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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 22:25:16 | 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。
4 j2 ~' t& l# I9 B; @0 }2 F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。
* A0 b4 q7 f. e! E. R6 \读书笔记•人工智能; @) l! ?; h3 P
本文优质度:★★★+口感:拿铁
9 d, j/ h: t! z6 C% g阅读前,笔记君邀你思考:
8 m" t0 o0 ?' g6 Y& Y$ R3 {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。
5 g) l6 ~/ G6 F) h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 I1 b0 b$ A: h3 m以下,尽请欣赏~: a2 F' B% r$ d: _( c( 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。8 o3 F% U% n/ _
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。, g7 U  m$ v* [8 j- G9 X- w# R' ]
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。
: f, E' [" V6 I: y) W& u/ 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。
& x: V0 o4 i. ]& ~  p) m
* r& Z! p1 a" z, K. h2019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。$ Y+ S7 ?) L/ P: u) G7 X
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。: I8 `1 a0 _+ j1 G9 Y2 B
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。' H. k3 i& f( z  i
一、神经网络与深度学习
) e0 K$ U+ }4 O  \& g, B4 o为什么要了解深度学习?7 Y$ n& x) l$ N8 y3 B3 Y$ 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。
, Z3 S' C& E; C. x9 J% a
' y- u( |8 Q$ R$ i' \9 m" p, ?▲ 长按图片保存可分享至朋友圈, F8 D- k9 Y- Q% w+ A2 ]
6 v" f, G' o* ]/ x9 `  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 M* V, C  _) i, ~" m. L/ K
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。
* e' o* e9 j' a5 E7 Y我将重点使用两份参考资料:0 s2 N8 Q+ o7 s
, m: ^5 k, z  z# ]+ J; B
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)。  b# l6 p0 D3 D
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。% v0 ?4 f7 o5 O; t  j2 ?; u
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。
" w/ A5 [  m2 H2 D% A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。
7 b; j0 ]( J* ~) {/ |5 u3 `; 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?
+ a, u5 V2 x( M1 x! M+ M( q" v' x1.没有规则的学习
+ z' H( D: d- \8 ]( G1 N4 Y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。/ {9 `& w: k3 s- l( c
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。
1 Q! V" W6 u3 [: }首先来看人是怎么识别猫的。7 w3 J' v( V* E0 U4 L8 D$ f& h
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
' R9 P) g+ V. L3 w
' P' y' P. W/ F# O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?
7 u1 @6 u8 x- Y6 ^4 r; z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。
$ a4 |) G0 T/ F+ \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。" k/ {+ ^& f% R3 [$ t1 }/ R% [8 F
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?4 w% _' u9 k# `4 e. B4 C7 y  a

& I& `0 U- p/ ]# [; o! ?图片来自 design.tutsplus.com7 E  Z3 |& z: n3 R# E9 r% U/ q
* d8 r9 ~0 f% t1 N4 X5 C
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?0 j9 S, E  \/ Y  J1 z% 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。5 R1 W# P- o& ~8 I
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。* s! v8 Z* G: @
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?- A6 ^8 I! I2 x9 G
2.神经网络' G5 ?+ y0 \& y* G& ]& |
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。
% I1 m+ m' w0 h* M8 @* e/ x《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( ~( U9 Y' h9 N% O' O5 P' o9 L% _  d9 J! Y3 Y& I6 O5 m
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。8 D+ h- b9 L) ^! |, m1 k4 `( ]
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。
' f+ J: U8 V6 z& M; x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?
% @3 x0 P" 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。. Q9 C% k+ l- _$ u
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。, h# P' x- v: {. W, ~) ^) q4 [
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。
/ A# O9 j7 p7 T( @. k: `
+ u+ E* P- x  }. S0 S9 ]  H" }那计算机能不能效法大脑呢?
! h/ E4 V" P& I9 Q7 M谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。$ m( F: R+ K/ U% M& p: k7 e
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。/ j" g4 d& K1 |1 {1 a/ N6 O, r
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。8 c  L! O3 W8 b
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
' M2 V9 f* U; c. y$ O5 r7 K$ G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。
$ j0 t) D. K8 ]- X+ f2 f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。
1 L( y3 F  |- V# N8 h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。
1 h' O7 |; b$ [3 m/ p: w4 T这就是神经网络计算要做的事情。6 O4 ]4 A! @- r# i2 z
3.什么是“深度学习”) a" ]# Z$ l" d
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 " f- L5 Y2 C" z6 e. ?; j
% ?6 _6 E+ l: G4 N" Z- d6 V, n
图片来自 hackernoon.com5 V3 o& `! Z" k/ q+ c

! A) w! b. n) u+ U1 F它从左到右分为三层。; \+ v6 z" b# P" Z, Y" \
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。% r7 d4 E; v9 P) y. ^$ M
第二层叫“隐藏层”。) R" ?3 D  w6 T7 d
第三层是“输出层”。3 u1 a* d2 _! q) j
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。
4 |  |4 a* p  B8 n. B4 z0 q从下面这张图,你可以看到它的运行过程。3 j! }9 P7 a' t2 |- |
# N3 q8 B7 j6 K
图片来自 Analytics India Magazine& f0 M# j( ]8 }' B4 J7 Z& S
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。& q" V; p! ^! O) M4 Q/ `
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
& U- \& K8 |( {' X% b# J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。; s6 E  ~/ ]6 w6 l+ l3 u/ M. M

" p( E1 t3 x1 [) w  p图片来自 Towards Data Science 网站
/ Z' C1 ^+ O/ x5 Q* m% x/ e0 O2 e/ k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。  D% E; Z4 P; A- b
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。" [8 i! F. |# ^# Z
9 h4 V- v5 X9 D4 f: 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。 ( R0 Z- d' r" W2 \& a& y3 R  J9 O
. z7 ^  P: K7 _, `# u& 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。
& B9 @; ^) U5 d9 [5 V* _$ `" A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。
* G  `: J  E. p9 I3 ]) ^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。5 n" z& q% G1 k8 e+ Y3 [9 U
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
  k* e6 A& Y/ x. y+ {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”。) C2 B6 D/ H$ x  l5 b; O7 g6 h
这就是神经元的基本原理。7 F3 X: ]& ?  X: L* X
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。
' ^3 [" ~! u1 `% N9 q% g
) ^3 s0 k0 P' u+ t  Y6 ^: v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。8 i2 s0 B) T4 N& m0 z
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。5 z: `* K/ m& }
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。1 ~+ j# x  X% d' y9 R2 f
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。
0 o: F5 m$ W* W7 w+ r6 C二、计算机如何识别手写数字
4 o) D& }8 p6 z) L1 m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。
; r7 Y3 A! ~. {: e0 o1 g+ \6 r/ o4 M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。
( ~& H, b4 i9 Z/ l* 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?" Y) C+ g2 ]: U. D# v  D
# _4 A- _5 g& O  Y) M, U! R# ^2 M
1. 简化( Y! j+ J9 S$ s% R3 [
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。- y/ a7 B! K& J0 l6 i3 @+ Q8 ~" \9 e( 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。
, Q3 D6 g5 ~* H8 r. x4 Q
. n5 p  }" z, g1 T  u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?
# Q0 A& o& x0 Y$ r. ]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。
- D5 m" y6 v/ f: d; J% m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 —— + V8 z9 Y  [) @. A
  C4 L4 k) c( T* M  b- r
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28- C$ x" p" ]) X3 y
这就完全是一个数学问题了。* p' e: E5 r- P# s" Z( T
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。5 n7 J* N5 x8 J& j3 r6 t
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
2 G1 k5 Z$ _6 v% }2 Z3 G& B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- i: Z8 h; N9 f
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。
  q# m3 j/ x4 a2 P, \4 R然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
: E4 E( k1 C) B2 o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。
7 W2 N% J$ Y5 h( V* N4 s6 L) v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。
' k: P* z& @- d7 ~( Z2. 设定
& n  _0 w0 T7 E1 K% Z1 e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 L8 h" t6 x8 n9 E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。: _  S( _; X7 N
* B9 d- j) r8 r7 C* j4 r0 n
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 e' M: ^6 M3 M' Z: r" U
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。+ G, W7 Q: P9 Y" ]
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
) ]) R9 k% U' [5 t: h
. @/ n. u9 ]- ~! ?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。1 g9 [7 b5 L' R  f" f* 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。+ Q8 D0 p4 [: {: t0 h
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。
5 ~6 I( r- C: r- F- l$ B  p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。. r9 u$ `4 v; x) z
3. 训练. r$ U3 e' o( M5 O* v  X
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。
* U1 L9 d0 o1 e5 Y+ ]/ b9 ^4 J8 O9 _. A6 `
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。
. m; L; T9 |% t" R( H
# Z6 c6 [: \% U8 Y+ h/ F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。  q* |% w6 |% Q$ D% d

- M1 J$ w1 J/ h6 @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。
9 B" U. X3 X% w
* D' w0 G; H2 f/ e0 V+ L. d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。
/ W% o9 `( ^# c/ b' |参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
/ S2 ?/ ]6 m# E1 s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。0 b0 T' H0 ]/ A, h2 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。
+ v9 P' S! B2 K3 o+ i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。
9 `3 A; j5 k1 K) W9 `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。# u, V' O! V' ^6 V. L# y+ B- g
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! 8 \9 l# C" T" g0 b0 e7 y. X

5 \! n( l8 f. r1 H在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
: n( \) r. C' O" G' j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。
6 ?2 A% g! j: O, v$ {8 k5 y三、卷积网络如何实现图像识别
: P+ W+ _  Y4 L4 A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。; N  i2 G" P/ y; a/ J1 w
1.“笨办法”和人的办法
" a7 h) s& C6 ]1 |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。
8 [, r+ F8 D, U) r, j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。, s; j7 A* Z: y+ j
0 k6 _7 v% l! ?6 [  v7 m. D
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。$ B# k' k7 c5 {6 j& s% ^
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 a/ C3 ?5 R* K, @1 C( U4 g
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。
. S3 o8 d, k! g" r5 v/ o; f- k  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。
, N/ c5 P0 D9 P  Y% M! }. G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。% [3 |- y0 e+ ^8 [4 r
这么多训练素材上哪找呢?
6 u9 G) p0 f6 M) L7 S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。2 h& Q8 e) t" ]9 ]! z! R
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 F: Y/ V; g2 }% e& v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。
. f: j, C* `' Y6 B; E
, P; ]; P) r* j, i9 v5 f, d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”。4 o& |' _% @5 C/ `8 r
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。
7 q6 v8 Y/ y3 \9 y. R7 r! z) E! |3 N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”。
' A+ P0 g( p0 T8 O2 N2 s我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
- r2 ~" ~1 m- J) ~. \# k* j2.竞赛
/ V% J$ ^# L, N& P; f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。; R) {( R+ F' a- I0 f
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。
0 Q( T, B  g2 L
5 h% o/ U; T0 @0 l; v
2 T2 O' z! t  O! b8 I3 h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。% r* y  j; O! 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。1 Z4 V; n4 W9 j7 c6 d
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。
3 I. _$ [3 j6 i9 w' i* }: s% G4 K7 f9 R7 N
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。
# d" _' v) {. S# r- q那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。( }6 R; A/ G4 }8 [3 d9 }
3.卷积网络5 m' e9 C/ p1 p; h) P9 m
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。
9 c- y0 t+ f2 o/ ?7 B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。
% D# A  B, M; g5 o! G$ W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 ?; a& t4 b9 Z4 p1 B
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”。
4 H* |% F* U! t& y$ b8 v; A. Z/ A. y! J“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。( h5 j/ V7 g$ b
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。1 U' g! t# T& @7 g
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。: U) D* ?8 v" |$ Z
' O( C) `/ ?9 y0 t6 V$ Y
图片来自cdn.edureka.co, a, D$ ~: V  ?3 x
7 p1 L3 k" M; B1 |) w
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
5 }2 W# Y& V, \0 o+ \9 m6 K3 C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。
; g1 p- Z3 b6 }+ m. [+ z第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。. q( W  Q$ p$ T
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。
+ p# Q* Y' L: ~% y0 L1 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。
- |8 E) d% I' ?- ^& }2 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。5 s* U2 _, `/ U$ v* u* |# J. ?/ w
( ~) R" U( m9 f: q& 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。3 J# l+ g9 D- O4 P
. V" j& m: ^$ D! d
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。" W7 |* x+ z. i1 @7 I" A1 Q* 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。# z* C& x7 N( N, V( R+ h
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。
# b# ~8 h/ \. r" ?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 {6 |6 d  J4 ~; h& T' I6 Z6 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。
" c  ^% z& d! o9 p, u0 q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。- j% L# v. Z4 o
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)。
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression4 b7 b/ Z( }3 D8 t8 F4 a* b. v
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。
' f! L9 B3 z% @, h8 K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。7 u+ m* s' S, ?/ x
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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。
9 q+ H3 d# K/ N) Z2 q9 b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。
/ }; Z8 @  M+ }) i9 @7 X8 a1 q, ~6 |3 c8 \( D7 g
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。
7 m( T2 W& o& W+ N. }2 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!3 @, ^1 _& F8 K/ w" h

3 C+ B* S. k1 B) h! o- \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。5 ]+ C$ b: G4 D* H7 L  @! C

* G4 y' F) M* \" ]5 r! C4.深度学习(不)能干什么3 M$ h4 l! U8 Z, l$ b
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。! \; {$ n0 `0 w
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。
2 w9 L" X8 f7 @/ z) `  HGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
" _2 I0 [7 s2 R- F# Q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。) S) |  q# m2 D
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。
) O. c+ ?; A$ r/ z深度学习能做一些令人赞叹的事情。7 }* C$ j) q* v7 _
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。7 |+ L8 K! D8 `1 a
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。
& [# u4 p' v+ `8 X* W! ^9 C- z但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。# X2 R( {% J8 C" r
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。; s+ l" |: S! E% S

0 L: V1 x. B" x9 Y' S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 c, F# }& y+ {2 s7 J3 R- O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' n  j' b4 ?: P8 _* 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?. l; J/ Y* i2 s! Z/ I+ o% v$ S) h
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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* I9 ?, O% Q: j* J嘿,你在看吗?8 Z& w" t$ B' A3 w
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
* b* ~9 _2 U4 y8 d! A- C( n" u6 Q4 l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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