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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。9 U5 j4 o' k1 w5 ^4 ?
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。# f6 a0 _: @6 W/ }) {$ @) M5 z0 t
读书笔记•人工智能% g/ r7 ]9 w5 @
本文优质度:★★★+口感:拿铁
) h  J2 o& D/ B) J$ [4 M阅读前,笔记君邀你思考:/ ^+ }2 @  a$ ?3 Y! m
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。5 U2 r' Z1 c$ S, p4 x0 M& _' e3 s* m
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”。' K3 B, ?0 I8 I. H9 D
以下,尽请欣赏~" n' l" t9 q) g% i( g
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。$ |/ d# u# t) W: ?, g
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。0 b2 l( [) [# ?" P) E7 E
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。
' Q7 x. y1 x# \1 |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。1 I! S: B  P6 N6 f5 N

5 N0 b/ L8 d2 H& E: [' n* B$ [) {# U2019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。2 f1 u+ g) F/ K- Q' y! e3 Q
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。
" s3 l; x3 {7 h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。
9 ^( v3 H; N% k一、神经网络与深度学习
0 h3 {5 b2 u3 C, F为什么要了解深度学习?
8 ~6 X/ z; r6 `8 W1 b; U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- o5 @9 E; O' n1 {
. |- O/ f. P0 w
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
- b6 k* @4 R3 g' Y" c. d
6 f) f" _0 B6 y. n1 [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。
2 n, s! Y4 K( Q( W( ?" u" E3 \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 k5 K% @2 X! F' h% ?1 i* S% f我将重点使用两份参考资料:
6 T) {# k1 w2 H+ i7 d# f/ e  e! V8 s( O* R
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)。
. j, E% K. D: W+ B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。
/ ?6 b/ L8 A/ p! r8 S- ~. s' b( i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。
* Y( {$ d: i; c5 j3 I: E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。
; u7 J4 T* V# _  x0 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?- |+ H# {* y/ |1 h2 H# O
1.没有规则的学习
+ N% A+ t& S' \/ w" S$ H% l5 I  ^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。% R7 P5 o6 N9 C) F( f1 P
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。) C& O$ Z  T* q, v7 X  p. r
首先来看人是怎么识别猫的。5 C* X6 b& p/ w) s' l0 _! b' v! x
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、: M  U6 p) G9 Y8 ]

  K) F' E- M/ D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?- Y2 n& }, f3 G+ ^8 l' W7 W" w
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。
# }% m  t. b: F; @: D' Z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。% e, H* f0 J. {) @
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?5 V( O! T) k, b/ m  v' p5 C
! t# M, k* S5 E5 B' q+ M3 r7 e# n/ Z
图片来自 design.tutsplus.com2 b& a3 F# p, s& y! l6 M- T+ V

( W+ j4 U: D$ D4 `8 b, _7 q2 \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?  k: C7 F$ f4 D! s
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。
2 h% u0 t. I$ |% \+ l% r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。
; @+ K8 O. e3 Y" P% g/ P) C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?
8 E% M, l! H" R2.神经网络
7 |9 a  ?4 e: n- [; ^' 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。+ A" G9 Z! D4 z0 A& B0 j
《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。- R& s4 r$ n/ z5 z2 X2 x
: W# f( k" V% o: Q2 C# ?
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。
" ~. _& v% a4 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。
- @2 h2 ]8 k" l, x2 E5 T3 }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?
& I1 e6 g6 M0 }" {1 G! w$ M$ g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。
4 i/ s* H. t! e) j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。
% O3 n; a3 t/ J$ g/ r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。  u3 H& X, m1 R* Q

, }5 M1 O: x4 V8 R9 }  h那计算机能不能效法大脑呢?
7 }0 J% R7 o$ T/ i3 u7 R谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。$ @8 W# f* b3 u9 \" ~
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。5 [8 g  V4 a1 V8 b3 J( [1 h
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 I' u: s$ j! t; [1 E: d& @
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
7 C/ T3 T" r- t4 `1 W# S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 v2 A( V4 X# ^7 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。
  V  n3 j0 w' 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。
( L# q% M4 l8 t# }" }$ Z; B& y这就是神经网络计算要做的事情。8 M2 C2 e1 [+ B# O* a  C, y# K
3.什么是“深度学习”
: S# J' N/ E9 t; Z6 p下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 ' v9 O% W3 p- N- I. w$ B
( ~( c$ q# }( s. g, Y/ K  a
图片来自 hackernoon.com8 p$ G. t' o/ f. p5 W( M: y- e! Z

! Z0 _9 J! n; V  ]它从左到右分为三层。( {' N+ j; 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。
& ?5 u9 T) B7 X  Z第二层叫“隐藏层”。
4 K% S8 W! z/ E( o第三层是“输出层”。4 _) g1 j9 ^5 t- R6 s* I0 U0 i2 {& R
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。
+ O8 E* G0 B/ B5 x+ v从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
6 U, B# F8 P! n5 L% Y0 x( P, e& c  V
$ U9 S7 z# u7 k( C: H/ v图片来自 Analytics India Magazine7 D5 [. b$ t3 D
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。: t1 D& \" G8 K
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
4 d3 A: m& Y6 X% P7 F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。9 F* }% N' R( \' C

0 Y( f8 l  @/ A- L图片来自 Towards Data Science 网站# l/ Y/ h7 X& n! t( i
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 N% G9 d3 j# m- T+ R/ m7 l' Y! V& ^3 e) 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。: e0 i1 M: Z( j$ i6 [8 E

6 ~2 s3 ?$ F$ j! u- O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。 4 N# [" z1 {5 F4 i" w' m  v6 l
3 ^. E. [. R1 V- ]9 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。  i! Z9 ]" V8 Q
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。5 y$ \7 A5 [) q4 s. {
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。( Z6 D- F: M/ {4 ]7 R
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。; U' }+ Z' ]: p6 V" y; \0 u* w
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”。
* J* ?' b5 W4 y4 n, M+ I, ~7 a. w这就是神经元的基本原理。/ [1 H/ g) y2 Z$ i0 l) ~
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。
" b6 t$ g4 i9 S% R
/ A* ?' |  N$ c& C: \' I) h* i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。3 T& a2 t# W( }: @
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
. X: ?0 r" L0 Q6 w* A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。2 l8 r4 a3 R- U) R9 U: i1 ?* ~
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。: W/ e7 v& D' [" [0 l
二、计算机如何识别手写数字2 B( l; z7 [$ M+ Q' o
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。
& [$ U- v6 y/ W6 _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。
- R+ X  t( R) n5 y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?
8 p4 X- A* W9 S2 B! f# y: p& _% _6 N) M9 Q8 {! u# ]
1. 简化, @0 N9 ~8 _( ~* r
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。& o( z  {6 Y4 F7 V: w8 }( H! [# `% K, 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。0 Z+ C. N# G1 ?8 N% |

9 ~! w0 B+ u8 l6 P& ^& B+ @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?
; G5 b2 ]' V! F) ]) ?+ q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。! N/ s7 c- ^: c5 F8 p
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 —— : w) E6 K0 W* O: p& ^, J; U
8 m: z0 `, F. y6 g" g
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28& l( q, X8 \4 X* S# r* p
这就完全是一个数学问题了。; j7 |9 E6 J- y4 \5 a* A. o
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。
0 O  n& e  i) X& _( B这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。: \1 R9 G/ ^$ C! X0 D, L0 F! j
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。
  _3 b; f) S1 E# e8 x$ N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。
3 @: U9 t; `! g2 v" i然而,这种人为找规律的思路非常不可行。% @8 c% N' H, k, P, o
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。
" }) g- k  o: G+ \, B" v1 Z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。
; f5 {$ a0 T' h3 ~4 g2. 设定
$ ?" W% {# S& X" P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。
' D5 T8 v" Q/ e% @' ]8 ^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。
, u! t0 C: \2 a, u# e7 ~- }/ b
1 @) Y8 M( t, {/ q6 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。3 O! O  k. ^' j3 I% |& [, z
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
7 g3 [. G) i* j" V第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。$ ~$ X4 ?! f- W& k# s1 r2 b

$ R( B5 [5 C; O$ t  `3 K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。! I( x! y4 Z8 N
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。
) t: l' F! y. g7 n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。
1 C- ~4 V5 `+ a- I1 j3 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。
- [) U$ S9 e( {3. 训练
& M* N: L6 d% w% Z; _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 y9 F, z) h5 c5 ]
# L+ @; s5 L$ O0 O; j/ z+ c# C) ?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。
( f7 R2 h8 k) w1 b! B6 c( C' b  D% X( M; L6 A/ m
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。$ _1 z7 f8 j1 h! a! f

5 e2 Z1 x! _3 I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。
- ?- {: A# y9 g/ D- v! h) q( V. J1 W6 [5 j( E& e
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。
3 e$ d! ]/ u# |& p8 Z4 f+ e参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
% z$ G' |, ?# E6 C5 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。
& k" @% g* k- {; |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。8 J# W  F7 W( n5 O
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。. d2 M+ u' v: t& G
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。& b) o1 P, U* P, \3 \3 f$ F2 G
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
8 Z' q& b0 z9 {6 X4 ~/ o
* Q( A$ `9 D: ^) g8 _在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
; w- t5 N6 p# L" h  m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 p( |' C( r1 n9 k3 [
三、卷积网络如何实现图像识别
6 F* b4 j' ]- _  k- J/ E2 S& `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。- v* k+ q  k4 J4 i( K# s! i. z
1.“笨办法”和人的办法  l  f6 u" D2 Y+ ?
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。5 K2 x3 v/ {4 {
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。
: I2 C* ^* J$ T" ?4 {2 ~5 ?. U/ X" n) F; b+ Q7 G2 @
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。
4 j5 D0 n: f0 _* c+ U( V6 J) y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。
% ~3 i4 g# a4 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。
6 Z4 _/ \$ u; ]) R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。
& o0 k5 w) x$ P6 y/ V) y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。
& l& C1 V8 u3 `' W# E- f, y7 t: ~8 n这么多训练素材上哪找呢?. _( C. }$ L6 y! a3 z
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。  Q$ E- S: T: u5 Q7 Q/ Q  h
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
: V! u& N7 M9 T/ {% Z9 Y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。& q2 e2 e. \: r- f! X4 M! z
3 n. [/ j- [' ]4 b4 e; n2 j8 g
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”。' T) x4 Q1 f/ B0 E7 d$ v
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。
" a) X! h; z" T; E8 _' \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 U. j! r2 b& M( F. ]
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
& Q' I- R9 y4 S; }5 K% t4 g2.竞赛* E% E% {) @" k
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。% [# S# }% c! q3 H2 }- D
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。$ I# A4 B) R; m- B$ O
, ~0 N/ Q% g4 c0 Y7 r' F2 G6 l4 V
2 w7 b% |7 t' H: [/ s% f! s
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。
' w# y, ^0 }8 o' m$ G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 v+ C: @) |6 [
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。- b0 @( w9 G9 h7 j2 ]

- f1 g9 s9 A% D7 o2 [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。/ R, j. u! W3 K& G, K
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。9 r7 r, W8 f  \1 t
3.卷积网络
1 D7 T# ^9 Q* H2012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( w1 M3 z  R+ H
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。3 B4 m4 n0 n' f5 q3 z
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 Z- `6 @: f1 v5 x  K3 Z7 n7 |9 `# 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”。
1 o1 X" |( J9 f* [8 t, |“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。: w0 j& J. j0 \; j- l  P
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( I- |  c: ?9 h& n: s
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。
6 R- P2 n7 O9 [8 L: U+ j, O1 J0 r% u8 F; W  O
图片来自cdn.edureka.co
  ~3 Q, Z8 B2 ~4 Q2 {/ O  s2 |1 g+ e
: W" w1 z/ n/ u5 U" E5 V第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
- o) ?; ^- K9 Y& [0 ^" Z! h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。
6 U8 w" g: |2 N$ B2 `+ b3 k第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。  G% a8 x3 z9 a/ @3 h/ K
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。: r/ _# F% D* h' t; A
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。
: y  N7 j. K% N2 K6 S7 A( f; v! K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。
. ?# H. s, `7 j5 d0 \1 k7 m2 F) e3 r3 C, S' ~4 U) U  P
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。3 v6 D# |; T1 r9 @$ B

' o% m" z8 N$ U2 M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' Y* ^3 x9 p" w/ V
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。+ M( A& R6 l1 Y# Z( @& _
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。* b' ?6 R. }( u& Z. u. 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。/ ?' v' l4 M; O( @% n/ H- 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。
/ a( b" _! A' |) `" h: y2 v2 H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。" `* g# t2 m: ]2 ^, {
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)。& |/ V8 D6 h. K2 X8 M* b
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression9 g) z+ R) h6 E# S' z
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。- U. D3 i* ~6 @3 Y9 k
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。7 b4 c1 n1 l; H, H' o

+ B! O8 Z! f  ]; g图片来自 Machine Learning Blog
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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。" @6 q( Q# M9 |4 k$ B
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。3 F* v/ w' o9 R/ o' @
1 s# I' u3 h2 j6 D( s0 A
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。
& }; p! E0 _) @6 Y  p4 y) q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。
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4.深度学习(不)能干什么! n3 q; x' d* a
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。
6 n2 r: F; C3 V. ?, w: Y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。
, u" a' _; G; @! e7 }2 p9 AGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。1 N) W" V+ O! `1 A  w/ u# Y6 S
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。
. S6 F+ Q! b0 J, G$ G& W2012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。& G9 @# h, f5 s; C4 l) L8 H$ p
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
) ~7 X% `+ S& N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。! G5 F. E3 q7 X7 S
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。
. F% K1 b# }9 i! i. R但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
8 g) B+ b7 e# j( l, @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。/ c+ F  n  i) h2 r+ I3 S6 z
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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。: E! V, a. F! K6 \1 _
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。
/ C& X' l* H, x1 i  X' _2 F- y) T  P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?$ U3 \# e0 U1 y) u1 q9 j3 E: z; ~
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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嘿,你在看吗?4 M. q. b& x; c# W+ Y; l
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
; }# n9 t3 o8 F6 g' J' P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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