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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。
; V& r4 n; c$ l  O& ~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。. E: }$ n: l0 n4 ^; @5 ^: K
读书笔记•人工智能
0 y" E: h  I, S1 q& u本文优质度:★★★+口感:拿铁' T% N* M1 Y! p
阅读前,笔记君邀你思考:
- \9 ~* X2 @* T$ a3 C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。# _; t# P0 S: i; O0 o
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”。
& X; M; `; ^5 g以下,尽请欣赏~
/ g) b3 l+ J% U( r: d1956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。! E# V1 ?, @3 B' ?8 g; l! t
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 k# t& n5 s& ]  D" n  o, o3 n3 |; |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。
, }  U" q' b. C/ [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。7 e, m2 J$ K' I1 F
  R% k& [& V6 S" P0 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。# F% ]( h! Q# L( A! k
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。9 s7 y$ e8 E* s
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。
; w) `8 M% A5 b9 N一、神经网络与深度学习+ w2 u( K# V7 o% r+ i0 _* J. R
为什么要了解深度学习?
  Y( p6 ?7 t! X! 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。
! b' c1 i  C4 f9 w% |7 T& J* Y4 l. [6 {9 k
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈; ]: V1 S( j/ V4 o0 n
1 V0 x1 M! b4 j
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。
( T2 g8 ]5 w% H  G8 p, p% p4 D" `4 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。
1 b* N6 n1 d, O0 q我将重点使用两份参考资料:
$ m. I9 s: @& u7 C  j" T7 p5 r' y' G4 C7 x# |, i9 K7 i
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)。
# w# w; I/ {7 J0 N5 s8 i8 S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。0 K0 O- D+ N$ W' c& q( W
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。9 o- H0 |  j( u' d* 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。
4 |; R/ g% }! w% N# ?+ W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?
" a2 y- L2 j& g" p7 v5 A- Z1.没有规则的学习. K! \- L8 a# ~  A' l! b% }
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。
6 {1 \, T) I- r! t, k* N. m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。. w9 r& j1 Z3 y
首先来看人是怎么识别猫的。
! X2 m  m9 g4 Q8 f) ~) F( N" l观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、' X- `! I. z" P8 }, j
: l: @# v$ r& O: h# a8 `- x
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?9 u- O. t: Z7 y/ h. i0 Z6 n0 O
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。+ Q7 J! j; {" Q5 E
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。; d& v2 z& k% @, T$ r/ L, h
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?6 ?. F+ b0 H! v& R6 C
. @  i9 Q( p: p" B, c, a
图片来自 design.tutsplus.com' b1 F/ T7 E% i6 E5 h

; s  f! p, S  g  Q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?( x8 X! G! ~9 A( n, C2 i
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。
# m* t0 g% ~" I9 i* g1 l2 Y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。$ O: `7 [9 S( b  ]+ x3 [6 o+ t
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! ^5 A! g3 q4 f; |2.神经网络6 K% E/ b4 S' n) A/ v$ I) 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" M& W- ]
《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。, G6 |2 W+ f: o

8 t* J- [9 i1 h0 F' b' l" q: u1989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。
6 U0 F3 h" R9 R/ D( ?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。6 `0 e/ H: n: L8 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?8 m0 D* }: @! p2 |( Y8 @$ F; v  K$ r
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。% K" r& X1 R! }. D" Z
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。# k, a3 k! x- V
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。
( g" [5 r) b) }% A$ x9 \' r- E/ J6 h* V5 t& C% K6 M
那计算机能不能效法大脑呢?
/ L% P# v9 D& ^4 V谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。0 b7 r" ]2 n0 ~
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
# T/ j  _3 ?+ h3 B  I$ N: l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。% |; v4 Y' U/ x/ R& b3 l
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
- u! E# F# p( l3 a8 i4 R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。$ C) s4 H+ w5 r2 p9 @! 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。5 e/ Z: s8 S( w: i& @
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 e8 D) X4 Q; c" Y$ s这就是神经网络计算要做的事情。
6 z1 i8 v0 g' d, \9 p, `3.什么是“深度学习”
7 y  `( m4 y9 f  K0 u下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
- J& ?4 Q7 ^1 y( X) @* F
, `2 O" A8 g) y2 `6 z" ~图片来自 hackernoon.com
! r9 j5 }8 e+ T5 ?/ F
% S5 Z* T! y; M3 L9 c7 y3 w. ^. L它从左到右分为三层。' j7 D2 Y/ {' y8 K- y9 r
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。6 I0 H+ H) [$ Q9 t
第二层叫“隐藏层”。
8 c; C9 a9 o* `% }' D第三层是“输出层”。
" r( Z$ y0 Z: @$ K' y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。; o- M, T; h: X9 i7 L' X
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
% m  {# w& ~/ j! L* ^/ n
5 g) O; m  ~: N! y; h0 I- y- r. F图片来自 Analytics India Magazine
/ B3 _3 B+ N6 m, e/ 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。
4 W4 E$ {& i. X  O“深度”的字面意思就是层次比较“深”。& B% n( k' G$ u! \5 ?) B
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。; Y" s- Y8 Z$ j9 ~( `

2 `. _5 G4 p8 A& l- W( L6 J4 p图片来自 Towards Data Science 网站- g% U! c2 v' R" P
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。! D4 U& Y) v( m! F# L
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。
6 d" ?$ n5 t) l% \: r$ d8 t( ~6 {$ J5 Z( v
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。 ) ~" _3 n) z2 Z8 J

5 G  x" I0 B& |/ A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。# K! k  E9 x: L9 H- F9 E
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。
& z1 I1 }$ T! a  O) p1 g1 Y  q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 i4 i7 N4 [) X! K; w) S1 Z6 N所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
  G0 H" D) g. |: S( t  z( b5 a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”。
9 v. c+ }" w' H, h7 h- Z. V% K这就是神经元的基本原理。
  j% j; J" X5 C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。 ' A" r4 z4 K  ^! L! [- D( s
6 P' `3 I8 f8 ]: \, @, p8 E
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。
: I7 u8 q' w$ T0 j  J4 L; J神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
$ i6 S1 b: B+ P& S: L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。" ^+ S1 S% g2 T5 d% ^! L
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。5 Q; ?: f8 |$ G, h. r
二、计算机如何识别手写数字
: a% }0 Q) k1 c& x0 T9 J" _" 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。( i8 s. m7 w2 a. B
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。
  V. p: @# A) k8 b% j! {( `6 F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?
& i1 z1 S* f- N  ?: X! ?" A" V8 l3 m1 s
1. 简化+ B; Y8 M, w- L& A
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。3 n  c0 P4 V4 r
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。
8 K2 R" F; u& _6 n8 N1 l6 d/ ?4 j
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?3 y! j# o- v6 |) E! I
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。
  O4 T; s% T  k! h3 a" K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 —— - C* u+ w/ r( C3 W  j- g4 j
) z  |  n+ w! k- Z0 C
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
$ s9 N2 T7 b4 [4 q  E$ Y这就完全是一个数学问题了。
, S" y$ g, s2 A2 a& `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。. c1 p1 I& i- r+ F1 V& Q* U
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
( I2 N2 q* x# u  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。
# u* b( K+ O4 j2 y" T; M+ o6 y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 w" `% h' u; W2 G& [; J& `7 S
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。: I  B7 G8 k; U& e8 f- 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。
6 J. s- G# b. D# t6 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。
+ [5 u7 `! j$ _5 }0 ^% R2. 设定
, H" }  J8 Z  m( l' p7 W( P: 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。
) K7 u9 p5 e) r9 [0 r6 z. 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。
9 f( |6 C6 O! m4 J
/ C' ]6 B( b! o4 W9 x2 N" M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。
+ a3 e0 j) _8 j( M, d第二层是隐藏层,由15个神经元组成。$ f6 H% u% P$ K3 L1 `
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。6 @5 t5 w! C2 r- `' U
6 \  T7 ]& G7 r0 e1 _) ^0 y! b" C
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。
; |' e0 k! x5 Q2 b0 \5 L9 o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。
: {: b" U% p$ H: ]8 T$ U5 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。" W( E+ [. x) G4 K- \+ _; l5 a' E+ c- 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# L/ N& q9 i- O; G% ^2 p: K3. 训练7 X3 k6 }/ c' E0 c4 d& P
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。3 A( v& C/ N) x* r* J: _  Q' w

) y: I% m+ }1 S# r, J  [( [  i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。9 c2 ~. o: O  t3 A/ F! v) I2 T7 I

" l0 {: T6 X) y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。
$ ^" z# h1 `" m. a; L; Q" \9 S" h2 B2 z- p
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。
- M8 `8 J$ h8 f8 d+ d
, E; N  m& q: _: _3 P; ]  J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。$ X- @. @+ j3 g6 `. {* g
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
; j: A2 e4 z# Q" u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。) p! P: Y% X# v! n( e' U
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。
) y% V7 q) |  R; h! C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。
) Y+ F- C7 Y2 l- N0 K3 `# A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 p; q: s( G8 i( R
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
4 w' J8 M5 P' }. {* a$ V+ \$ q' P; E0 ]. l+ R& @* U
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
5 E$ s0 [& I- M) h& j  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。
! \0 J: U# o# U2 N三、卷积网络如何实现图像识别
0 T, L# x' B& G5 n/ o- k7 A3 N: ~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。/ h$ |: `" E, R4 u5 k
1.“笨办法”和人的办法# a, M# v8 Y/ T
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。9 j1 `. ~: X' O, J! B# u6 \
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 |0 }# b/ i" W  t. ?, w( H
" B) ^' {/ O# A$ F4 F/ T
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。1 y% N8 L( H* h! T+ @; Q( z
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。, o1 O/ N* S$ A+ S. 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: G% g6 f; v$ ^! Q! P+ N
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。
' |5 F; u& Y0 k# y  O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。) _- E+ I; X: e! |6 {7 F
这么多训练素材上哪找呢?, ]; a/ v* c. ^' O9 w
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。" t' v7 D8 p' O* P4 A1 W
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
+ d% Z* M1 [+ u0 f# r1 ?% t/ r" _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 C  Y9 t+ {' h  n

2 O/ t( M, n7 N  [* t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”。
$ h4 O; `' w9 `! U; d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。4 @: {& H* s; 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”。
6 V. Z7 a+ \6 i; }* T9 [我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。* {) V  s$ }7 @3 _
2.竞赛7 J7 ?1 z; l+ n, _( 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。( o- K4 O0 a5 h
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。
% P4 G; ]1 o6 O) m% G4 c, I4 o/ K: c( d3 C

# R/ p% i& F" T- v) p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。
  D! [. M; }$ x+ O8 o# z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。
/ W0 B1 V* q6 k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。
0 T# ~+ M4 e. N5 ]4 ~4 a
0 j6 I- @  o' a/ E( d+ l* V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。
* j& Q$ t3 X6 Y那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。- C2 j9 V3 J( m0 ^/ Y+ R
3.卷积网络
9 I2 Y+ Z" \! e6 ]) I( z: G% a" }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。
. W, L; a1 o; _- ]# u+ j- [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。! H2 B* B% B5 B/ P! u, `4 g
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” 。; s' G. k& {" Y' y  v- _1 k0 J
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”。
# p$ i2 J3 w( `9 N) n" W9 t6 ]“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。
8 U/ }' w5 A& H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。# k- n* ]) M4 G/ R' P" f- }  f
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 c, R, s# }! h
, s/ X- M  ^2 i7 m8 y( U6 W图片来自cdn.edureka.co) b' K5 e$ k0 Y5 H
9 e* K5 K* Q4 g* _8 }& p
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
. i" H) R* R4 j3 y* u0 o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。
+ z5 @8 i! M: v# x4 ~, F7 v3 J第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
- l0 J( p# R' b2 e' m7 u8 @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。6 D' O+ T' p+ @" `' I* N
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。
2 _  y/ z  d' V0 e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, `9 \0 I% Q7 S5 x6 K; [
+ C0 ]8 y8 F0 O
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。5 z: C) O; [; a9 s* B

0 {* x4 |3 }" O2 N+ q8 {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。
$ R: b2 s: }8 C8 V6 T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。
: Y( T* U) P  W8 k  H9 {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。
1 s5 P. d2 C1 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。# r" s: K- P, T5 _
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。
) C# \7 |, R  |. s, i# I' ~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。: F5 R* U4 W1 V! y$ 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)。
5 t( Q8 `$ }3 @; l! j3 P+ U
3 f6 _) I- n7 k) C* [" F$ p图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
3 K! b' g- Q2 T; W$ K* \4 J, P  D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。0 O' \/ v" S8 Y8 ?2 ?3 z  U5 |4 Q
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。6 y- [. d) r6 ~- ~2 c2 G- p" i

7 T# N, O% `- Q$ }9 p图片来自 Machine Learning Blog
4 {; F5 o" d) k& b" x' t2 B
1 J) w, l& x5 z: ^3 X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。
& w9 p% o& d' a$ ?9 h0 [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。
; I- l& Z. D8 Y  o/ M9 M0 o* a) @% H( r! V
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。
3 F: B7 `# }/ j) G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!
6 ~: z: k! s# z3 @# s6 `& E2 L. a- f" W, c; G! w  V8 b6 o
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。& F3 _( L5 D6 t6 n
* c/ t; E9 g4 [8 i; A+ M3 A
4.深度学习(不)能干什么3 M# f7 k4 l  ?- k* @5 ~6 v
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。9 c7 {0 u3 z/ `
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。
8 _2 R6 y3 B7 o% e! ^* ~6 QGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。5 ]- H3 p$ b- k: s, J6 j8 I' r) 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。  r2 d, \; {' F% n) _! i
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。
1 f" X2 g# B' Z- {. q9 Y深度学习能做一些令人赞叹的事情。; w9 O4 g. E9 g3 {+ q1 H8 C( d
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。
, ?0 Z, z7 f' _8 B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。
! R+ y" O% m/ B+ O! ]# n但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
7 x1 B$ h8 n" E: j! w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。9 S' T. e/ Y) m/ q9 p5 p5 n; p5 C
4 B* r0 }" p6 ^4 T* A( R/ u" C
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。
9 D" @7 \+ N9 T' x" X* @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。( k7 S5 m% _" H- t/ _$ 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?& L+ l0 D% w7 [( ?8 h7 r
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。
2 B1 @9 d6 }% H" ~* f5 n) x, e
9 u  _1 I- M" y! e% V' }/ U( p# g+ ^
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嘿,你在看吗?/ M. H1 G& r" F1 Q' c
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw2 y1 j" S* G9 \
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