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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。6 P7 G* k+ Z2 y: a+ @
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。
, A3 \4 f2 _$ @' |7 S( j读书笔记•人工智能# l  n0 t( ]$ @, B6 _( @4 P
本文优质度:★★★+口感:拿铁, e/ B5 t; h; c: _* K+ k0 Q- ^
阅读前,笔记君邀你思考:: M" C( L+ ]9 L
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。1 b5 ]8 j0 L! x$ o$ f! y
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”。
! e- i6 [6 p; z; N8 @以下,尽请欣赏~
. }+ G, d4 ?6 H1 D5 H1956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。% ?! \9 j6 q& F
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。8 f! I) q$ D* n3 v$ 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。4 Z7 D  q0 D9 X+ K2 i+ f0 r
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。
+ r8 _' m+ y3 G! N' C, g
- B* ?# i2 ]- \' ~! M7 o7 o2019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 E. `+ E  X  l6 A! K+ m! f
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 `* o+ ?" |& z! g& N/ W
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 D9 X* q: }" B9 u: @" Q
一、神经网络与深度学习6 h* D( I, Q9 t2 H8 t6 V
为什么要了解深度学习?
  c  ]1 c! U( b+ b2 C7 o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。2 i' K3 x1 p7 V

* v  u1 F' t; D, V3 y8 G: @! S▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
# V$ Q6 |4 n6 S0 O2 K
0 A2 r+ k5 w5 W7 }- T$ F+ _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。
4 p) I* F  ?' L' P  v1 j( z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。
) L5 O/ r: s5 g: y2 M( s我将重点使用两份参考资料:
, J# @/ d/ F5 d( Q1 V5 w" g/ ~4 U3 w) ]1 n) P" I0 z
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)。
$ [$ R9 Z$ E( 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。, J, ?' @4 m! n3 T
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。; t' J" A. ]2 e" Z2 k/ _0 f, C
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。0 W% c8 ^% Z3 M
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?& q3 M, j! i# M# W  q
1.没有规则的学习$ U8 Y- _/ v0 I. u
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。
7 g% ~/ P6 @1 c5 A6 B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。
! ?: b1 M( a8 b2 \- |& ]8 q首先来看人是怎么识别猫的。8 c6 ~: R7 o( V. _2 I9 e; o$ s
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
9 ?% S' a% J( f6 Q: b: X# D
# R, [; S$ u/ Z9 f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?
$ y' q- d( M9 I0 F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' ?) o/ m* U) Q$ D/ T, Y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。# O, {) Z5 Y  s. Y' k2 ~
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?' J' x9 s: g$ d3 x; K2 x& w
! ~9 P0 K+ r8 U+ X1 h0 C
图片来自 design.tutsplus.com2 k. r$ h3 z* m! @# h2 A

* c( L  l( C9 k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?  O: |. H4 _1 g2 E& N/ ]% J- |( B
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。- x- [% G" [  N0 p
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。
! v2 Q4 E7 k- N. j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?5 [' @* ~: D& a7 P4 I
2.神经网络6 S' c& G9 s* W; t- E1 N
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。' j& b1 Y( \5 h9 G0 M7 ]
《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。
2 F) b& ^$ }+ c0 y
2 G: A, M: d* m( }8 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。0 R' h5 D! S" n# l9 c7 }" l& N
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。8 R* z. w  i" p1 C) Y
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?6 l* E9 H# \* D, \5 A1 P2 Q5 [
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。" i( C& G& S& Q: v$ T7 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。
$ {, Z* S% A* {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。
4 a: i$ }( y6 o$ N0 z+ }1 f% y0 V0 Q/ c3 o/ ^0 g3 ?
那计算机能不能效法大脑呢?$ A7 K# {+ j+ P5 V6 V  B2 \9 ~
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。! Q( A( A  J  y
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。$ f' e( P) b& o
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。3 G# t) n4 v, O# ?
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
3 @! i' z; o* r( t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。7 O0 D6 Q- u4 A  K$ l" U$ O
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。
! p) ~, ^. U1 ]: u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。
. `/ T; p8 h  d0 A3 P1 I这就是神经网络计算要做的事情。9 k+ P( f# c, n: ^2 ]0 U
3.什么是“深度学习”( Z1 V' m/ e- G" P+ `0 P4 i
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
; O: D2 ^6 H" @' w
) P8 C  d  z* ]) @5 }# j图片来自 hackernoon.com% A0 q2 y2 @# c* M
( r& I9 f- d7 U
它从左到右分为三层。# u3 t+ m' g6 q+ F
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。: C0 {- t0 h/ |8 [* d1 c% X# C4 V
第二层叫“隐藏层”。
5 B; U3 B  Q) m, W第三层是“输出层”。) U5 E2 f0 k' P% q2 A$ V
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。* y& o# p9 z( C. h8 q: B
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
+ d$ O# o/ G2 B% O: X! K( {' m1 i5 J2 E/ o
图片来自 Analytics India Magazine4 y1 k$ L- y- ~1 i5 C8 M1 ?( F# P
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。
7 n$ k! S' P4 n“深度”的字面意思就是层次比较“深”。' }6 l: j- j2 \) h
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。, n8 h& V, g4 E4 m+ e' s8 W
5 P! r/ F2 u# T% Q, }+ r' K
图片来自 Towards Data Science 网站
! e9 w% x- s6 J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 W) _5 s2 l6 d/ A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。
- f2 U, @, K9 i7 Y5 X* m  U
: m( S! w9 s& D4 F5 g5 }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。
4 ]2 n' l5 t% I
. Q" b" C1 t# v, u* W5 d. |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。2 a& L2 R5 r, g
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。, r# u  W2 n2 Z. ^, D* a, p) l
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。
1 |' T, P3 E5 C7 Q' c1 Y) ^所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。8 n# t! L* ^+ G
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”。
: ^) C  A5 t6 k, y) ~这就是神经元的基本原理。
, G& F7 b0 n; a" r/ V( ?, t* Q4 a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。 . H/ ?+ j4 B% `/ P* s* r( o

. C% N. d! G; T' A$ 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。
) C! D% }1 ~, ~神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
8 [2 m7 D' T+ b1 K' {7 z5 w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。/ @+ z/ H; I. k) e. ^
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。2 E' d/ J7 l  z1 U+ h5 a8 z
二、计算机如何识别手写数字. @, {. s/ b& p: M9 H1 [9 y
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。
( \* w1 B$ i, b7 a; u7 j4 s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。% Z, l% L% t0 Y9 d& ^; N
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?) {& g; y7 G3 k$ q7 G

0 Y2 ~4 l' C; v! [) P4 Q1. 简化) U) x. K9 p; [
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。# Z  w" Z1 H, u6 U" R: v
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。4 N" X) N, f' w" H. I
8 @1 T) b* o, M& g
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 d1 X1 h0 p5 t+ `( x$ n
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。
# z; [6 y  F, D  u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 ——   M* h& q# l, X' a
' x9 [& ]7 W- I: W+ }; Y
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×283 f3 f9 v' z1 L; [5 H. R
这就完全是一个数学问题了。0 u( h5 ]" T  i$ j! D
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。$ Z0 `# ?0 G9 [( q! A4 E/ v
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
2 k6 I$ @: T' [" N# w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。
4 U( U) J' ?7 y7 P8 h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。
! ?" I, b3 v3 M5 ]  o' z) `6 U然而,这种人为找规律的思路非常不可行。; s; j: U* H6 ^# a- k; l' ^5 C
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。' r5 H9 V2 C6 d9 H6 k; ^
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。
  s. l( o: v; u& K9 k3 P2. 设定/ ^7 e& _  t$ j- V* m
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。
, X9 x, ~% w* {/ N0 U! T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。
. z, B" o  s+ |/ K* }1 H. q
" w9 q$ I% M% _: g2 a2 {5 Y6 L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。
3 m9 H  B- M+ [, j5 R, ~第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
2 ~/ u! ]' j+ X0 J8 q第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。$ D9 e  t) M8 K

/ y  G  ?- I4 I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。
" g5 l9 b) A8 l, S& h3 S( k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。
/ [! ?1 b8 v3 _8 `( C  p, L& y" t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。" B2 K& [! }3 w& J
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。
- f. ~' v! D: k% [3. 训练
+ s3 K, P4 d, d+ x6 {% h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。
. s2 F& I! E9 z. x1 F  }0 c1 ]' U' S; w* V# y$ l; v
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 b6 f5 y7 D# o# \8 V$ T( R
# ?+ w. z5 F/ h
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。: Z5 B2 \8 V$ K. T: }5 @& o3 d

- K9 U0 x9 u6 J/ s1 Q: A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。
4 \3 m7 E( p0 u4 G9 K2 Q5 {$ Z) F) H
0 {6 D# w3 O( Y% H: Z+ H$ v2 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。
% _+ Z$ c# Y3 Z+ n( a, c参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
6 F* k) L8 R' u! U7 Q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。' I# A+ i. Y5 x3 I7 a: 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。
6 M. @$ S- y, |- }/ O- y: R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。$ j8 J1 g1 N# v0 N7 o  C$ `6 u
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。0 d' x1 K. v) A0 v0 B0 f9 K
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! 9 \: i% S& Q5 q# A8 z# R

$ G" i8 M: J; Z在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
6 w' p- w3 Z0 S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。* w" m! d  R/ a% W* ?" G2 g& `% N; q) X( c
三、卷积网络如何实现图像识别
* y6 z4 _% |5 ]. h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。
" i) b1 _% T- W5 g* w1.“笨办法”和人的办法
) d( N' e  S- e: K! A5 M$ U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。* j! I2 M. ~  Y) l1 a7 S$ C  h
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。
8 N0 n/ V7 Y; N. e% D) z) \* {/ S1 C9 B' x* a$ 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。
' ?  t' d% m  M& f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。; B" G: s5 F9 ^7 G* @6 s- F" J- v
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。- Y1 ?# s- V+ t; A( _( u
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。/ ^7 I# A( o* j( s8 y( s, o& v1 _, f
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。  q; [+ R2 I! D, e) P8 _, }3 o
这么多训练素材上哪找呢?) D; y, x: b& H* @& l* @
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。1 u6 O7 ~2 E9 m. R) U; _
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。3 f/ a* q; i# 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。
! H/ E; q" W" V
5 J/ j8 m4 Y# W  y3 I8 |2 |0 q: ?% b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”。
2 y0 c* J1 j5 ]# H6 ]+ q+ n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。
' e# Z! t" `& @" ]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”。
' U# e+ g( _6 W" V( D$ c6 z我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。, G2 R* x. v* q  ^8 I
2.竞赛5 j8 F1 j: e3 o( F4 |7 E# {
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。
6 [# i6 ], T7 e- f; K$ U; ]0 ]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。
. j# u: h/ q6 B. `' K0 T7 `% j) s- Q! A3 I! `7 I7 p
  ?% k1 i* F, ^5 R$ 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。
9 m  D: |  Z( |( M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。4 q, o! z! u( r5 B9 Y
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。
; I: `* `+ A# `& [4 o, B- Z/ C/ U; k% t) S1 E
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。+ ^6 v& p) U6 }8 O1 M
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
8 s0 `* N% o5 z+ S+ G3.卷积网络
+ V' |9 a4 C  d9 y9 ~$ |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。# B" L9 x1 I. H2 P
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。+ }& O& l! H: k/ @2 R9 q# C  m
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$ {4 B- p! h
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”。
- h" e! q- C# B$ D! {“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。
1 g" u' f" Z2 m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。& |! |: t2 m; ~$ [! p' Y6 \# A
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。5 l8 L; O/ G5 M' f  a! d( U4 p* c6 o4 V5 i
9 s% ]6 @/ |9 `+ n! K: P
图片来自cdn.edureka.co8 o2 j" L$ q3 p. e
5 h, Y5 A4 v: F5 h0 Q: a- L
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
" H+ h  Z0 t5 A. d, p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。/ y% f, o3 @% B' W9 T$ ^, D
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
+ B+ |9 |8 z1 g. F$ ~2 ^/ h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。
2 b# |: L6 U) Y1 Q1 J, u% ?7 dAlexNet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。
- y- n  k8 {6 K& w* d5 c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。' V" Z8 @/ z) _" N- v/ P
' W+ x! u" W, S  s- Q$ S
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。8 _5 G4 c/ s$ h& m  T7 w4 r

3 J; k( v" P  T; `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。3 j: l9 X  {4 d' Y
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。7 j0 Z' I9 t/ E- b: 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。3 U) {0 w6 m  B' U! J, Q4 X, k6 ]  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。
9 S- _! o1 [+ m; y- a* H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 Z3 \& N2 R' B/ d6 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。
* D+ ^6 A( |' x# I( L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)。
- R/ q3 O" W3 v  Z" @$ A* g7 s" Y( G5 m6 H$ O6 T7 r! T* ~
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
/ V9 z8 w6 w) Q5 ^* M: q0 h! b1 }% B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。
6 \) s% I2 K1 |9 t* x8 a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。+ }5 U3 R: x* p5 a- y# i
! Z8 E5 D7 o- R% e3 Y8 V
图片来自 Machine Learning Blog
0 G, k# R" b9 @( e2 N8 n
2 `/ {+ H/ V$ @& c8 ^. ]( t) q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。5 P4 e5 F: e" o1 |
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。
8 Z9 L0 P" k8 B' A* P/ ?7 G9 E) s, k1 t! R8 _: |' U
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。
9 ~/ h4 ^/ z' N* u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!, B) d2 ~7 Y' z/ E& x0 s7 C( b
" y6 _1 a% a3 E6 l! Q" i- g" v
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。
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0 q$ q7 q* t+ G% s: W5 J4.深度学习(不)能干什么
  S5 G2 N. g& GAlexNet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。
2 k4 U: I1 n! o2 o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。
' i" T; D' e2 `2 H* ?4 yGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。7 i8 z4 Q% S7 p4 U, D) a7 U* l
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。+ A5 H9 B1 G/ g
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。
# C& W8 L$ i9 `$ o6 X4 v& M- I& p深度学习能做一些令人赞叹的事情。5 u  t3 k. [! H9 Z( O$ k0 ]2 Z
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。4 z$ y8 k7 h( b  u
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。
; l- s2 K) D: o  Z, \但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。, Z3 h! b1 d! A$ W; I9 ^7 Y7 A
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。2 s6 ~/ x7 D- T5 v" O

# m5 D8 F) j$ c" K, X) R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。0 @( T% ^- V1 E7 }+ X- A" @% M
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。* S$ _. n2 l" j7 a9 }; l) c2 D8 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?8 V8 V, V- w% M, U" `! O. i& Y+ M
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。% k8 ]' v4 Y' b- D. T

. g) x  ~1 l/ h. g
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嘿,你在看吗?
0 i& U- q$ M- v" O6 S8 Z! ~$ D来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
. D( O' N/ m3 r8 O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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