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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 22:24:13 | 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。* S: k4 ^* o2 F/ J
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。( q! v" G1 y3 G" r' s- Y9 f
读书笔记•人工智能
, F  Z& [: C7 s" m' ~本文优质度:★★★+口感:拿铁
$ t# `% b; q- D, b) ?8 ]$ W阅读前,笔记君邀你思考:, w/ x! d3 ?6 W& b( ^, {) B* Q" s% Q
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。
! w% k8 N/ p; q" e; I0 g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”。6 e' P% b2 q7 ]* G$ u
以下,尽请欣赏~+ j9 a* Q. n* m+ B, e2 W; |: X
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。
3 M0 ~& Z4 T9 O5 Q+ l8 n0 B- L  j2016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。* w" l; m& v; _
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。, [6 h' C0 {9 L
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' v; a. Q. t) Z& l; [1 U! Q/ [1 I& {
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。
3 m! |) V7 ^; Y6 {1 J# 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。
( q- k' n8 y+ n' z/ X) X, Q* ^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。
& c1 T) H; |5 t$ y: x一、神经网络与深度学习0 b; }. {4 V$ Q+ {' x& n$ b
为什么要了解深度学习?& o* P- g# e- A4 ^
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。" R. @" @2 x" Z8 I) d0 s3 I

( P1 n) e4 x( I: u4 ^1 r' L▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
4 ~  w% c- P- W
; N  V$ h3 f! @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 t2 Y- ^$ Z6 b7 Q% Z" r  K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 g  g& a' X% C/ E8 u" a. v) V; q, g
我将重点使用两份参考资料:
; H% B# s. Y. D* Q$ o9 @1 N& g/ q- ?& `6 n3 L& l% T& a, M
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)。) t3 E" V( J% F6 U) P
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。
! [/ F* e9 x# E$ {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。
" g1 e! n7 u8 }/ j) `# u, c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。; p! P& X' u: l/ Y
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?9 }, n( M5 z3 r+ E3 `; r; X4 `% p6 A
1.没有规则的学习1 k  G2 u$ D4 Y$ m0 q! m
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。
- k6 I, V7 e! d1 K' r; H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。( f% y8 z0 p$ s: A
首先来看人是怎么识别猫的。
( X3 ~9 A' U4 s; _& H! H观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
' X- ?# ^; B( G9 p4 L# y9 I
% j2 s% x9 a" Y& V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?" \, T9 o1 I# l" S3 G
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。/ V9 ]8 h2 L  u* t) \$ O/ v% }# u
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。
/ w; x: M  ~  k2 b: s* R; F再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
" G. J( u: `6 V* O2 F# L
7 ^; }. |+ z+ t图片来自 design.tutsplus.com) Y+ }5 @! ?& y- d* w
. J: E3 }3 T1 L) K1 s$ d
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?; N# ~& S$ `: @" `) u0 _- B0 Y
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。
# F- |9 }+ y9 ^# ^6 i* L8 Z: I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。
! c2 G: c( o7 D) A$ U) U% o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?# T, J0 v! K' j! W( T* h
2.神经网络7 I: h* w  [, l# ]
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。/ C% i% Z: G# Q" l+ ?- G
《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。
7 p* D& H2 O& X5 f  O; Y. H8 z2 \  q4 G4 o/ }/ J$ M6 ~
1989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。& _& ~+ R5 ^& W/ X5 B6 z+ P
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。, Y( w; @8 {4 ?2 G- l. r3 u3 G( X
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?
9 b+ z) o& d0 r; i, f2 g1 j: n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。
( W2 y$ o2 J) [! R* o: f& F2 C: p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。: \- I" M8 B& H9 K# _
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。4 \, B8 [7 ~# R" w# f# F

1 g9 R3 x* H9 e, W# n那计算机能不能效法大脑呢?4 e3 {/ r6 |: n9 A* a; _
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
/ T( ?0 V' L! H% T4 H0 |第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
% ?& @# g7 N7 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。7 z' U& X: B9 K
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
+ g/ k0 w) ^6 v' d& b7 ~9 L# u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。8 {; g0 D0 L8 A# e& u3 |
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。
  ?7 _8 n" x- B/ `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。
' n3 F) ]1 [9 r! V这就是神经网络计算要做的事情。
  d2 @! r  n0 Q% v3.什么是“深度学习”! c9 [9 a! A3 T  i6 C% Y
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
) B, |: C- G; U" F6 ^1 b8 ]; N) ^, D; T
图片来自 hackernoon.com1 F, x% ?: g% k

$ L9 S9 M  u& B! q- R它从左到右分为三层。
  o& t7 u0 C  O9 g: _' k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。* [8 L7 z* @$ g# _0 ]) O
第二层叫“隐藏层”。
4 L! ]& m/ A" {4 Q1 v第三层是“输出层”。" D% S9 A) D' j# T3 g
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。
9 G% }, y% q. I* ~2 K从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
8 P5 ]0 M( O; c# Y! Y
$ C2 B  E, o- Z图片来自 Analytics India Magazine
" C& w4 P3 t# ?  Z# O  [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。: Q& M( ^7 ]1 t# x  r, C# ?/ o- b
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
" A2 D- ^+ J* X6 w- C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。
0 A7 y, w1 a( H; c; K7 Y/ \; C% w' z/ M
图片来自 Towards Data Science 网站
' C1 G8 g" C6 X& ^) ^4 A, O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。( J: p( W: ^! Z: {
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。
; R* t# X4 K  C3 i0 _) W/ p
' C* l4 ^. y8 C- I  @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。
  h5 C7 U/ U$ x' N
7 {0 }- h3 f8 \9 q  p' X, U% q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。
0 x: {+ Y: @8 m# Z) D: L  |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。
: V! ^, @+ q- f$ k$ V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。
  x# [2 w% |" k所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
% _% c% w3 F" t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”。) h5 z0 n& B% `/ E: N$ C% d
这就是神经元的基本原理。7 L0 E4 q5 D' D, B0 ^
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。
' L. m& n' p, E% n- ]6 j7 u
; e3 E1 Y+ ]' x- i8 g* ^" K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。
9 a6 r+ v) V. Q2 x# P神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。4 h* D: J# R/ g" R9 t
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。/ j" v3 f# i# k: j( m5 l( s
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。3 l: f0 `/ {+ |3 P% y" }
二、计算机如何识别手写数字: }( V' p9 E  F+ O% n
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。* _2 t; K0 v! ]; P1 l  L$ {
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。) S4 y3 S0 R1 Z  K8 A  z1 l
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?4 Q& Y3 W+ g+ g

0 A6 j9 `( U4 A; D$ t8 ?1. 简化
+ w* Y1 G0 |- {1 ]3 k想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。& d; M$ \* j5 O! `
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。
' w  ?, k  y$ P" M) y7 `! ^( a  S5 `/ h
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?
. X5 s- S! [$ [; q9 [* G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。
1 l) x0 l, \& F) T: k/ S1 _5 D: `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 —— # C6 S3 [) j, i' s: }6 ]

- ^+ \* L1 b$ i图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28: s: d( T4 o7 y7 ]
这就完全是一个数学问题了。
6 v% W& }& q' o4 g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。$ v  N2 o  r! b+ [9 X
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。* t+ e, D; w2 ]3 ~; ^# _
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。+ X2 m( T6 x* t+ r; j0 z
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。1 b' J' A( D& S  r# B
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。; o  d1 }$ {$ J/ D
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。& T" S5 ^  |8 V7 r
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。
# h0 _6 g: a$ x1 X2. 设定
. K* W+ b/ [! B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。
+ p9 B6 ]! D# z  @7 _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。8 D, a! n2 N  F0 I

$ D) n" S0 u* d+ A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。- M2 t+ V; D9 }" s6 e1 ?
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。7 I9 ]' i: L" }
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
2 ~* i! p3 U) E7 n/ }; w
  B7 P( m, f5 T4 ?  u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。
# T2 O% ~7 ?1 |, @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。- l) U0 _# ?; {
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 n* J( q( g' C
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。
8 ~* B" B3 M8 h0 v5 Q3. 训练
4 f( @- b9 i6 m7 B, D& h' }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。
0 q! E2 |, [% ^4 Q  w+ K
3 b, \, ~3 e8 N4 j! 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。+ b/ L/ Z/ Q5 [+ a  _. [/ `# m8 Z0 O
, n" |2 O' C% B, T
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, F1 ^& X2 _, Y1 B" U
. A6 d: t; I0 r* D; n- z5 D
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。3 a- {9 y/ j! U5 N* x) E$ {% h

7 V$ c2 Y8 m" M2 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。
% F0 ?  \- S6 e2 z参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
7 \8 t3 ]3 ], d  u1 r) v, M) a2 f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。
* C7 t& i+ f7 ~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。
  F2 A! ~# ^" q" i! }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。
, D" M/ e' R$ l8 L6 L$ S% d' G6 c+ ?, W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。
2 y$ Q0 N- c- z: P事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
7 e* p& Y* N4 W: o0 ?% d  K- Q+ n) V$ g5 q
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
$ ?2 ?- G9 A3 S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。
* m) A& o7 Y; v4 U$ q三、卷积网络如何实现图像识别" e% {. A6 h3 C0 y1 Q: G
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。
8 Q# p: r) H  C, a0 \7 o1.“笨办法”和人的办法
: R' \  ?9 p6 \1 \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。8 |; e$ Y2 K+ 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。5 F! U( [( v6 U' G# k
7 R2 w# {2 H+ H; K" ~/ h
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。
; G0 y. g7 Y" q. N3 b3 r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。
5 F  n" n& k% m. J( z  Z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。1 p3 V  S4 q/ ~' ^/ [5 J
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。, Z! z, Q& x, L0 k
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。+ d  o% Y+ v2 W- e$ @. }4 J
这么多训练素材上哪找呢?
9 Q. w8 e( j  {% Z7 Y/ V. \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。$ K! h# S. P) g$ Y% \0 g
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。8 i0 H* z6 S. N9 m! y. P  ~* j
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。8 t; H" k$ O! }4 c3 k

' G4 t  r3 \( K; @- t2 Y( o9 h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”。, J7 l( @# v' r$ M# Q
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。6 V- C; k- R( l0 \
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”。
! z4 E, o6 W* S" Z. H# {6 U; u我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。5 @+ c+ t7 C: t/ _
2.竞赛, y0 c& l6 l# D8 Y8 m
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。
5 U; u& X6 p0 m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。
( d) _- i2 `3 U8 H% W; r4 f3 k8 E" `2 E! O# L& W

1 E" z; \9 w. u! W  K; V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。
% J8 C  B6 V. {8 x$ o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 {, @0 f6 C: [& 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。
" R7 |8 m% i" j  p6 x( h
. J$ N( D  F% |$ M! |* a* w4 l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。5 N5 P8 F* ]0 e- x: H" x  S4 N" ]) }
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。6 o6 v7 Z! @1 C, U
3.卷积网络# P  M; \+ V+ g+ T9 v
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。
8 z, W+ T3 w) g5 f. c* z9 T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。
7 p  L7 R2 T  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” 。
2 T! G( Q$ ?  B0 D) k( ]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”。& H+ D+ j- X) w% J2 m& I
“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。
6 m9 _# |3 e% U4 o) S- Y+ l; ^; u* @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。
8 K/ U; J0 r  u9 t1 x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。
- `) p* C, j" Z% U
- c( A0 }$ f: K图片来自cdn.edureka.co' A7 b$ L/ x4 Y7 t% x! {

) V. T' o4 }$ ?+ w" |第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。2 \+ I& }- J- T+ F: s7 v( 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。
' M8 M8 n# B* e% L7 K* D+ S第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
' s( w8 [% f! [% F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。1 }. O7 ~2 P4 ~
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。
* g1 m; e: C9 `0 ?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。
: U' `9 h1 B4 N6 u( d6 [- J6 V& _. b! i7 o3 ?! C3 ?1 t9 y6 n
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。
& s" u  ~5 A  G) Q: i  s1 z+ g! ~7 X/ l3 M& L& \, O
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。
, u: A5 B8 N1 i: i, z. V* z0 c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。
. F1 ^  ~& T6 x1 n0 r$ C1 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。- K% ]7 b+ d" n. i; V
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。. e3 P7 h1 R4 L
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。
- ^5 G9 S6 C( g, n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。( n+ l+ ~+ w/ J9 |4 U+ v, O: 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)。
" t$ {6 b0 w) |! A7 s
9 m$ [' M9 c. S/ r3 r6 ?7 v/ p4 |图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression: z% O2 o+ R1 M2 _' U' _+ _6 @' \
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。
6 i% R: I4 D0 j, s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。. a# q: v! ?' ]) z) y, ^8 m

! K+ `9 ^9 [0 Y图片来自 Machine Learning Blog
8 V, L4 |2 j) t
4 @7 u3 f/ \/ K* D$ Q1 F8 M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。8 G( c1 d; P* x( ?
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。+ e: g3 L( a) V1 C4 F
: ~/ z3 D% ^0 b( D2 Q/ ~
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。
. E2 Z) r( O# x' M6 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!
2 ~: x* a7 C( r! F* `9 e5 g! q# A- V* R) y/ r. w# @
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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8 h& y" p1 ]8 T. B, l4 ?8 K5 }4.深度学习(不)能干什么
) e# @" d( t  l# Z- x, y; V. c3 ^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。
5 J! Y8 q+ R9 ]6 Z2 @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。
. m0 v( N: X( KGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。! K' W3 Z' U/ n3 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。
0 h2 \- A' I6 b' _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。
' ]% X, I8 |0 D$ x9 D1 y8 k( V9 N深度学习能做一些令人赞叹的事情。
3 a+ A! c* P& |4 b3 A3 i% K1 O9 P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。
1 o' C& {& y7 N* `7 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。
, [  L# X2 {0 E$ K( j% j! Q$ i但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。& ^* ]3 q+ V/ Q" r4 ?
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。
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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。
; S" m# H; m9 p6 q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。7 G9 d8 q5 p* V4 D! h
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?
' w8 B  D: `6 w( _3 F3 ^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。
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( P# u- a$ F' c3 J3 P" s4 ?; `

0 ~  ~# I: {) U0 D! z7 N嘿,你在看吗?
( k7 D( z) L, r% z" m6 n来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
$ R* P- @4 C# ^3 }/ L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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