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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。
# X9 o7 g+ f9 Z$ e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。
% T, |2 J# P3 P# D; q读书笔记•人工智能
8 p+ R7 p1 N* T$ z本文优质度:★★★+口感:拿铁) K+ x2 }. b. \
阅读前,笔记君邀你思考:5 p6 J; ^. B" \' ]' B/ l
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。
, ?* ]' b* ~0 E7 S4 w( {  {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”。
/ H' N4 p4 d3 B- `8 {. ?以下,尽请欣赏~6 @( A; [7 a4 a! J+ Q, 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。
/ n1 V0 W$ Z" r) C* a2016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。
' C% L7 _# B6 h8 K2016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。* i% @7 h2 J+ 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。
2 J; \4 M- s# w$ B3 v
: J- F; i1 M2 b: c2019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。) h7 X; L% q" E2 T" _6 v  c& n
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。+ D1 {( c6 n* g! ]0 e& y0 E$ }
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。
& i" N0 F, C. \0 s一、神经网络与深度学习" u* w5 r% ?% M. N* f7 s" U7 |
为什么要了解深度学习?6 p/ E9 u. J" ?0 V$ |; N
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。: Y% o+ f+ j; s% o) ^4 G
* J6 b7 w$ L- \, p  d! b
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈- t# p, t; k- {$ C8 d& Q7 b, y
% V% B" g4 V! R# e) H
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。
( ]  H' F$ I& i/ d7 ]0 x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。
, g7 A4 E8 B4 U6 y6 d" l/ ]我将重点使用两份参考资料:
7 L3 Q" `2 k8 _1 }/ |" U0 ?1 W: Y$ n
) Q1 ]" k7 C1 g7 Z, D! m6 ]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)。0 i! _; \6 d1 C. J& r" }. r
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。
8 h: v% j! v5 d6 B3 X! |9 y2 Q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 B- y  X7 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。; Q, P7 e7 `& Q5 s9 r
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& H% v6 U" l1 f2 J
1.没有规则的学习: a) s! B" C, b$ O8 a9 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。- g% @$ b" l% |! }8 @
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。/ Z. B- D; D: ~: I0 {
首先来看人是怎么识别猫的。* C; X! C. m- w8 k$ ^. ~7 |5 ?
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
2 ^2 t4 I# L0 E- {3 d! U2 e' P7 y. E) M2 \; z. w) m1 n: {/ C) g5 x3 I
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?3 j( K# |0 T' l
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。
6 M; K. Y4 j1 p5 N' L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。6 q  d" L, \# e* ]; j
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
/ y) F3 t& |; K) V# v
! L: W( {& L  C3 I; j9 U4 k6 G1 w图片来自 design.tutsplus.com
% G9 ]' G- ?3 N
% }" r+ g# r; X0 ?- f  U5 c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?" Q. d# K, U  d1 W
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。0 b( \. _3 v: V. D, 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。
# }6 v( E# Z# L0 o; z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?
) ~1 G: E- m$ O$ [2.神经网络6 t9 ?0 k8 ^5 F; f, E
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。6 r0 m# D" b' P! m: H
《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。( X0 Z$ d5 Q: q6 Y  y4 B

7 z/ c1 `8 ~- I1989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。; R- S" V0 @, I* M9 p- ~) t
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 \; c" X+ ~: Z: `" G  V2 u
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 ~8 \2 I5 p# @
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。6 V( e8 h6 w8 q: b9 p( h
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。
) |4 h2 q% r5 @7 [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。* R+ R) L; d/ w  ^
6 j" a5 f8 p/ c0 y0 a
那计算机能不能效法大脑呢?( L" Z5 q. J9 @  G
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。9 ?. [* M1 o( `( K' C8 Z8 K7 ?
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
' M# x* E" g  n$ y& q3 M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。
& G3 ]' O$ E( o8 F4 d; n) y第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
1 }" L% {0 V2 ~! t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。0 H8 ?, c* _4 c; r
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。' {; b/ W* g. a' P9 J& ]
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。
% Z0 ?- {  H& b# \这就是神经网络计算要做的事情。- @( N7 E6 C9 s5 b. O) ~( F! W
3.什么是“深度学习”
1 c* Y: \0 R( v; q# @下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
8 M. b+ J+ b7 [1 ^; ^
! c, G1 b; d/ L. m图片来自 hackernoon.com; c: h# S1 N9 t
3 U) ~% Y) _! a, G
它从左到右分为三层。
( _- v9 S! {4 U7 W8 S9 z' {4 ^5 ^/ Z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。
4 `( |7 z2 ]' p: N# d. h5 f第二层叫“隐藏层”。
( P; \0 z, O/ `第三层是“输出层”。; M( Z3 C; f# M  }, L* x, 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。8 I1 M. Q9 _* C! p0 e
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
% g7 p% \8 o/ L  _' A3 g* _
  q# M( y* ]# x% U$ s3 Z图片来自 Analytics India Magazine
  i/ a' L- E# e0 _: M1 o0 J4 D5 j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。* M/ M5 W& y1 w6 c5 Y: V9 r! v( ]
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
& s0 Y( ?; F3 k; @- U) ^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 i8 R$ u0 g9 g  ^9 w7 m' g8 V
* S8 b- ~, C6 y" z- `! E% @9 L
图片来自 Towards Data Science 网站
" ]  }& {. l' ]+ ?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。5 C8 b- p4 `: O* h+ ^# 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。
7 r  _9 U: M0 `; F$ H
2 ~- F5 T: b( O- B6 }. y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。   v% C- \8 i5 R) C5 [% y! j

/ K+ _; A: s3 h% d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。
( v/ D# O; \* U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。6 a4 b! O- D# o6 U: ?7 f
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。, F* W6 U9 G' X" D0 d
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。8 y2 E- p4 j% V; \$ C5 s
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”。
2 A9 ~; }; v  v2 r4 x4 @$ s" o" \这就是神经元的基本原理。4 X! e" S4 H) O" l8 ?
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。 * g$ t+ H, d' B

  Y) }5 P4 B  `. x# ~; N" q* U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。: b" t2 {( `( T  B, H# M/ M5 t# S9 K
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
( L) d6 Y0 l5 g5 Y9 `8 N2 ^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。; w& n7 w/ k; K! q4 \
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。4 r/ x5 M1 @- B9 D$ D3 C! Z
二、计算机如何识别手写数字
6 x2 b( _/ r2 |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( U% z7 x6 \* p% v3 C
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。3 e2 R% J. z0 |( `( b! 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?
- X& m7 C8 g) ~' ~! F) q7 j$ b# i0 d( T. N3 k+ l3 `; W
1. 简化
- {0 O+ Q7 y2 Q6 l# Q. ?* J( c想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
1 a$ d2 k9 Z% V0 [  ]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。# o; y* S7 Q0 F, @

) r: ~9 {2 h, B; M* X) E7 a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?* U5 t# ?' C0 T) ]% {
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。
7 |) X. z' Q! B  Z  _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 ——
2 D7 p7 T* N% T( M/ x/ T$ F& @
+ U. W  g; H4 k7 N图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
$ s) r  E0 a, a0 n2 i这就完全是一个数学问题了。3 A  b0 o2 k" ^& a; V" s4 q5 _4 [
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。8 d4 n7 g3 O% N2 }, }6 l7 Y3 A4 S) ?
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。, ]2 L5 m; C; H8 B
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。' T6 c# V9 X- G7 z. `* R$ `6 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。( |9 V  K; C$ C
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
6 h5 x/ m# k1 M0 C2 Z; i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。& T1 w$ \; Y( z- g1 m
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。
$ S% s# A4 I' E6 A2. 设定
4 U# g0 z$ [3 G- L9 p4 x+ ?; T$ z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。& f1 {8 U, `6 Q$ W6 g! x! \  ^
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。; H3 y% ]* l" s! U9 y

$ U8 L# p2 v) S/ E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。: F$ i5 B& C& |/ P7 L% Q" w
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。& W/ z6 F9 A; l& j5 Q/ I
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
/ w0 k; i1 z) U. [5 ]4 |
1 J) e: l0 ~! r, e; M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。
# W. Y7 \2 n: b5 F! b! H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。
' ?0 j% A8 x9 q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。) w* S0 Y- w5 D9 M" A
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。
/ p5 S7 g" s7 S0 l7 ^; |3. 训练
+ u0 P" _  U' w7 O+ s) 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。
' L4 k( L9 o3 h$ A6 ]4 `* U; f
. Y4 x! X: A3 v: d3 K4 Q) b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。
2 k/ k5 P2 t) A8 a; H! l6 F; y0 D8 e8 N6 g2 p$ D) \5 B
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。
' G0 x! {' s: U' M
& Z# i. `7 V9 v- p% ~+ 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。
( V8 C' w6 @3 S2 }3 X: [$ C7 l9 _
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。
8 j) V( R: P+ m# R6 I& O, J参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
' v: B$ B' [* Z/ H* {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。
$ W4 ], v) o! d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。
: P5 C/ a; o! {  n7 W, ~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。* p, p! H) t( Q( {
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。$ ]: K/ k6 }# k4 P. P
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
* @4 L9 h( R8 X5 X) u% q0 c, p
" k5 c! _  T1 ^8 D; h& K; J在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
4 E. ~5 S) x8 q  q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。
4 x* f& `4 \* e5 v, s( e- p三、卷积网络如何实现图像识别1 y6 G$ B( [7 P1 g0 Q% Y
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。2 b" e7 v6 g; e
1.“笨办法”和人的办法
+ Q3 y& W7 R7 ~' G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。
- Q  [; r, m1 C( X! r" r4 `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。9 H9 c0 T+ a" p$ p
, H3 t) T$ z  \8 P) I: D
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。+ H' V5 R# m. j6 ~
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 |6 p9 D$ X3 L" O7 n8 e# C1 k1 r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。
+ W. |/ e5 Y/ m% \9 b3 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。& A0 a" [: p; Y) C5 T  Z/ d; q
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。0 K8 {# i. f0 a- M- {& A* L/ y
这么多训练素材上哪找呢?: f) a! M1 R3 V: D0 ?1 }4 ~
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。, {- p3 F# T3 @( T) N, r* z
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。3 t0 [: e3 m7 {1 Q. A& [
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。
& Q# g3 t3 [7 r7 Y/ M" q
; q2 x$ v) n) R! ]( t( P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”。: d1 D! _0 j4 \) h; J$ B
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。8 L0 c6 v4 L9 V! t- k; D/ r4 c
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”。1 f. N$ W( k( |1 o2 s! t. b
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。. R2 }5 R5 e7 i2 h
2.竞赛* I1 Z/ @- \) K2 n
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。
& a. s: |' J* G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。
2 t2 D+ L6 M( {% I. ^- C
  G% T5 s: I6 C4 w. R' B- T0 R: I* x( E) j
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。! W2 T. e. X! w- I2 r
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。6 h4 p: D) V$ \7 K& F* S; m% \8 c
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。
8 P/ a& v3 \: z3 _0 d
% \) X; q: T+ l8 r& n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。
4 i3 x; w7 G% G) E那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。2 ]7 z# Z' q, x
3.卷积网络
# q' N) {. S8 ]+ m2012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。
# }) v* W0 X- |7 m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。
$ d, ~4 G1 E' ~7 i$ o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” 。0 [( Z5 I; b* W
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”。2 q0 b0 d/ U( W6 ?8 R5 z$ x
“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。
( m5 R" d- e3 O, _- 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。2 j1 n: L, j" a
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。
% X2 W7 H/ b8 n2 h
1 p; }+ n7 [1 e+ c2 s图片来自cdn.edureka.co
3 k0 |, e+ y2 _0 A9 D4 i, r* @
: V. ]% `$ o/ @/ \0 f3 k第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。9 G  B' q' w1 G% _! M
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。
" M! x9 M: D+ P. ^9 K4 u$ L第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。' z, W, M3 i2 a$ A3 [( @
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。
" N4 g+ q4 D8 F3 r8 \; `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。
% R2 l% d1 J$ Q9 T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。
$ {* I% G% U. c2 N9 {. t8 \! d& t$ h! P+ D  ^
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。4 }/ q, m3 }. m

6 {- P0 x# W5 e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。5 b" ^7 W. ^1 _" O3 o* S
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。5 _' {+ U. {% s' E( Y
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。+ j; O' c8 I; q, K# H( W
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。
7 H, l1 z6 k; d0 q! v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。
, f; O( L5 e/ N) P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。
& ~& Z3 s8 d+ A# x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)。
, U: [% @/ Y& n3 A2 Z* B6 L+ F" k$ y& ]
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
- S! H; X8 l% c0 E$ b+ c# o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。
( R' ]7 ]: l( O: u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。
* v# O8 e# n# }5 F; V. z; [3 {8 ]) O" F7 b
图片来自 Machine Learning Blog& n- F$ R. d+ c+ q
* V* n( R0 i  G! T% t
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 `9 ]5 ?0 R! F: I) |  F: [! m- _8 T
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。
: l/ i6 b/ S/ K& |' W7 i5 [9 H5 g7 s) O
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。& v; U3 K. F  O! r  j9 N; q, U
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!% {( D+ ?. f; K2 C( U# h! a

: e) D1 U2 q4 ?7 k6 l3 I# V( }+ E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。
, P5 m2 R8 R% H9 j$ D
! j4 a1 o, l& r4.深度学习(不)能干什么
* l/ A1 i3 J0 L2 K  [' qAlexNet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 o2 x, K! z0 t7 w
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。
- u6 g, R" G$ H% f/ VGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
% p/ k& L2 e6 |( q% X5 ]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。& y, H1 X, i5 f1 g4 g! w
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。2 R8 O8 z0 T- Z3 G/ E" w
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
6 f7 p, h6 U% I  J& S% l& Q4 A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。
" I3 j7 j' h1 K( r6 Z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。, S8 z% O  L$ V+ }
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
1 m- `+ V" f+ Q) L6 F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。' p3 i( S+ @4 N7 b+ }
3 D/ I) u, K1 F- b/ r
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。
- N( _& w( d1 v3 p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。; W, X' B+ O5 I- C
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?
! Q; C* s0 K0 q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。& M' d& I2 ~% G! c/ Y7 l

# x2 B  |9 n: L! w7 n4 ~# P5 Q; y
. B  @6 C, T5 ?$ P
- T  @3 P8 U, W" h, D9 h嘿,你在看吗?1 s- C9 \: J3 }2 _! c9 n! d
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw1 P8 A+ [$ k" A: K5 Y
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