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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。
9 x* o% `0 ^$ {$ p: t1 ~5 n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。1 J+ E1 S- A7 {! `' w% V- N
读书笔记•人工智能
. R% X+ `5 O. |) a! a9 A% T1 K8 S本文优质度:★★★★★+口感:拿铁4 A; p3 M- K w8 R. u, C( {
阅读前,笔记君邀你思考:
+ v9 } j' w, e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。
2 k, ^ s# K( V" W% F# K# K0 g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”。6 Z- ?. H& X7 f7 j6 n
以下,尽请欣赏~
; b! q" U: u' B* I) x5 c# Q1956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。; `! b" c. \! ~' J# v
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。
& e) u9 N/ W% u+ r T7 |, 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。
' c! g! H5 n# Z4 n$ V- T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。' H; j- ^/ b( y

" Z9 I. |! ]( e% m2019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。
* L$ j% _; u9 l0 _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。7 O9 D6 y" x# G4 R' 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。 q P, a/ w# y8 \1 k
一、神经网络与深度学习+ V* {& v0 \9 U3 O
为什么要了解深度学习?
7 G, X; z: h; E1 Y' \ h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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3 r ~; f, i) ?8 Z" }5 w* U# n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。
) T5 I( h1 N% [$ h; j3 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。$ l" ], F* K4 W8 u; H3 g; n
我将重点使用两份参考资料:2 @7 b3 G3 E' W* R) X6 s
, g# Q) w- a, ]4 n) ]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)。
+ O7 c5 b0 v* ^+ O. p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 U6 Y- |, U4 H/ H( S/ p( [; \4 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。
' h( d/ q/ J9 h7 o( B% W1 @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。8 |/ O N ^, R! y5 F4 f
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?% a5 g5 @1 |+ z1 q- E6 j
1.没有规则的学习! D* d- Z5 Y; _: H/ U2 `7 k* z) T
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。 b# I3 [5 U! K
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。
3 Q3 H) D2 m9 c# o, F- I: |% r0 @首先来看人是怎么识别猫的。* [& b+ z; D- N9 ~0 o
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
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' j8 x- K) W$ i+ @; C6 p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?
* h4 x+ b2 l5 v K% S! A5 M/ L* y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。% J/ [/ `; r& y w/ v' W% P7 n
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。
9 D1 |' w8 S% G2 V; i+ r再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?0 v+ ^: K F- i A C/ a2 {
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图片来自 design.tutsplus.com1 K; w! q7 \& ?$ m) {+ O
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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?
+ a1 ?7 a; i: a* [2 c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。
& |7 X3 M5 W/ n6 ]! D4 n5 F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。+ z/ I! v7 k/ C8 H" 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?: J2 M$ N n) X3 s$ K r( @- o% b
2.神经网络
. b1 B6 y j1 i/ m# q) l4 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。" V2 T; ?5 r' s, B4 j$ O" E
《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。$ p# R9 W: Y. B- Y) l
" i. g7 W2 A- \/ m% e1 Y1989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。: Z( D4 L% Q1 U5 M5 ]0 U: M
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。# X& s4 s" w0 {8 t3 F
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? r# E/ L$ T( m) }/ 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。
) j: s! T5 ^7 ~; g6 n- S( ^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。* h1 J6 I) J( y A6 c
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。 ^5 E$ y- E8 L* E

g5 O9 S. @: |; l, S+ e) p) E( E那计算机能不能效法大脑呢?& a1 \# Y: I( m) V( H
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。% ?, W }+ W g0 W1 I. L) M
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。2 \( k- B0 L6 e
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。% R8 T+ W+ K" \% e F+ x
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
7 b, p/ j. U3 p' _0 a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。
) V$ A5 W# v! W/ U1 V8 X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。" n! h- u' a- L. h X$ K+ o
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。
* ?2 |. s& Z' c6 L: |( a这就是神经网络计算要做的事情。) B, \+ ]2 Y( L9 ~8 a M
3.什么是“深度学习”
- ^ N# P1 O8 R _3 D0 i4 I) V2 [, `下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
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图片来自 hackernoon.com+ {1 H, N5 W3 z/ h# X
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它从左到右分为三层。
' F. l" n. |0 `6 b3 R" m' |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。
9 J& J! T9 d4 k, h- ]第二层叫“隐藏层”。1 }9 u" Y$ C/ t6 R
第三层是“输出层”。* }2 t+ i% R. S3 d. 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。
1 T2 P& U/ Q) Z v从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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图片来自 Analytics India Magazine+ h' ^% q9 }7 ]) e3 m) M
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。; G8 F2 \$ B, {) ~. H
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
0 j3 h+ b9 g* `- Q! O% |7 E; Y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$ G- e `% V. Y7 Y+ E) O1 E
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 L& ]1 e# K# ] B7 g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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0 Q5 J% h' w* Z8 @7 N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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* @4 w+ Y" O) ~) O1 m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。
8 {( g1 Q/ `! A4 P9 d1 Y, s# p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。( Q9 p: y' X4 A
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 [1 G8 t6 \2 R: x Z. }所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
5 a/ B: _+ A& }! r+ u5 p; p5 \- I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”。
& G8 v* d$ D Q: }/ L这就是神经元的基本原理。6 e5 h# i" H- P3 M& |3 w9 j
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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7 |" Y8 H+ K1 _8 B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。
: [& U$ t5 i1 J$ M0 _, U, ^神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
! v+ I! m$ X- v% E1 ^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 K* L- F3 k4 c3 P) m; l9 B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。
" Q1 T+ Q5 `7 s" r5 D d) F2 a二、计算机如何识别手写数字1 l* ?, |$ q2 @! u* r
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。% k, o x4 d% N' v* ^
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 U, q7 r. ~6 V5 |6 ^, H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?
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& t- ?7 m9 R: E, A) c) J& K3 c1. 简化
; }6 u, p2 C% ]+ P" {. ^3 T# a% v想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
- D6 A/ D/ [3 ~! t; Z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。
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2 O0 g) @; _4 O4 ^5 ^" w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?6 d, g* T8 \# {* t1 l: f6 R- F8 t. X
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。4 K2 f$ e* `: S- q! \3 i
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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* a, y* G g/ G; |1 W图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×288 {2 C: M; a0 X; a$ _2 c5 p
这就完全是一个数学问题了。
0 s) y7 s' i0 s0 s! g) U* M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 o9 a' F2 L2 z$ z0 v
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
5 J9 ?! E4 w1 w n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。
, d! P8 Q& f( P2 Q2 O& L1 ?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。
( c1 k, Y) g3 t( K然而,这种人为找规律的思路非常不可行。. f1 K6 q7 O' ]& x- R6 I, N* }
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 w6 [( ?# X) c
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。
8 p! q. } }3 o7 V2. 设定) b, W0 V% u% r* ]- b( {# N( 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。1 `; c' }: G) B4 G$ ^4 {
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 C, ^: S5 V' U2 E) t$ b) i, Y ' r+ t, u( K2 ^1 A' F
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。
$ M4 d5 _- o6 I9 l+ w第二层是隐藏层,由15个神经元组成。, ^; g4 t* i; w* w% ]( D( o
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
6 l( x6 ?% E$ N% s8 y6 h) K2 }" y$ U1 w1 A3 F! t
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 x1 p3 n+ [+ r6 w
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。. L. f/ z1 I5 d
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。) p) u- Y6 x- ]( D/ y% g
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。
1 S/ L% C% q+ ~% w8 m* a3. 训练
% d; V+ c! `* l2 j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。+ z( S: I0 v w% \

6 t2 Z. i: Y- [# a r" k) m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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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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) W* f# Q3 k5 z8 t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。
; i, o. r) k+ q2 k* B% x
, Z+ w. U$ n# v6 a; s( W. o' s. g7 C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。6 E0 Q$ v, x9 v: j' v) L: S* v3 z
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
4 w" V0 e* {% b' G" v0 ]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。& b! h, p- B, d' n/ A' D( l
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。( b; Y6 E, f- m4 w4 f
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。
' B; p* H# N8 Z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。
/ T! ]6 A, G ~6 J, y& {3 G; H% M4 }事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! ' F J) ^6 t+ s2 `9 V4 R
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
" P/ a0 `/ `$ T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。
9 L2 G9 A8 c; r; ^; k. o$ y$ a三、卷积网络如何实现图像识别5 V3 r+ h: O$ i+ g* R7 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。
8 N% A1 ?$ ^9 C% O( g9 {* w% E1.“笨办法”和人的办法 e: i* o2 d5 {! R9 X9 p
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。+ w1 S% K& U& | l* T
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。+ g: `. \) z" |9 f' ^

9 c0 Y8 M8 i0 D! n/ V$ _ [- }& p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。
) o5 K- I2 V! ~9 _( X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。8 d# s, Y$ X8 z5 }3 U' 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。0 \$ M7 v. w1 [1 e3 w9 _. q/ t$ X
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。8 F( ~* h6 v+ x k, I9 _7 ]
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。, t( ^) p, c6 g0 d6 P( t2 s3 H
这么多训练素材上哪找呢?
+ @& F. [) G Y' m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。
6 [, R4 @9 ?) q& j" M& b现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。/ `0 M8 c a( }3 e% u9 \- z
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。
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2 [% P/ B4 c r3 V& g# j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”。
8 i+ O2 ~5 j5 g# s# b/ M& T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。
% h5 s1 s' s, i P8 B) k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”。& p$ Z/ s7 q7 e& Q
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
9 `6 K" k* t/ R' f: |* }% P2.竞赛2 ~# d! x( Z) ?
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。3 Q2 s* B6 y/ C( x; k9 U
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。) X; F! K1 m6 q1 a

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- s& R& j) L& q7 b" n! A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。$ q0 I2 ?5 T' _' e% @ b
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。' S! n `5 f2 x
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 J) J. u; ^( z

) D5 e$ I/ G; ?- b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。
' [& H. `3 B/ U& r' a- Z; t那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。) T3 \+ A$ D* L. F. F
3.卷积网络2 l! m& U! }# Z/ J" D+ ~
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。
5 K! \! u, F0 ~3 W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 M' p6 k1 C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 {2 s( U9 x8 ~) t
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”。
5 u7 L, `9 A: M5 q" {6 R& v3 ]“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。
7 A4 z* G) V% i# Y- i; j% ?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。
A. K8 S! Z% 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。
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4 L/ [& F1 w& e. z: _: @图片来自cdn.edureka.co
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第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
6 e4 T2 ~! Z+ n$ i7 N* B+ `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。7 Q% y( w' G' ?3 A/ H
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
0 _* T9 `2 Y6 e0 }' w+ y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。
/ u1 ~5 Z# m1 g& Z1 j lAlexNet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。
* h7 ~* U9 ^( h+ P& B, m: 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。 O/ s3 c9 b$ u$ b" M+ e# D: v1 N
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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。) e1 G- D: ^& r0 c1 d2 D+ F# L

+ y3 w1 N1 L& d# b: S K# N. Z7 p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 K. M, x) J( V( ^8 x/ l. }/ 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。
+ R4 j4 F9 _" K7 {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。4 C9 p) B( C M: q
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。
" c- y/ T R0 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。
2 o' m7 i; ?! D9 b, ^6 d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。
. W) u4 L4 X4 w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)。- S" H- w6 i6 ~- R

9 v/ }! z2 |) r3 ^图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
$ c* E$ i+ |6 I0 w' B* E% 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。$ a7 H: S8 r7 t6 F* b8 Z0 P
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。) R( _% m( b! |$ x! b: G4 P' f8 |4 A

5 q& M8 J& C: \ L! i图片来自 Machine Learning Blog- {$ i, U/ N5 e0 A
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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。. J( S/ ]4 `) K" f1 J6 L7 F1 u
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。5 R3 M; l; D% P& j5 J

' ?. t, Q/ x* w; SAlexNet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。
# b4 y+ R y0 @& F& f; Y4 d6 G9 C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!; v& q ^# }& W: T5 I& p
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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。4 i: Z3 m: @$ c7 G- ^: V
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4.深度学习(不)能干什么
h8 M8 O2 N( H( @$ g' t0 g' LAlexNet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。
# Q \) O5 n; ?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。; x; K6 C G ^* `# n9 X
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
# G9 B4 n8 X9 y; v; 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。
! C+ I$ |0 W& Z7 b8 Y2012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。
& q/ Q' L# E2 x! O深度学习能做一些令人赞叹的事情。
( _* @9 a1 r6 k4 u& e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。
3 F$ t X- n4 ~0 h/ ~! 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。
3 l" }9 s* ^2 \, L: W4 A% i但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
: W& j4 y( T; j3 ?0 [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。
+ e+ H ~, y! \8 k. c% A* F% r; k$ `
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。
( O7 r& I- I& u& G* X/ c* G0 _/ n* `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。
! Y( S& n2 z) _- j+ [0 Q) [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?
1 J& i& Y. ]% t4 H) X- S: V: S) E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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8 E+ N! [5 n. ~+ Y9 a 嘿,你在看吗? 1 n" i7 }; u; e& \. b/ i. _! P
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw( ?+ v9 M' Z- q; P
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