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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。
$ A5 t- B: @" b7 J* u9 N+ s7 T 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。 v8 v+ y& k( F) G0 _& G+ C9 C
读书笔记•人工智能
! X6 `. Q# e% i& }% v) R本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
8 M3 R/ @* y5 l阅读前,笔记君邀你思考:
* h+ r7 B# M. ]$ x- G& O9 G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。: y, t2 M h8 \" f
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”。
9 U( c5 s+ T! J `2 x以下,尽请欣赏~
5 c1 k& a0 }# l5 Y( Z e- C1956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。
6 c* r% n( C$ B: q2016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。 V0 Q7 m8 ?# w- {. C, F
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。( \7 ~6 u2 Z" U
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 U% i) r* P* R

/ ^: J0 w! \; F4 s( F7 j, s; _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。
1 z' N7 d/ X6 E$ k( ^/ n' 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。6 v4 X$ f' O4 U* Z! c% v( o
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。, k- [' V- w6 ?, R& Y
一、神经网络与深度学习6 q9 p# }- x8 J
为什么要了解深度学习?
3 `. ^3 o" T' ~: b7 G% U) ?& T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。& w! t7 h- R) b) A5 h/ {
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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。
" \$ t8 u. E( ?- P# S: g; m' e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。: A$ H7 c2 c3 e/ X+ d8 M, u
我将重点使用两份参考资料:. }' V2 W Y* B8 y0 C
. u9 i1 a9 E: n! P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)。
/ k9 [. R, D( c4 P! D* a' c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 H% ~" w3 O: w6 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。. C8 I6 i9 T% M1 ]3 n
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。
: y+ g8 j/ Q, A/ ~" ~& A0 A% P# |& d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?
* p/ `; T: \, r7 B3 ?+ L1.没有规则的学习
; }% O1 I# S4 }' U( w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 Y: w" N% ?$ I! _% C! }2 w
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。4 B+ J( Z2 z1 C, y% m+ b* Z: `
首先来看人是怎么识别猫的。
# o5 h' J* {' i9 [2 k" t观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、. c, i. n" d% r2 f

9 B- z/ B* l8 y" D; R$ c% W4 L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?" [6 p* T& g8 d5 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。
; [7 U' i$ b# x- z: s8 w9 e1 @/ T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。
# Y' i" R$ C3 H% t" {4 y再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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* k8 l4 L1 d2 g7 B. n Y7 T I6 o* U图片来自 design.tutsplus.com7 K* u8 z& @1 D! S8 {6 w( b
0 x( o9 M M3 `# V) `9 n& ]$ U+ r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?
+ P' w+ y! q6 d7 r2 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。7 z2 O2 e5 `6 \
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。
t! q3 Q- t3 d! U/ 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?# \- p8 b G/ G3 U, f/ P
2.神经网络
3 R8 e3 y" o* \( O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。
( n: x6 p; L$ @; Z b$ n/ 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。0 v; \2 J& ~7 D4 }% @8 j. q: g
7 K w$ Z' N$ g& Z, i4 v q1989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。
# q6 |3 T( e% c2 g9 p' [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。& v) L# M2 @8 c M6 F7 z
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?
, q* H. d" x. b! J" J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。
; z* V# y! J& E% W- 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。 O8 {3 v9 A# a- s: 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?
$ s8 Z G/ c# J2 G. g- D谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。: A' g/ H' ?4 d, p$ w" H% |
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。9 m* w' F5 F( k! b4 |' N4 U
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。
d, K& ?0 x( I$ A5 B第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。* j+ A% @2 ^! e
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。( P9 W$ i; k. R- R# s
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。( h w% G0 s" j. w$ f
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。
' Y! O- f% s7 @这就是神经网络计算要做的事情。
3 q2 d/ D1 i! K' V4 M/ r3.什么是“深度学习”" M g0 v2 e* z9 X: m$ l
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 ( o% t1 F6 p' Z

5 |2 d, P! i6 }) z( b图片来自 hackernoon.com0 Q9 a2 }, k9 n( ]" Z( d
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它从左到右分为三层。
) v# }' ]' n; _ p% a4 ~' n- 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。. p9 ^- T: W2 O# i1 e o3 z) e
第二层叫“隐藏层”。8 ]4 k/ f- c' M0 j
第三层是“输出层”。
) d+ M5 j; _$ Q/ I1 p2 T) 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。
" C A/ o& S2 ?- R5 r: R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
8 {3 k5 ^/ p/ K; O* w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。
+ \3 H. h Y9 k* ]$ p“深度”的字面意思就是层次比较“深”。9 C* A( [2 ?3 x4 ?+ k$ k% B$ 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。
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图片来自 Towards Data Science 网站
0 W. A4 r6 s4 r/ f( q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。* W" G3 z8 i2 x% F+ Q
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。
8 K# ]( G+ P1 {1 k4 ^6 x4 }; 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。4 n+ h L) }( }5 h- r
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。
$ ^" I; G) [1 }$ W) S所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
% F" L- j p& X O; u- d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”。$ x7 s' Z# V2 g' K0 [1 ?5 j/ G1 |
这就是神经元的基本原理。
4 x* W! r7 b M/ ^- g# s: A5 E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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/ `0 Y6 ^" }6 ]1 U8 m& W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。
+ R: `2 h8 v9 C* H7 @% c) `神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。: U: M% k* r+ j
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 X2 m( n# I- a4 G& D+ D& C
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。
% E( q( f5 I+ s9 g1 R9 [. C二、计算机如何识别手写数字# q/ [0 Y7 J3 C
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。) l& q+ F* d% ]# j A* 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。
# V* \1 h' F5 A( 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?4 o; G. b; p1 y) M$ m

5 z5 a5 s% R- G% h6 y+ q1. 简化
3 r' o8 E1 s, _) S* Q6 x" r想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
6 n( a, [3 r Z+ p5 |% I# A) f" _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。7 e2 \1 {& d' N- k% p
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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?$ z) q+ T) t5 m4 d9 B/ U
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。
+ U& h4 O" T0 _& q6 ^ z; H, 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 —— 8 J0 t- Y- D) O/ F& F" |
( C0 y+ D! y' U( z+ y! T
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
. }6 {* }* b0 {% X0 A) Z+ Y这就完全是一个数学问题了。5 J7 [; q) X8 b. z. q
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。
" l" j; r% v1 U" i" o! i) a1 D这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
2 u {0 y+ h1 V' H/ ?- U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。
& v% f' s8 J$ W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。
# h+ n' r! M4 @5 _& y6 d然而,这种人为找规律的思路非常不可行。- c$ T5 p" R& @; F; x
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。9 U1 s6 a7 v. u
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 r3 A& F: L) P( o
2. 设定/ E1 a3 [& \ m" n! w
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。) u: `1 u! @8 T8 h. D/ y2 F( i! j
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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9 N" Q3 q: T2 b, h* V8 `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。
2 A; J) S! j3 A+ ?8 W+ {第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
" F5 |; G% T( V* V' w1 N+ ]/ O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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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。$ q, N7 B# Z) }3 x h9 L* ~
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。
0 r7 `6 r4 {( Y8 ~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。; q7 z5 P5 H* }3 E( q
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。9 ]0 k; b' m& h
3. 训练
$ U% @; j3 g* K9 Y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。) O- V$ H$ s" I* O/ n3 j- f# M! ]

4 s% [5 v! o# W7 z" F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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. m7 T) r# b% D3 ^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。8 r4 A6 k# _. g/ O7 r. M
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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。
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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。
7 b, r9 g% X' E, q- g( L* B参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
8 I7 _, O' n0 z( D1 G% x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, R3 P; }' l7 G9 Q
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。
J' s! k s& f. u% L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。
1 F. J8 C# x0 L) k C, L1 z& 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。
8 b( e3 b) C9 D- M; B, w7 r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。- u H" y4 L( g& X* a$ b
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。
: C {. h# @. u/ k \, s Z三、卷积网络如何实现图像识别# S: n& C; K& M. R' W4 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。' P5 E2 J5 l5 I4 Z0 t' F
1.“笨办法”和人的办法& a: e T7 [1 n- P; s3 o# K5 K
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。0 S; T/ |- F$ l+ {, q5 }
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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, a4 E" v7 D5 s/ m5 {8 B5 j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。
8 H" K$ D& Q; t* `" W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。+ p* Q* v. c( r9 ]& }1 G3 S
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。
; X; r7 F0 k1 T" r/ v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。
# c2 S* f8 G! X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。' W' U2 H( {$ w K" S8 F
这么多训练素材上哪找呢?
) o9 N' H3 L; a- r% Q; L2 q. G, E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。
5 z) D( C! J# L( d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 y) \4 J5 v/ W& C% |/ v7 k; K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。" S2 ~* b, n$ T! a) L# c

5 ~: a; n& V1 G' 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”。
" B+ _3 I9 ^. A0 d8 |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。% q9 v6 H9 [2 E
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”。
/ j( A1 g" L8 R& b我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
$ C4 t+ \1 {6 J' y- d2.竞赛
% j! T" ]$ e7 `9 p$ N8 {: ?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。& `% z& g P& @: B% o7 y8 p
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。- O) L' ?; L) D3 Z) n

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; x% l- A& |7 U- z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。+ y' E3 O& t4 c) t3 c
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。
- f' v* c! k. Q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。2 v* X5 i* d0 A3 ^( Y3 k' W0 T' e. X
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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。
' ^1 B0 c5 \' c% X3 ]' k# S' _那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。' C2 G: h" h7 n" I( h; s
3.卷积网络1 ^" j. x# Q# V
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 i$ R7 T" G1 A V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。
# _0 \3 k4 ?$ _; i' B. K7 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” 。
. N/ G, u f$ a5 a7 ]; T3 V' Q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”。
9 T) k* [4 k9 @0 F2 {1 y3 K o9 L“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。
* T3 J7 [+ }# y6 Y1 m0 h$ _" N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。
; M/ `5 y3 ^' {1 ?) j& s# K$ W; ?8 `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。% a) ?* C& \' D+ O. m
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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。 U o& v1 W, ^- k1 A a" z6 W
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。
) x# x3 j8 @! E* \第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
# H! Y- V; P! u. S' Z* c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 e) s0 d, w# _% WAlexNet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。
0 B' u2 b. k c" E+ l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。+ s; ^' ]$ y4 Y2 D( j0 ]" ~# j) p7 T2 J

* K- O' o( {3 G; Z* l8 n, _0 G& l' 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。
# ^. R& B5 w; }' @5 q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。% @: R) O0 H3 G
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。
0 J& S/ T( `8 X% q+ Z/ O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。
9 N% e; ^8 \2 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。1 D* E& D& O( A3 j& x
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。 v% D% q5 R E
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)。
0 i, W2 B' D4 E( [, {" u4 i! g
" q6 i8 X0 V$ k图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression! M- D) L0 [. u- 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。+ P8 @5 b5 t" X% I- o( Y( |/ ^+ J7 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。+ \3 F8 P v4 I8 T/ a3 X
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图片来自 Machine Learning Blog
5 W: `% k L1 N% c& y4 e3 i* ] h3 |* c! i4 q. w
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+ H8 D4 _# U0 y
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) ~) U1 q8 M5 i s, p+ \ ^% F- S; m
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。1 k% N! x5 \+ j6 h$ ^$ R/ H: d- F
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!; I% O8 P: Y( e* c. ?( o/ ~

( K' R& D" ?3 N$ E' `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。6 W9 d. x- N; q7 S3 O7 X
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4.深度学习(不)能干什么$ Z0 F. B6 |7 g
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。' k) }3 J8 [ |5 Z2 _: x! c! g
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。5 e- Z, h) r8 \$ U p
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
/ }' w1 ^: t: @3 t/ P6 Z* T! k: o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。) y- M7 J7 [# k( f
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。+ }0 ^9 {* U V6 p" r/ N. U) n2 }* Q
深度学习能做一些令人赞叹的事情。2 t7 R4 T: [' H, e* z6 J
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。) C" q+ r1 j( G- X5 ~
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。
5 n2 j6 V( j- M' g; T1 ^4 c! i# L但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
: g& r+ t6 O3 V* {9 {5 f; `$ Z1 [2 ?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。' A5 t% v2 X! X* Z0 J' d6 I' a
: Q, c. r. P+ q% d {+ V* \7 e
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: W# J- q
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。0 [( p$ X& } ~ d: W" q- S. ?8 ?
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?, }+ [' r3 ^9 c/ ~6 v3 |
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?
& W) n( ?5 Y6 F8 g8 l$ P来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw% ^+ u0 R" j- n- j! B8 n% a
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