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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。* q3 |7 N, F, e3 Z; y
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。
8 R7 o) N0 d& B- B读书笔记•人工智能
+ k1 j' D- J' e6 I本文优质度:★★★+口感:拿铁
, ?2 \7 I& G, z0 \阅读前,笔记君邀你思考:6 W% r& W0 H2 G7 v3 I6 n1 ~
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。7 ^# K3 J0 G) F3 T1 G. p' C7 ]7 L
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”。( m9 Z* `- A$ b
以下,尽请欣赏~
7 C- n# i7 x# r. Y1956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 n2 T, p+ b; L8 T: g
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。- d! q) G; {5 D8 `* C: \
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。
& k& t- I0 H3 g5 ^* ], D3 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。
8 F7 V6 |* }! r$ W$ J3 `5 G  D) c+ C2 z2 T% c8 Q; J0 l
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。
/ l" \% X" g) F! r- {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。
) [) H, C* A4 E; 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。3 x, `& `  @, h
一、神经网络与深度学习$ e" ]2 W' ~4 Y5 u" q: _8 n% n  b
为什么要了解深度学习?! V, D: G; B* ]' n" a% ]
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。1 ]3 w# A' o, R; q3 V
" ?7 i9 D% ]% j! `
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
5 \9 v- C6 r: p  O1 z% ~  W" E! i' w) P  D4 U" T
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。3 f5 L& C! L, I% N: ^, U
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。
: N* }) V% i4 X& r! P& Z' D: e我将重点使用两份参考资料:
2 ]2 c" I, v$ h6 R2 R1 S! ~
) _) @  i* V4 q" r9 x) {. K, S# P2 h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)。" [9 r2 U, Q9 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。
0 f8 j1 e9 G3 h2 l* J/ _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" B$ v, w- a5 R( L- w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。
! H2 q8 C8 R0 b7 w4 \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?% J. |9 H5 Y1 q& Q- {! H0 {
1.没有规则的学习
: q. u" y/ N4 k  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。5 [9 G' H' H8 V- N
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。
* K4 a* `. P, E首先来看人是怎么识别猫的。" p) J! E! T6 b" O: H! I
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、, W6 U2 y. b% Z9 }* P9 [" C1 y

' f+ f& s: J7 `# 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?
' f0 m5 c* S  R; T- V6 d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。5 B. d9 a0 P2 }; Q" P  a
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。
* b5 p! Z7 R+ X# d6 ?/ n7 M再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
  `3 Y% e$ G' [, Z9 @
; K, }% T1 D4 Z! b1 X* o, O6 n图片来自 design.tutsplus.com
6 `  @; b( F  Q' D0 Y+ O+ a) d( z* t" W0 L: B  `% A
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?
; C  {) w9 z2 U2 K: w% g" j7 M6 h, H! L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+ l6 c3 i+ n- R; q
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。$ r1 H% u+ R/ M: o) }
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?0 ~. L8 H) G! X6 [5 D
2.神经网络
9 i& E: a* }" W1 f$ 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。! j+ }# m8 q$ V3 a/ ]% h
《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。( |) R7 Z# |2 w2 v4 S& X
( O" I2 u$ E& Q
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。
& ~6 a( ?& t$ m3 l% ^) W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。; A; [+ g- t0 ~9 Q* H
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?
# Z# C0 ]; S( ~, n# j3 c7 z$ _' d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。
; U, l5 h' H( B* L& w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 y6 d% B4 a. w- j& U
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。
' k/ E( V- A4 Q9 k6 g: q; v) W% m
那计算机能不能效法大脑呢?7 b- m1 T" o+ t) }( _
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
$ g2 [: j9 D8 Q- O第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
! F2 h' y  j7 n' S% p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。
" ]$ }' b8 J+ U! S/ E第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。, d9 A, g$ K0 ~; f: B
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。
' U; o7 r2 P4 v' Y1 w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。
( W$ v  B8 m7 V2 q+ {0 g" D9 N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。
! u( e" z: k; M8 f% k! w. |这就是神经网络计算要做的事情。( w- V, p5 U7 r4 u$ i6 D" q* F
3.什么是“深度学习”
8 p# M) y- [8 C/ C, L: o. W! F下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
, z8 P; [# f# K' E; y+ `3 l% B- S4 O* _1 L
图片来自 hackernoon.com
+ {- g$ `) y# c* k: O& V& H: g7 R6 O* o. V6 E: T! z" h) T* I
它从左到右分为三层。
2 ^2 Z6 T8 j1 }% L- C3 @6 K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。
, _- \( v# r9 F7 O1 O5 S第二层叫“隐藏层”。
2 ~9 _$ ?5 d/ b第三层是“输出层”。
. Q$ z# n1 \5 k! R7 N0 G5 u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。
/ ~7 p9 z5 C! T2 ?; y5 ~从下面这张图,你可以看到它的运行过程。- i2 {  M" G. h* Y

- D' F; ^$ E; ]. D3 j6 Q6 |- U图片来自 Analytics India Magazine
7 p$ N$ b$ P6 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。9 M& J0 ^( p) c6 v  h
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。; v+ K1 z) U) L. N$ r
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。
" _) o" E, c+ a& [# b- B, h2 r/ V) J3 M+ f& E! W
图片来自 Towards Data Science 网站) G5 ?7 n# l# 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。* a  n4 N8 x1 z" A  A: O
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。
3 l. n& k: E; O- V  |2 q! \( s0 k! R. r. 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。
% J7 n# ], S: U  l# j) @& q/ m
  g8 i: H0 B' _8 V# f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。
% k- k% R( c0 p$ U) e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。
( K3 D4 F0 R  ^( u) {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。
: v) O3 {- ]) m+ P' @所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
9 q4 p* n2 [% I1 v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”。4 O: I7 j* M! t9 b
这就是神经元的基本原理。
, T7 M; k4 Y( I3 M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- K5 t/ N3 G- K; ?$ V' x( e% h1 a6 P' {1 h
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。
1 z$ l/ K  C( I0 O' ?+ k神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
* q2 [# H, U) ^8 v, r5 U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。
0 Q* J5 [5 }+ A, H( z2 r0 l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。4 k. j9 \: x9 u6 V6 {6 w2 w. z
二、计算机如何识别手写数字' t8 y- r1 E8 |
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。, I0 i; w; x: F, ~! r# n  v6 }
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。
0 E$ M  G. Q$ i+ |: b. u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?
1 _, J: E: U/ c; x7 I: ]7 o, B  a; q6 a
1. 简化
+ J. a0 ?8 ?* j, X) y6 U4 O想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。+ f$ D  y& ?! z" X/ j; U
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。
) O9 e' {$ ^+ W8 P0 K/ h! m7 I1 W  O* R% B0 [* E
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?+ _: t% p0 T  N4 r$ `. 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。) k6 s' M& S: S& ~) 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 ——
' q; w+ k. a- w& C( p, }# J- T5 i5 ?9 t: u$ k; c
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
7 g. Y6 h8 t- K- a* x. b' U5 Y这就完全是一个数学问题了。
2 d% T1 h* C8 w, ?" v; m9 u* E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。* r* z, e$ U# @/ v+ X
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
( B0 C8 a# r3 O$ G' J/ t$ d/ k( K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。
7 @) o( X% P5 Y8 c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。
6 T& i% K& p( F# e4 p1 {' S然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
; w3 o, g' j; y* E; E( T' d4 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。
+ Z9 t2 M/ `+ I9 t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。  g& w1 u8 X) ?4 C
2. 设定
6 ^4 S8 v1 k& S; _$ g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。0 A1 w; f4 Z8 R) l; 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。5 I7 d3 @6 t( `: q
( b) c  _/ Q" L4 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。: E  X, `3 z/ _6 S3 M# X
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。7 U  y) s. o! I2 q
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
. l  V% n& k# N7 I& M$ ?% ~& R  E9 H1 F
6 P% d+ \& F; G4 s! }* X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。
3 Z- g! l4 {7 B0 r  C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& ]3 C2 E7 U* W( X5 |8 e( \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。/ Z" U1 E  p- ~( X8 ^  N' |
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。
6 D6 \2 j. m) ]. R3. 训练- D. d5 N) H  O. n; t5 w
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。/ H( u3 u( e. a

$ ~! E4 _3 |- q4 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。
- F; L+ p' v7 ~; V/ `
2 y% C* F* F6 i3 [" 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。
& b) a$ a2 ^9 G( d9 _; }- d# Z3 r; Q- Q/ U2 ?- }  G
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 J1 r2 R( P# m/ {# J$ Q3 e+ q
+ ]) s5 H( S, l6 ^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。9 n* }- i8 W" P  h- ?
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。+ Y* H0 U- x0 ]7 y& M' f! P
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。
4 M2 {6 b1 p. s* p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。2 a) F" b. m  @' w0 ~
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。
! e% C1 K( W9 K8 z% [, |: E6 r% R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。
6 B- e3 f$ R3 d2 D1 l" m事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
* V6 t9 u  c1 p& L, K4 [% v% x/ ?* M: A" d4 s# p) @  V# k
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。9 k, M9 f$ G) @
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 K( o% Q; h
三、卷积网络如何实现图像识别
' E# Q; C/ E. g; [. l7 d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。7 h, Y- v, x  V- U7 y: X- M
1.“笨办法”和人的办法* C" B1 C% W( Y* k1 m  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。' i. o- f8 \- |; E  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。
/ n& c- v; C9 z% P6 i7 M( v2 W  O) Y# S) f9 U* v, N  g0 @
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。
, E; `+ T6 X9 K$ r% Y; Z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。( c4 f, B5 I$ @
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。" l" T4 Z8 s/ p, l$ m
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 C/ o9 d' X* @7 A7 D+ \. o% ]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。6 f0 W4 V  k6 e: `
这么多训练素材上哪找呢?
, Z' ~2 M5 U$ q( y+ p. n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 i1 {1 @( K8 _( p
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
# C; }) R8 a7 E; i9 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。
  l: v0 l1 M$ x! |: K
" I! u( `) E* p2 j) m& n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 n, h' e* B! O8 }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。
! _& w; v4 Y, d0 Z2 u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”。- M# S; b( G+ R5 z
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。7 h4 r! e$ z& A9 g
2.竞赛! L3 L- b/ C  ?9 T7 [% A
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。, `: J0 |6 z+ A3 o3 `5 Z7 d+ O
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。! y7 ^3 J7 W$ ^% i& t

  `9 P5 @& E0 R- d, S' J6 |: v# E8 I7 h1 Y) r
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。! Z! f+ n1 S' x( T
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。9 X) F7 U* d+ i- R
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。/ z% P8 w! i: L; E/ z% \9 u5 c
! b6 A/ r; ?% P/ f2 P
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 N; A2 r# x4 ^0 b$ R" t! V: V( r
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。( h, J. C: `6 B' X
3.卷积网络
3 Q4 N7 B/ s) k2012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。
, U4 a* }0 f" D4 u' U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。
) v8 C4 W& o5 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” 。
% X" O+ x: o0 k0 ^* g9 W; \1 B' R0 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”。. [% D5 p! i0 Y' O: m
“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。; ^0 U( O9 ~4 G- d2 \: e1 J0 U2 X
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。/ u9 f: [5 h) e2 ^! ?* I" w  a( [  c
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。. f0 u$ P. {* t; k1 a+ [
; V. p4 Y8 Z) A+ P
图片来自cdn.edureka.co
- n4 h  _; b- ~+ v" G" n9 z
0 T5 R. e; r+ n; q# b第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。9 `, P. a5 \* C. R3 l. v
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。
1 r/ f; S2 K% J2 `第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。1 ~% e. p! [, W: m. f( `8 D4 d; t1 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。
! V" h5 M6 _' q* N! 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。" t0 e7 J2 {: ^, 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。) N0 l' x' D0 f( K7 s' Y
, {: ?. R  I. B" m3 U* r/ ~5 x/ Z9 Q0 b
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。: s3 h4 a$ y3 \' I! i. h" Y. a
* ?3 I3 w" M, r( [# P0 @4 B. }
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。8 a/ ]* W! D+ B8 x9 Q4 o+ }) c1 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。2 F! k& b3 S) X
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。1 b0 f+ h: J/ v5 o* P1 x, \) G4 q& i/ t
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。
. k3 f6 u: ~  d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。! Z) P! X! g& O. v4 @
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。2 P: A& m7 A" ^: }& p: Z
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)。
3 P0 {' i$ g  i+ @
, P; G7 @. K! _: T/ o" r. j! E3 o图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
8 T2 }8 G+ y( w: l" V2 x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。- R+ {3 n1 P4 @
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。) J6 }% r9 K2 x) C8 K0 l

( v$ v! W- T: a: v& b. _" f图片来自 Machine Learning Blog5 p2 ?8 q2 t+ }: E. o/ E9 }
) V. J& w, i& n: v; 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 ?6 p7 K+ x; i/ i7 ]/ P) K; w
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+ g1 k) G% \" i1 Y, X
6 V0 c, K/ E* q6 c' ^, s0 I% 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。
# C! y  G9 h% I5 F+ W( G  v  Q' a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!; P  b+ T2 g, G' u; p
  L( F  f+ Q: t5 }
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。
, p3 `  T* C1 L# w, m" }
  T& Q9 h0 S  b- S( p4.深度学习(不)能干什么
( g/ @( |% ]4 ?4 S2 eAlexNet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。7 t" Z) R6 T# m1 _
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。
9 Y& S$ [2 C" j; q, zGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
- {" y/ ~2 _* |( r5 w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。
0 c8 p$ B5 O8 f2012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。: v. q& B9 b" P6 u; T( ?; w
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
& w" u: q( X) O) ?! ]% n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。& M2 M& c% M7 _- K
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 o5 P" G) \! I0 Q8 l. ^' X- C  v
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
* q7 h) A2 i: i* l2 [4 E9 G* R; V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。
4 f) A4 Q) Z) I& `6 Z0 h$ p8 Z
# C5 f0 d( [. i3 y1 E0 h# x  C# Z0 Z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。" [8 ^1 v. b. a( y% \, \# h8 Z9 V: ~
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。
% F8 K5 F1 h" C* d( o1 c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?
( E- J& ]- N1 |$ S* L* B, ?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。: t5 [6 k( U- i1 ]' ?" [

7 R3 g- e: V* a( k( }2 i' }! h' M  G, N" D* [: h

4 u1 O% ~0 e( x$ r; n0 o# |) R8 W嘿,你在看吗?# ?. P# S: g2 V' Q4 C
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw* T4 c& r& i6 E' M$ z# H
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