }5 a% j4 c
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。2 F2 b7 B: r' F! z
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。% b# A8 c) I* X( T
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。9 Q9 v7 ]- N, [" {
2. 设定
: u$ {. V, b- V/ X( R2 W6 R. @4 j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 H$ ?9 @) y1 a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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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。
d. c& x* D* m9 w' }. b! E第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
9 i, W9 g+ e3 ]- \$ J" R( r2 Q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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2 k' D& E0 l2 T2 G8 ^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。/ e7 i" P3 q" }# `+ m8 y9 V
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。6 g$ Z* ?$ \* R. P
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。! }* [! r* L% O' s
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。3 ~ \4 |1 Q ?- \+ n2 E
3. 训练! U6 m0 Z- G: c5 T3 c& v
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。6 N/ y% _/ J) ~5 u
# g3 `. r1 c6 ^$ D1 z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。
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8 K9 t' a# E/ q' i+ j$ r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。
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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。
, G# ^# x! B: @" U2 v参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。+ I1 E/ ~% Q; {. 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。
% d6 Y, n* O: K( Q+ p! c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。" ^, o" z! g9 R1 L
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。
0 n" h. R9 v* r% ^& q# V+ ^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。% ?- l9 [1 E. G3 {) T0 ]9 r5 e
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! $ H) n2 B% f+ d+ }+ L, H
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
) a$ y2 r' M: g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。3 D K, E v! P8 @& Y L
三、卷积网络如何实现图像识别
, l) A- M C6 o0 Y5 }) l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。
) I- U7 l, i7 x- a4 X$ R7 O5 U1.“笨办法”和人的办法( W9 o% [0 y; T! w! 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。
0 f9 q( U' s1 ]6 S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。2 U( S- k0 `% B: J, u
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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。6 `! J3 p, G) x
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。- f2 T! n8 T" D5 E
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。0 u4 y# G7 D! E, A. ~2 B. W" {
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。
! A2 T% ^# i/ M7 g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。& o+ @6 J' L' I. [
这么多训练素材上哪找呢?
+ l, J8 |& u* t6 C3 P% e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。9 B5 v2 o& g$ v* h2 P
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
4 w8 ?1 l4 h( e3 K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。7 K8 j# Q: Z' q0 s4 i. H, `

% j3 w/ Q1 d; Z% X) ?: w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”。
9 l: @% F& _- Y1 M% Q! j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。( S4 I" n3 G6 S* f
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”。2 l; ] s/ _4 u1 h* a! r8 T+ v
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。$ x3 G/ o% P. T4 y& g8 |) l% T
2.竞赛- j( B7 d* V0 e% t
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。' f2 n( V4 t# s# 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。
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; y1 i5 a0 F" Z6 B' C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。) Z) h! e! }5 X8 \
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。
0 t i* s8 Q# e3 r& V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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+ @, S3 O% P' _5 J6 x0 M$ u% e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。
! O8 D% ?" p# V8 Z9 A那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
+ Y7 J6 T( }+ E3 R5 H2 W3.卷积网络" ?1 V+ q# n- @# K
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。' o. l0 n* h6 B% g
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。
8 O0 A7 @( p6 c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” 。
5 W3 z a' o; Z7 H) p. r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 | b w( B6 B* o: q: |! u1 ~; n“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。
. D: l, J# u( n# v% P3 o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。' a" q( U# s% X4 J* u- U
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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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。
7 T" h9 P/ j# H' H% _0 _. T* 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。; E8 T3 V8 L) L1 C4 m$ r
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。; @; T0 J l6 D1 Q! B% ]0 M) `3 ?* r
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。& i$ k6 _, d' b4 I4 c
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。- a! t9 t5 Z/ M3 {
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。2 i: [- Z, J( }/ [

/ ^3 P O: `3 u- ~2 a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。- g% j6 d; ?# ?3 r. B

y/ i- I+ ?4 a9 m9 G. i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。
/ P0 |6 h5 h8 ~* \" _! k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。9 b8 v) h+ ^, k7 U; w- N7 o) w
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。
- m* A# @, S/ r' {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。" } R# q+ o9 Q4 x+ M; M Q
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。
( V5 C2 }6 H7 Q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。" W1 E( j- c1 ?2 c& L# h& S
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)。6 J+ I2 l. u+ J- |

0 P4 d$ c) l' k1 t; }! s图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression8 `& [. e4 e6 k3 _2 M
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。4 Q( \; M2 B. L% {: {
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$ w( o) o2 ~- `4 A% N! g8 d
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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。' S5 W# Y8 O/ H6 D: n$ F
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。8 h0 j3 E( N! a
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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。
8 \9 D- h9 \) B6 o* B# O' m/ F* s) f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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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。2 D- q& p6 i$ w5 r! }$ k& q. K
! L, O7 D: h' \, f( Y& ^4.深度学习(不)能干什么
# ]0 |; i7 r# ~% l1 JAlexNet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。
$ I! x# l9 S! [& u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。. q8 {& F; p3 n, |7 R6 z% I
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。# X. J! u1 [1 M+ O) }' V
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。
z- ]7 F, C. B0 D2012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。$ t: E# M) T4 c8 Y2 C$ w
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
N% f5 A8 i& N H5 S. Q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。3 M* W6 d, D1 R: h7 [. Y. W
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。. M [; I, Y! k0 i% Y
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
( O+ x7 [* ^2 X9 c$ s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。8 h# C* U+ L2 [8 R6 q% a6 S
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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。
0 [0 V1 l) n4 B5 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。. S% n; M# ~7 O5 B/ h. s# o: _' G
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?
! M* k0 j9 N! _- c& N+ S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。$ ~+ n2 G1 d* V! P7 _* @
, C' ?& A( C3 K1 p9 U- m
$ V2 \$ w1 g0 N5 F* t, _# U, I/ ?" `
! E3 X8 o% N j* J$ L 嘿,你在看吗?
8 b8 O/ S& T9 [! h$ V" t' a来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
, ]4 x' \- y) ~4 K, ?- t! W7 e. X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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