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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。% r+ k. u: o% i6 s& 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。. N& W c7 n- P, ^ p/ o9 p* C
读书笔记•人工智能
/ K2 ]; E4 Y+ Z( y8 Q( F* W0 _9 n; l本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
( \2 H8 Z4 z3 h5 E. V7 N1 x1 W阅读前,笔记君邀你思考:
/ P6 v% @: t* }7 `$ }- P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。
* L+ e |. |" 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”。# {" N( M" k" V6 G
以下,尽请欣赏~$ W/ O' c* p* C
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。
% k8 }! c# \# ?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。
' U" a* \7 L4 @7 D4 ^3 x9 R2016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。
* F b$ T$ |3 Z0 E N+ c9 E8 W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。3 a4 D/ w3 g+ J- [& B& c5 L

- t3 P1 z7 ^. x4 B# g( T; i2019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。; ]( S1 E0 _9 _3 g) 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。
! U! }; j# x1 a) I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。4 }+ Y) O; z& T& W6 l$ d
一、神经网络与深度学习" m$ f0 u8 z U6 n( C0 H5 C
为什么要了解深度学习?
: E: {6 y* i1 X K, y6 O5 K+ c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。
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7 w) ^( B) k( v! p8 Y# W: l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。
% }* v% k$ v" E& n8 o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。
, n, I1 J. a8 h我将重点使用两份参考资料:3 I- f _) Z/ h
3 @9 m. ^, q7 w2 y. a+ a
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)。
/ E& g7 ^8 G$ ?) |1 Q S2 O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。
# H" a8 ], o# B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。
/ S/ i8 z+ M) \2 x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。) ]5 ?) S9 I! i4 Q
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?
c4 e6 y# K' `- c( Y1.没有规则的学习2 n2 J8 S' k$ l# J
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。 O1 F' @8 M1 X
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。
: s/ W5 k5 H# k首先来看人是怎么识别猫的。
( r4 C ^& m8 z% f9 I观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
: }; b% G4 L) T$ ? 3 a+ i( q2 U$ p2 K
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?1 ~4 o& D4 R! P
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。
; C$ I* X1 E) S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。. z: |7 \& F5 h0 P. Z/ F! i
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?! H1 b. n2 C% \3 B3 f1 X9 i

7 F% a( |! {! k图片来自 design.tutsplus.com
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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?* M" h; d" `( ^
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。" o h/ |: Y' w, ^, ~
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。& Y. x, N# V) d v2 s6 a
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?
& m+ F* Z/ R4 Y0 }5 o5 n' d2.神经网络% } z: T }7 T3 P& | f
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。" K0 q& E) ] P1 i
《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。
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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。
' N( v2 D' }# p. e) x- x3 |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。: m8 D; ^7 v: }( l! A" v
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?
: Z7 ^" k0 q3 D! ^8 M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。- u( q+ s1 F' ? l
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。! W: W0 g6 n4 A/ ^9 N$ b
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。
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那计算机能不能效法大脑呢?" V. B8 n# K2 W+ ^# _, c
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。- N- ?) H) b6 Q! J. }5 ]% _
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
, F; Y( f: z6 N" E& u0 a# x! \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。
' Z" a, }& Z2 B% h4 Z9 F第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
' d. l8 Y5 o& v& \( p& 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。
g/ P% L+ C8 Z' c J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。. Y5 x3 t" y) y
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。
! ?/ u) q. [! c这就是神经网络计算要做的事情。& V) w+ {# o* E% h
3.什么是“深度学习”2 W- r% \0 z% w0 X& z2 f, k r
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 - l( n' K4 s$ p( w

0 {- I0 x; l9 R; M图片来自 hackernoon.com
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( r- Y. I. |: V- w它从左到右分为三层。& e, L3 Y8 x4 M* C" q
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。/ Z- I1 O. ]' Q6 ]9 U! g% y
第二层叫“隐藏层”。
3 t; ?+ a# h$ j% U第三层是“输出层”。
0 G6 z0 h) G B" v5 U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。
' ~! J* {; \$ `. @; C$ C: X从下面这张图,你可以看到它的运行过程。+ S* v8 ]6 `: D" M8 @7 L1 G
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图片来自 Analytics India Magazine5 P/ ?0 z4 J6 h2 f5 T6 N 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。% ~6 ?( h/ V! O" d/ [1 v
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
/ o% r- Y }3 Q, ~9 j: z) X7 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。
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图片来自 Towards Data Science 网站3 a3 q% f3 m/ D( ]* k8 y Q) |. S
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。8 F! x- V/ ]* c9 A2 E
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。
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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。
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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。
( C& e7 b. D8 G: G r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。0 q) S2 P. J9 _4 M
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。7 a5 m D' m& q+ [9 i
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
: s" j" Y3 `2 h8 H% p0 V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”。
0 w; i- m. z/ y6 ?; ~( }5 M3 Y这就是神经元的基本原理。
: t! i5 m2 M6 t; p( A2 K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。
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) |/ l$ L( B( W2 Y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。
% ], v9 C- f$ P R' { }( ]) y" ?神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。# t# O: M" V. t, T' v9 f- K1 z
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。# z5 M2 s @$ Q1 I; W/ ~+ k
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。
" K0 Z5 ]% H: o+ `: X& u$ L二、计算机如何识别手写数字
% q5 c6 \/ q0 E4 |) f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。
D( ]: @4 m; B, R: }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。9 p# P) ~4 X7 o* n+ Y; X
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?/ f9 W* M. v$ u/ d3 [

. M$ t/ P+ A) u4 X1. 简化- l1 W$ O( y, F! [+ C
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
3 `/ w+ S/ e- A& o) T" b2 K5 p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。+ X( t6 p& P% ^, w
$ l9 e6 |6 H$ E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?
* M, p+ Z5 b# q* c2 M( r0 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。
( k1 R( j& G2 {) `( h a* C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 ——
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9 D) ^6 R7 N0 n; Z! E图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
. ?$ Y# h) `$ S ~7 Y) U7 {这就完全是一个数学问题了。
0 L% X: E0 p7 J5 D4 f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。6 G' y( {9 }) I0 o2 }# i
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
+ j, K/ G2 S) n( @# x. J+ d+ t8 i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。$ M; c$ R0 D2 y- U. C. o! 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。
2 _0 D/ E" W4 P然而,这种人为找规律的思路非常不可行。& t5 o1 F# U: {2 K, c K6 E- a, 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。5 H! y" H- P9 l: y: @2 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。7 j7 n9 t+ {% _8 v9 S: I7 e0 \
2. 设定1 s: r" z* d# ?2 c. F
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。: v6 ~4 v+ [- a- N& g
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。
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G' F% S( \7 [1 V! [7 G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。
) ^5 c8 _3 ]# u# \第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
' [% Z$ u G# c8 W5 J第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
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0 V& \ }6 q- I$ p9 K/ 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。9 r! D+ ] W0 h- A X
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。$ r+ V: B; y3 w4 i' e0 K! x' `
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。
+ X( t- Q2 Z4 K6 F4 K6 {# \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。# \+ e x. n, r
3. 训练5 d7 ^; g, E0 U4 }/ \) C
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。7 q; {$ l* O+ o u7 ?

- V2 s0 H3 T' X. G- x: T" r0 g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。
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8 B' a5 A* o, L+ y- f$ W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。
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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。8 i6 T* s/ O2 E! t/ o1 b
- _$ O y+ O' Q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。
9 Z; l+ F7 T2 t参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。' ?4 i Y. k6 t! j; X7 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。) |. T$ V/ H& J. k% y
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。
3 Y* f1 }/ T+ F Q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。$ [. S* Y4 x* T4 J X1 ]
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。( \" W) i: o5 ?
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
9 a. n. f ~! Z8 b+ U. h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。8 U- Y( Z2 i8 W/ ~8 @; [1 g
三、卷积网络如何实现图像识别
4 a4 B/ r' _: t0 ^ w1 a8 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。
+ f( G, v: m& o+ \, {1 ^9 u1.“笨办法”和人的办法/ \4 z8 O( o8 i- 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。 Y" t( a% ~& V, l
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。
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6 x5 d/ h5 v3 P2 C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。
/ K1 E7 {( ]- i' Q: x$ O7 U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。
1 p2 L+ G9 S! B3 Q& 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。
8 z0 C& M% u0 A+ c/ {' \6 c7 U$ c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。. K( ]6 z8 Z3 @; X2 G$ k7 H4 A3 l
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。$ x( V; ?! n! s' Z6 w% K
这么多训练素材上哪找呢?
' D( b! i9 r) ]; i7 k7 W$ Z, 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。' D% T- e( P, a$ d6 q% h- x) `
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。( A. {- M6 k2 s
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。" G" h! w; ], m+ S5 R& s- @

2 I8 N. o! ~2 z5 j1 T7 W. ^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”。& \: D" ^6 G( T4 Z! K# U' l2 V+ G
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。
- i# [4 j4 \9 Z- c3 j: R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”。* H3 w# `6 i& N0 D, q. ?
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。. j! @; C( K$ i! d
2.竞赛. y; d4 \% F. A- s
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。
0 f; h" `" {. M# i4 z/ }. k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。+ B3 [2 I1 k/ B3 C* y! D

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- Q, @- Y" z/ @- N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。) ?4 I) @* W* [7 T0 t
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。7 c2 I& G& }, c: k B
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。
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4 D( z2 l$ F; A3 v) [8 |8 j8 _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。
# _/ r4 U) g0 f: f9 u那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
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; G. _" t2 Z7 }9 t2012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。
: q- J& i& S3 C$ U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。
4 i, D$ g. G7 M6 ~8 y) x+ ^+ @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 B% T4 A2 q- m) v; d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 D; G1 {; L6 u% ^( d* X2 v, h
“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。% Y$ ]- c/ f( L
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# z4 T. {/ W, V, \5 \8 b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。' j3 F& h& T: [6 v3 Q7 {& h* p
# {& n; Q7 n. c9 p7 n$ y* X图片来自cdn.edureka.co" g2 T1 u; s9 Y4 t- T- X& I

+ V, t, ?2 N2 u! S8 z j, Y第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
5 ]! t+ d/ @* o% b3 ~0 U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。
' ~+ J- m& w+ l( @, E1 L4 L第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。- Y5 r& N2 j" k4 d, C! o
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。* O! _- I! o3 [$ o
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。
6 D1 }. { ]6 ^/ h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。
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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。' ~" @; ~" @1 `$ @: x) `( A3 f/ j
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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。
4 L+ ~+ [) s5 X$ \1 X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。6 |* L L1 `( C3 s; x# u
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。
" N O6 k5 Y. T1 e9 m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。+ T) U F/ v( R' d# ?4 m% [: A, Y
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。 ?) W- D, F0 r/ v1 N/ g. } B
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。1 P8 S e' j; ~9 c x5 i1 P
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)。9 @' S, m9 I- i% z+ a$ @( g; a: H7 a
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
* M7 c) V1 l$ q- `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。
1 z( y) ^) [* Z, \% `( O: S; B& g) \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。
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5 A8 E9 P. j3 A; u5 C图片来自 Machine Learning Blog' M1 t% O# \5 R6 K4 U: I7 x+ h) t
4 B' y: f# e; f/ X( v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。
" Y7 ^7 |) L o1 C) K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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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 L2 i. N7 {3 _! n) p2 \
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!% {& Y/ H- ^2 e& V! J' y, w

; ?! u: y( \4 Q: [4 [/ F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。) I7 L+ z+ ^- r6 a
) Y5 ?; g) D, `* g" ?4.深度学习(不)能干什么
2 \& U$ h( b9 ]- W9 H ZAlexNet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。3 S' F! ~, m5 w+ U: |: [6 U0 ?" 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。
4 Q( R7 W$ A2 E, }+ U) kGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。# ]' U4 B! E. T3 }; ]# n4 D$ 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。
3 S i) y5 O9 }! Y. K2012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 h8 o& @$ [0 K+ [( L- a深度学习能做一些令人赞叹的事情。
( q$ F7 S- H8 X4 e7 x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。# F9 o/ l* h' {
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。
+ Q' X1 e- u" s6 L但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。( Q7 h, V/ y0 b |' W7 B
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。+ ]6 Y2 E; ]) s% l ^7 m v
, k& ~9 J' ^% O5 K7 j8 o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。4 I+ v/ ]- l! f# t3 ^" e
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。
/ G: i/ N3 Y# P! U l% a8 ?2 A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?
) T' f1 }9 i3 U3 I0 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。) t5 _' j3 t& |1 n. U

; Y* Y- z# u% y4 E) y. S 6 r3 s' ?# s3 U% ?/ \
) i. o3 ?, T; V2 r
嘿,你在看吗?
- k+ b9 D" ~( O/ R" m2 _来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw [5 e) b& k$ H
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