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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。
* I8 p4 T, T- t, e- p- L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。
7 G. ^, Q* V* N, T% Q9 [读书笔记•人工智能
3 p  m: a/ O0 ~( d) T& @本文优质度:★★★+口感:拿铁
2 v: U0 y, ~6 W阅读前,笔记君邀你思考:0 ^: f/ ~+ Z7 H. I& ?
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。
0 ~1 p( f1 h) V; }3 f  v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”。
3 @3 g; w3 ^- t4 K以下,尽请欣赏~; Q4 ^9 i4 ]. F; n' G
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。
0 v! [9 ]% r" k# [# J, }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。
/ T, b6 w8 D# E! s* T6 M2016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。
( u" U' g( n- b  ~2 Z* L) k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。
6 E0 D. m: _4 J
. M5 t. q; x; [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。
; z1 P; n+ s: g) l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。8 w5 X3 K% l  R
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。. G& T! J+ s4 z5 D: }0 r3 z1 n
一、神经网络与深度学习2 Q# g, x9 ]( r( u% O+ B, ^
为什么要了解深度学习?
: g/ g3 U+ P. v, l( z" G2 I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。
- j8 h/ y0 `- }9 N$ t' R
+ a  C$ \0 ]7 ^# U▲ 长按图片保存可分享至朋友圈# C3 I" k% U$ R' S" u
( m" l' L( R# F! a) f3 _7 I
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。9 K, u0 b5 f. B& t! h4 B+ O3 m( w# j
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。
; p5 M! I' K' G' P, v我将重点使用两份参考资料:/ ?! e: g& t1 W1 q1 ~1 v% g5 y
& I- [) X8 t( L! d/ ?9 d+ 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)。* B4 L: {" c: k. v- R+ J7 L
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。
2 n) b( V' r0 ]6 H7 c% b5 D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。
1 y$ o7 B* ]6 K: D( v! k. 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。& l. s) d  P6 f5 ]+ m: r) K
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?% x: t$ q0 d$ U8 I: M! c4 L
1.没有规则的学习: n, x) c1 e$ u" H) 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。
. r. i6 E/ O5 m4 A( l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。
! d$ R! z! }% V: Y+ ^, f: ^首先来看人是怎么识别猫的。
6 ?" e  J/ X9 u3 o观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、, r! {1 f( T9 E4 y( [9 s5 s

9 ^% `4 n  w" r3 y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 G7 Y: J. p4 p+ N+ M+ K2 u3 ]) F/ i
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。' n3 _* O8 y* l0 `& u- ?
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。8 s9 t$ G4 X; e3 y$ k* k: ]" u
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
. t. l& _# T6 I: h
+ K# V! ~+ b0 q# |9 _2 E, i$ C图片来自 design.tutsplus.com
3 d: L- L5 U- x# b2 c! |
% d/ E$ y' J6 }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?" V% [3 q, F' C+ r" K* n* M$ Q
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。+ [; \: W3 [( m) f; l
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。
* w. U6 ^) v( }) k. n3 f0 P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?3 ^9 l- {# X0 h% V: _
2.神经网络
+ R, X2 T  ]1 n2 d, x4 t6 @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。
, D+ n( B8 B- F5 c& C' d/ 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。* T& g  s' [4 v- N# }  p' O/ E( ~
  S  P' T+ J# D( b
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。% q0 k% p! K) N0 r
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。$ k8 }1 h, A" q7 d: H5 {# V! O0 g: \
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?
; N$ u! k1 n, @9 {( {: K% ]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。
' Y6 D0 W. V7 a7 f/ }7 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。4 o& \' B+ ]  k  G$ w+ d1 E. q
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。
  N& c4 M+ k1 P, Z/ I) z" D& g; s- b$ |+ ^+ B
那计算机能不能效法大脑呢?9 e  U* f7 n9 I4 c; g( X
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。  o1 Q. M0 ?: o" ?5 M! C2 U
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
9 o3 R' u2 q2 e9 E) f# Z8 l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。/ r0 y6 _& l6 [6 L5 Q
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。: N2 `1 G6 ?( v3 w+ N( H
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。  R, v  q  U2 |6 d# \
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。
  ?4 m3 c5 U: x0 z& t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。7 v, w* [! y! w
这就是神经网络计算要做的事情。6 z* n0 q: o0 M, m$ H7 s5 ~7 {7 t
3.什么是“深度学习”
5 S2 k) M7 _( k" G下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 ( N1 b$ b' I; _) d

2 M; A/ F+ z3 I' D图片来自 hackernoon.com- ?9 `% `0 f/ e0 Q0 b( j  n

$ |. _; f; F; j( R' L) T它从左到右分为三层。
6 D' i3 R1 Q5 m8 O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。
  X5 [& H  Z1 J; g0 ~8 B第二层叫“隐藏层”。
5 Y4 G2 ?& F9 Q  ]  G1 x" D$ }第三层是“输出层”。
1 v( l& ?# o+ w% ?9 ], F" j6 j! 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。
: b4 s5 u" S# E4 u8 w从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
! F, \* ]* P. K
+ |7 M- l" \& Z( [: \& B) n/ A% M* F图片来自 Analytics India Magazine
, ^) Q4 O/ M' p* b6 {- ~' V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。* {: J) M/ [( f6 {. x* ^% g
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
1 Q+ y' P; H4 \# H& R1 a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。
0 N6 m4 V* M2 \
9 _" p6 Y# V) E" o4 t9 o7 m2 k+ }图片来自 Towards Data Science 网站
0 N. \# m2 E6 t; k* N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。
3 L, E! W# X# o: E& Y* Y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。
( s! s9 g4 E% Y7 T5 s. y+ h7 _  }6 n" P- g
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。 ' M5 f# x2 F+ F2 r' F7 N7 \; N

0 w- @" C1 O. C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。
% H9 D/ _7 [% P" b6 ?" @( h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。) ~" [5 P! G  u/ e$ v3 u2 }& I
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。
- B9 y# u; j8 P1 m" ^1 h  q: `所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
/ g, X4 z) P+ |- G% C: s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”。
$ d9 {2 d7 I6 Y2 ~/ r这就是神经元的基本原理。9 n& G# {* i  _; Q
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。
, t1 q1 U) Z& z- t* b* Z2 ]
( M: T0 {2 W  s: C% }# R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。2 h7 A7 z1 R4 }7 v- k2 S# W# D
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。. T, y7 Z+ z8 Z7 O- D6 g
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 B3 K7 Z2 S6 p, ?8 N
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。
7 S) T. a6 w, \; A' l  ~5 t& W7 O% K1 w二、计算机如何识别手写数字, q+ s- k) a+ l' S
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。' C; G! x7 j. H; o6 {
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。
* e' v$ b4 r4 s; S) r& n& n- i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?
  _) Q) R1 q1 \& ?: G% @
$ Y" s( C; G, |, Q  g) C" M/ e, [" B1. 简化
" B. j6 k7 v; Q. `3 [0 P8 _5 L0 l想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。1 T2 l3 C1 u* Z% f; B& R1 r$ \1 A
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。& c9 X* a2 s' v2 f) M$ n

4 e  v# P% a5 R: n3 t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?
; A. K) {  l; k& k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。
5 d4 ]( c1 k! ?( ?4 n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 —— + o% c6 v2 g2 [/ d- w$ E
  p5 r+ n+ T6 r: r' ^) S- ^$ u
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×286 Y" y2 ]( P8 }) f
这就完全是一个数学问题了。+ ?8 N* E" t! h9 [
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。
3 Y. ~; f4 K6 e! M这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
$ w/ }% b0 f: {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。" z7 t% z3 z' }$ R/ X7 O! A  K
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。
+ U+ z# p0 [) Z4 Z' F然而,这种人为找规律的思路非常不可行。% A* B& ^8 N  T; l- s2 I) O' [/ |2 b
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。2 T8 ?6 v+ ?$ t* 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。; i6 Y/ R( C" o) L$ F8 a
2. 设定6 s7 |& y9 J# v! R+ 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。
' Z9 J4 f( U$ ^& Z* B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。" f5 g1 [( |9 S, S' j

' I/ d) N3 F  |' A* A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。
+ ^& N; k/ ]; B. m# l7 @第二层是隐藏层,由15个神经元组成。4 m: A$ t5 Q( `$ \+ b
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。* D6 |6 Q; I5 h/ }/ N! y7 H7 O8 c( N

+ q6 r* ?' y) F+ G0 J6 M8 p8 E5 p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。* o: n+ K* [+ r% y7 k- t
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。
6 a: a) E* |* A( ?' `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。. a) M/ D3 v$ E+ X6 j+ h% b* q& `! 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。) |3 s9 d: M2 c; @. Q
3. 训练
8 f, p% @6 i# J; q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。0 C9 p1 E* Y0 N6 P, A
. V4 y5 U( ]; \8 ]1 O/ ~" b. Z
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。
( X/ ]3 M% g8 M3 A
& i, j2 u$ |9 _7 Y0 T: M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。
5 [4 K4 x2 [0 h, h" s! ]: @# n8 ~3 r$ L' q6 P0 Y9 a! M, X% E
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。/ f: X9 ]1 k$ O2 s  N! S

4 h6 D* F" j4 o3 E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。) E) t7 ?" F1 H: ]' l; Z9 u4 s+ Z
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。! b9 M) `! p' m" h" w* h
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。
7 @' |# M3 t" ~, n* C1 P0 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。1 l% p7 f$ b0 ]
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。
, `8 z9 H: D6 x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。
* E# T& t7 O6 y2 q3 l3 `7 J事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! ' i1 Q- R7 |# h
: D! g, g8 n/ [
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
8 }# T% W7 d5 D7 p& Q! D! w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。  q# E5 O- C" K  @
三、卷积网络如何实现图像识别/ H/ R! G& Z* m; O5 m" 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。
; i( C, G: w) [1.“笨办法”和人的办法9 B7 ~6 p) U; A, J! q% q, @  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。
; K7 b1 u: k8 {/ y" P1 o0 X' \  D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。$ L' B" S  ]) H! F1 W, z! J
" i5 `/ C7 N0 O4 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。
9 Q9 Z" X4 a) ]0 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。0 @& ~' D: ^, Z, 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。3 A$ p  m7 Y) y7 }6 |/ k% 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。
! o( q3 r$ V; @4 r, ^& h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。- A, P3 P0 B( ~- q' p3 H
这么多训练素材上哪找呢?* H2 Q/ C. C9 s* a" }# S2 u
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。
/ n& l4 b5 @% v0 x1 Q1 y( I现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
8 y) T+ H1 c/ g6 T( ^* 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。
# F1 \8 J- P  R* t- M
) s/ ^4 R( z/ w& w9 @; 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”。
1 k! O& ]  }0 w* D6 b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。* l5 c- ?5 J8 N6 ]
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”。
, P1 n& c6 b/ O% l我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。/ e6 O9 [+ R# K  S$ F, r; |( f5 d; g
2.竞赛
! ?9 o2 |+ x9 e3 M  U+ l8 ~; h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。
, f5 R* q8 T0 D+ c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。
- |* M8 H9 Z8 ~
6 ~; K  I8 P7 C" f8 w3 c9 Y! J' |- L! }' G: o+ O) X: X# |
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。) O5 V# f  w% y" _; d9 {# A7 g
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。2 u0 D4 s, r1 q2 J8 q2 X0 o- ~
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。
- N0 q  J4 I# M. K- F# T2 g, E! b" L7 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。
' S' p7 E9 B* @4 U) b那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
7 S& ~: e* j& M; M1 w0 x  `3.卷积网络
; n& a7 @# ]6 v+ u3 t5 U' V2012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。: j' ?& X3 U" W) [* J1 ]
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 m$ @! g; R. A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” 。& b& G. L* a% ]+ O7 b- g# D) w
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 H! f! f! b2 Y; |7 `& K; A4 m* t
“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 G& t$ G- R5 Q- g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。) m8 v, V& @0 c, n) t
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。
3 m4 H3 x$ C, D$ p: X3 S* W( n  q+ j+ t* y7 f' X1 o  {2 U
图片来自cdn.edureka.co
1 c9 n+ s* H! o* v* V8 y9 w7 D, m. e: g5 b! s% p
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
5 t: S& y) j$ A2 O: L* 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。& g$ w9 w) ~, O7 o2 [6 _, h
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。- d/ k' Z. o8 p* E" w- h& b, u; l
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。$ S, R4 f4 o3 X- X
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。% Q. Y7 T8 r2 _6 g! O# r
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。
8 S: @2 m! V9 R% v1 f) ]$ W9 V/ J1 x
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。. }+ J$ O3 g/ O( Y2 q9 [2 m& i

  S4 e7 _3 Y( g0 v% i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。
* ~2 {* Z. z) T6 Y0 o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。; S' v8 ?+ _: Y4 w. c$ I
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。
% y3 S  u  F% ]9 C- s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。$ a5 k# K8 s1 V# l" ]: k7 C
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。
5 w& H; J& R7 D6 `/ m4 M! O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。, ]( c1 t* H0 S" c
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)。, ?, g' j0 g8 y  h
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
2 J$ ~( @* C3 [) V2 l3 {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) w- d( s/ T2 H/ N, I5 |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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图片来自 Machine Learning Blog
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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。
6 g% J, e' e  H6 ]" f: A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。* w% w7 E- C8 N( @1 {/ P" ]6 [
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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。
- _, X, r6 P) D  t+ Z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!
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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。* z. z( ~& O) x- x1 H
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4.深度学习(不)能干什么
# G3 t3 S6 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。/ w/ Q( {7 K% t6 m2 ?8 H8 n8 C
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。
- `. Q! C; m  oGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
6 ~! r' L$ Q5 i  S8 r& W2 h: b+ T2 I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 h# @  e/ s9 ^8 A( @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。
% j6 k( v- B2 i) M深度学习能做一些令人赞叹的事情。0 j3 q2 S; [0 t
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。
1 \' ]' e! [0 E- u9 k& Y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。/ n  s$ [( H* N3 I% S  H4 M9 Q
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。( e4 o- W3 c9 U8 y+ s! C2 K$ ^
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。& }, ~9 G" c7 w

8 k! s0 A6 T  m4 Z$ b- d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。
3 [9 Y; D$ ^7 q2 h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。
9 J! w" T+ ]; ]  [! h; ?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?3 r9 K" ]; _7 s2 ]/ `7 f4 W8 N/ `0 r' |$ _
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?7 v3 Q$ R% f; V8 w, _6 i" |; y2 N1 m$ k
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw& m7 t0 k% g- D, c5 K
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