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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。' N: t. ?8 T' @# N  x" ]+ w7 P! D
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。
+ g5 j' J  B: G读书笔记•人工智能& d; n4 Z/ Q. f* t5 @  Z- o
本文优质度:★★★+口感:拿铁+ f( M' C- g! M0 Z& H9 _( ~
阅读前,笔记君邀你思考:
, J& f; q# S/ k+ L0 O( [( [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。8 J5 t' r) t" g/ o7 C
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”。
! J$ c+ \8 X3 D! Y- t4 C以下,尽请欣赏~" k7 A% A7 V' w; Q+ R+ M
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。+ `. c7 L* p0 Y
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 m% q* D: D% q3 Z5 c. t
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。( h# g# I7 w1 R5 z; v( R" L$ o# n# 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。5 h2 k- Z+ ~9 v9 d1 q
- g  e. w+ f1 l" J# L, Q) P
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。' k9 w) S6 H' U/ w$ `; W
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。  m3 d+ q% U: B) ?& a" w: d6 {
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。6 Z- }0 p  i! q( o/ F
一、神经网络与深度学习
: `. B- i0 Q9 S为什么要了解深度学习?
: T# ?  i' _' }* W0 K; w. t) j  X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。7 J1 \# k5 I% P
5 E' @, m$ f* A$ _" D9 i3 Z& \: V
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈) r) J- m$ G, g) Q4 }+ J$ c
" C# B$ {6 ^: [2 [
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。
' O, C' Y% |1 |0 N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。
! a5 N) N  O6 g# h4 V我将重点使用两份参考资料:
6 m) v+ o; [- w9 K# n$ U# B; {. s, I. r) {$ R* Y
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)。
$ z' w9 w! R. F: p. y" s- |5 U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 y  B1 U& H9 O" a" k
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。
# e0 y! l) h4 T+ P' F! W8 ]3 L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。1 U  n6 E& T( c; x) z
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?
/ T3 D2 Q: n/ [2 C1.没有规则的学习* E4 @- G* y* U" D8 X, U2 O
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。
' `) T* H) Z! D' V8 [; R& Z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。" I2 v+ ^/ y8 i- P! F$ B* Q  ^+ T; v
首先来看人是怎么识别猫的。" E: N# g- Z' U0 J+ q* [
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、! c8 h4 e) l& ~. u& x  n/ w

: c, l, S; t) m# ^7 Q0 [' b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 x: v7 Y- j9 @. R) r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。7 H6 i3 i) h" y, A
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。" k) u* a3 I0 E5 m' k. T% e
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
, o* v# w' `: n" I  k# O1 }# t# z. K  O- [1 c8 G) O+ [
图片来自 design.tutsplus.com
8 b4 a! q4 E, i* X
3 I7 S6 L% D6 I5 d( T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?0 ^/ h3 S/ q. m) `- |
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。
; W' I6 A0 U: c. M  J5 M* [0 @6 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。2 a, D6 v+ ]7 S, h
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 {5 K6 c) _3 y; e; ^
2.神经网络
5 g2 h0 Y# i7 G! [- 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。9 ]" h0 E) S1 P0 g0 v
《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。+ I8 ?6 v; y& O7 V

  y& z$ D8 e# n3 g. @7 }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。
3 r2 k' ~7 i% C+ o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。, }$ a8 ]4 X' k- o
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?
( S3 a; B1 J$ F2 ]% w% ^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: S8 u5 G7 W% P1 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。* ^* S# R# o. {1 X
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" ^$ s( }; E6 u- x( O1 p- N  \

* z# F7 q# W. W6 \2 |8 M+ j那计算机能不能效法大脑呢?
, {; F9 U* y, M谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。/ L/ t2 W/ P; l/ e+ Q& j" l
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。6 v% k' O7 s5 {3 [
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。
5 i' \$ U; T  ?1 I: A: K第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。# h4 e! h% @( L3 j
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。
( `: a8 Z& y. P, H8 B5 b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' [7 m  S* g1 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。
4 ~& a) P& e. \这就是神经网络计算要做的事情。
  N3 {; Q; z' s; z# V* j2 o3.什么是“深度学习”+ W; k; j% g6 i! }+ ~
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
2 z7 A+ r& ?/ F% j" f# {0 s- f  X; h
. H6 R- D! J! k4 L' @. U图片来自 hackernoon.com, e6 m8 p, `# f5 I
9 k; F# G& r7 `( f
它从左到右分为三层。  c' I. F' w/ i3 G0 ?9 W  t- e
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。
! e9 M  D2 F6 P0 O* k; q/ L第二层叫“隐藏层”。& K' S1 q& P8 P' L
第三层是“输出层”。3 ^) O4 k: p7 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。
- f' @' z, w7 F, u+ C% f  M4 p2 h从下面这张图,你可以看到它的运行过程。# ?) l# n! G: a  U1 s0 x

- ^+ }( Q1 u6 z* n; J" G' E图片来自 Analytics India Magazine7 H1 p3 d; h" ?$ [
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。
) @  W7 t. Z, [“深度”的字面意思就是层次比较“深”。8 E* |- \7 w, T, l7 X
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。, S+ ~5 T: l6 V. d0 U0 @# c

# R: q5 Y2 V& j4 }7 ?9 T. I' z图片来自 Towards Data Science 网站
+ P6 i, w& C3 w# b) u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 q# A: H1 |% u6 I) E6 b
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。* ~( w0 `& l1 a9 f

4 ]+ p' h7 k* @. O  h9 U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。
( g+ `9 Y5 s# a' b% X) J$ e" w
3 x0 p5 i$ |0 O2 E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。
5 `$ G( ^! L( h0 }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。% d4 }! \+ u8 g; n
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。
4 V1 m; k4 m! X( s/ `所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。/ o9 f' J' H# ?. V# a1 g+ O
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”。
$ G2 `. q% t* s这就是神经元的基本原理。0 h$ H! m4 k9 J# U! g& {
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。 ) e$ L2 e3 ?6 X% i7 }% P: G, E

3 K" Q9 x" c) ~+ q; b8 l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。
5 ]/ e4 G& z  U神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。( }+ _; n. f# P5 R
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。
5 i3 ^9 I6 \; Q! X, |/ u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。
: O1 ?7 Y) Y6 w( j) j二、计算机如何识别手写数字$ p4 i0 P( p! l7 R( U
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。- b' Y. D) C+ Z2 _! @- Q
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 b/ D' }8 i9 C9 N6 p2 O
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?
0 g. @) f; G7 g" A
) [4 J2 j1 o+ u* ^1 w+ a3 S/ B1. 简化  E8 K; g8 g: d7 P- t
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。# d+ V3 e9 q, X
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( ]& I) _7 d& u' V& j

) n' [3 f' b# R, R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?
, C# |5 m3 y' u. w! G8 ?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 x6 o7 m- S6 J' f+ U& q% ?
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 ——
9 W; ]/ `, }* D: h: f2 R1 L$ n0 `6 t/ U* H( V8 F3 S
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
7 J# z) O8 q" l这就完全是一个数学问题了。
) k5 W9 O5 Q$ K9 m* E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。
+ D7 J7 {' w- t+ y3 ?这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。) {9 ^7 {& c) p5 }) R+ O8 b3 v
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 ^  m# |  C6 w% v2 s
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。5 X  V* _; @  ?/ t
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。* @7 s  [1 U3 V" K2 \! e
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。
7 C/ i9 }- y0 d6 L8 N+ C) D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。
6 |2 L& v0 c9 H, C0 D: s2. 设定7 }( S1 E! B+ c" Z: W: A# e% q% i
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。9 h: r) U- W3 ?0 i
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。
( h  r* h! B2 A3 ^! i8 ?. V% h# x5 w( m" Y- Z$ R3 O1 y; O
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) ]" e, S6 `. D第二层是隐藏层,由15个神经元组成。1 y$ X5 \; E- U* W+ v
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
2 E  k8 P8 f* Z
" g! k+ F% Y9 f1 _9 \" Y! ]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。% R  V& O8 u8 I1 s  \" g; ~
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。/ Q% Y% H# H& z. p) Y! v1 ?
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。# z$ ^; m1 E) C% m
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。. @" m- _, j* z, B" c* b
3. 训练" c1 y4 w6 u4 z) d9 s$ a5 G/ H2 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。
1 K$ h- W7 ?8 C+ s: D" ?5 c3 S$ h( b7 N+ l0 o+ q
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。
& }# D5 y2 F3 H' l9 r7 F0 s, A: I, j& b  X  i' r4 E
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。( v7 b+ Y4 r/ z
2 A7 ^( B2 t# N) [9 g
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。  H2 P* F5 I% W
, |* `: a) s. z4 W
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。
) _# w/ u+ O2 Q) U参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
$ C6 Y3 f% w+ u8 z9 L  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。9 V. n. \3 n' }1 M9 h- H: i  W
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。/ c; \2 F# r" z& a# B* u7 q5 {
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。
6 K  _$ e9 d" e1 K# f; S2 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。
( Z+ a- [5 m* C$ E) _, d- O* R' F! a事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! * X- x0 p( q% M! j$ Z+ G
% _- d  r8 B" C2 \5 Y
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。6 y- y4 y7 ~9 R/ J
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 M8 c" B& n, F& P& b1 a" V; l7 T2 K
三、卷积网络如何实现图像识别
, ~  A! K# k" u. {2 G- b, D" v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。
7 c1 F4 c$ n# j* F1.“笨办法”和人的办法
4 `* t+ p* g! M2 T6 s! ^0 `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。2 u! o5 F% q8 j+ P
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。
: E( ^* A/ S( x3 W; O! r# u/ d" p: j- P! N3 G; N
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 U, t; x% o) l5 U8 z( _) p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。, n: u' V% N1 D; I# p! C
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。5 K; U  |0 b! q6 R, B. g
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 L# ]$ m( a0 J/ N2 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。
# D' N, f: }% W  R/ \8 H这么多训练素材上哪找呢?
6 {' e% B& H; k4 y. j7 z1 x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。4 Y1 @4 R: Y- L
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+ n9 s6 I: k, A/ L# ]* p
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。
- }! q6 U6 M, B, {
2 F: }& U5 d- T( p9 k6 H! t( Y; o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”。
7 x+ q/ t/ V) _4 {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。
5 \4 @: o0 V# @. {9 Z. B! c/ ?7 x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”。/ X  v- k- {. Z5 \( t- D: P; ]+ V
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。* G& K8 ^7 E. U; d6 s8 X; v  g
2.竞赛, c5 D, d, Z# \/ m0 j" x; y
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。
" M3 Y8 {1 @( v1 @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。& q, \9 F# {2 ]
( |0 V5 M# H0 W' _6 \0 m1 Z7 g; ~% X0 B
% e; C8 T& Z& O/ `8 X+ 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。
2 i& n" t- r$ p2 j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。5 X! c1 Y( E$ M* ]0 l# W- D
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。
4 ]4 x: ]5 N, P, {
! g+ W5 @, C& t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。
' ^% F2 L# @: p5 V3 p! m& n那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。$ U9 A8 z3 b. `2 t9 S
3.卷积网络! l3 S( S9 K" m0 @: h+ p" 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。
0 h' w, U/ t# @* O# Y) S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。
5 e7 N* V2 t: d8 g9 _: t- P4 L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” 。
3 b1 {2 L& ~& u/ ~4 @3 }. [3 S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”。
/ v$ e+ n4 V9 ~( V; 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。5 S) S8 v$ @# d
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。
% Z$ h* B0 n, V( d+ L6 I2 c4 q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。
# \* m# X4 l5 v; _' @0 \/ E9 F4 u7 ^5 K" V
图片来自cdn.edureka.co
% {! p, u/ H6 q  ~0 T  O: e) w% [: C
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。3 D7 x+ n& Q7 Q0 }3 p( W; 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) \6 n& i8 u. Y) W: V+ P
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。/ v' \. S$ y: I
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  S% L' |1 g9 W+ ?/ H
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。
% J7 o+ D* B: 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。
* [. [! n4 H7 p2 C( p0 S6 w+ P) M1 U; l6 T# H6 J2 ?& L
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 G7 y0 {+ n6 k7 Y- Q6 t( N3 p8 ^% s0 `" Q
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。
1 Y8 |$ H+ y- c6 T/ L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。8 c7 `3 X' z/ s
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。
" A4 l% \- |* e8 \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。6 q. T/ e8 A8 H% t# ~0 b
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。8 w4 c8 [1 g! E9 G/ B& ^9 V! C
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。
' s/ N9 I: c# R! o+ f# o! T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)。/ q2 x. c7 ?: R
4 |. _( G+ m. J/ h, @' I
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression9 h* y7 K7 e( Y, U
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。
/ ~9 K& G4 Q" B8 L( H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。( ^1 ?. E  s8 F( i: o2 i; ?

, r- @( d3 S6 n: I% q; g9 f0 ~图片来自 Machine Learning Blog- A6 I  s0 x; n2 N2 l; S% |: N

$ a2 c% }$ _# u: v; M5 ~* d- {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 U- N3 L6 k2 f0 {3 F$ V. c
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。
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6 T% U6 s+ K& B% s( RAlexNet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 y  q5 I7 X5 l
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!
" N! \; q2 @$ ?# e" T! _4 b7 G& c% Z# Y5 w8 B5 _3 ^
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。
9 Q1 _; v) p% ~( g, R0 Z: U. Z* u  r3 Q" I+ a6 d
4.深度学习(不)能干什么& {7 X( [: b: F6 x0 @( A  o
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 D3 D. O. ?! U* [! T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 i8 i. n! @, bGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
0 b- F$ O8 m0 `5 a$ d6 j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。/ ?" d: P( m- _1 E: a" j
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。
5 v0 L, \0 K) X: m, t3 `深度学习能做一些令人赞叹的事情。& B+ h; T: X5 n8 U( L' e: H
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。
$ y, h/ I4 ^0 L- F8 M/ E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。7 L* [7 @2 A3 Z# k% L6 n4 I: ^5 v
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
8 b+ `' P# w! Q, }! |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。: r% {: `. Q6 d& m/ H( c5 c

) n' c6 a7 Y+ q8 I+ m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  I5 p3 j# ^3 D& C8 S/ }) ?1 J
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。
$ K# [3 x4 v; R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?
) \  V$ g- Q5 _$ _8 A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 \/ H; U, m+ S! |  t/ v

) B3 H$ b# t; P
1 a) k0 c0 ?7 g* `: d  U* A# h# `7 ^5 K0 Y! n
嘿,你在看吗?& f8 i* o3 o. v2 w9 O
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
% l1 f7 Z% n' q# ?! \0 M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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