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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。- K0 V8 O$ z0 F; K# 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。
3 Z" s" t, N7 v+ k. q# ]读书笔记•人工智能
' U  {4 O% x; E8 D% m6 M* |* \本文优质度:★★★+口感:拿铁
  B3 r- _! d; f& R4 m- d% C2 \阅读前,笔记君邀你思考:
, l  [3 Z* K4 k, Q* W8 R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。
( D9 Q/ p' j% O+ 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”。
5 w5 M! j8 l+ i, R6 V( W# }以下,尽请欣赏~! i' W" j/ P7 }+ l7 T( r+ n$ f( U$ ?; Y
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。
( w- k9 l, b: l  i& y. g& n9 g2016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。3 Z. N4 f0 f' k# g' \: C; Z
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。9 ]  P+ d3 F5 Z* L; a; f/ T8 ]
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。1 D8 s; z4 d  T+ _! f! E

, I' @' w7 T$ ~1 g" 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。  H/ I5 T+ d6 O
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。
1 ?/ o6 X% f+ U6 A# q; _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 H# y7 U' N6 T一、神经网络与深度学习% @* ?0 x" M$ ^& l9 o/ _+ u
为什么要了解深度学习?
$ @0 I# N! e' T/ r: I! u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。
: F  d4 m. u4 m$ G5 r4 [
# \+ |& i4 `8 U6 R0 E8 Z; J9 e5 K▲ 长按图片保存可分享至朋友圈' ]" R7 O- f0 t6 W- e5 F+ M
* N# r; q3 r6 z; s* p$ Y& E
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。( [" n! ]0 B& l( f* G$ S$ }
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。
" y( V$ h; K+ S& D" `( d我将重点使用两份参考资料:
1 r, M) t8 o9 i8 i) @: E5 W2 \! I3 x/ W1 t8 g
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)。
* [8 z% F; K* }8 r- d: @3 V3 ^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。
! H$ o3 J. t+ V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。* I- t1 O9 }  d# ~
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。
+ _3 V' P* ]3 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?
4 M9 r' g' _  ^. O1.没有规则的学习- _! Y0 @& Z: z) g) Z8 m2 k
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。* h/ @+ K+ W: q4 {0 F
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。
( o( n, P0 T  ]首先来看人是怎么识别猫的。
  d1 y0 w' ?. A  \( D$ o观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
0 E) J6 U3 k: j2 B. t8 h5 j5 H8 Q( x: s2 N9 N5 `
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?8 C! p9 S5 t& A, |; L1 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。
& f  ~5 v0 Z1 n, u3 q6 H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。+ W5 o7 w$ N! |* {* B. q
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
& O- I9 }5 E) m, z! v! y8 Z) O4 F+ `0 k% A8 ]- F5 o% `( f$ P8 }) ?
图片来自 design.tutsplus.com2 s5 M4 {. C* L1 ^# ~* Z5 `* u
% ]7 a, I' q6 N0 o, T; K& ~5 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?
3 T" V1 m/ a2 U3 ^. o, d: d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。
  r: w* B$ c- 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。
) e1 X; e2 Q  K5 O% O! n9 P  I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?
$ g: A0 P' ], r. K" L2.神经网络" \: t9 ~/ d. u& L
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。
, t, T6 C; x: J/ V《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。' A0 ~! y7 M; Y+ Y6 }3 p
! M( q( }! V; Z% s* q, n
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。1 M2 Z7 }0 B; \  x
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。6 v; Z) q% \0 T$ ]! q1 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?
7 I$ w  Z0 J$ t) N# G8 A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。. G, s0 ~+ n4 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。: P" L0 j" @! G, f  v) ]6 T
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。
9 H4 v, k7 X- a' O
; Y& [5 i6 x! ~/ ^那计算机能不能效法大脑呢?# H2 r2 K7 w: j$ _, 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。" d. O1 G. V$ D
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
1 z5 ~" N) Z: }! H% R; B# Z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。
) G7 H4 N3 `' v6 q- C; e第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
1 _0 ^. p2 Z6 i1 b0 k) Z  p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。3 H+ y; R$ h! }. V1 W8 }
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。: i* l$ T0 U" H9 b( r
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。
% M2 T1 N8 Q& t& T9 x' Z# G% h6 I$ A这就是神经网络计算要做的事情。
4 }" B# c  B& K( R5 Z; D" C3.什么是“深度学习”
1 a' f) a3 K+ n, r4 M+ d- o下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
( A% e( }$ B! U% _. K& ~8 B3 W
* x4 S, r5 M6 A! s! X: E7 S& r( q图片来自 hackernoon.com
1 Y: o5 V  U3 D4 ]+ p3 D% H5 s  h! ?; ?+ e
它从左到右分为三层。0 _' Z" i9 `: I7 N* t7 q
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。
4 {' e  L$ d' d" q, {第二层叫“隐藏层”。
) Y" E9 E% _, |( w( R3 N第三层是“输出层”。0 j5 z: q: b' v% O1 ?  K! P
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 {  [9 k% e3 x8 X+ Y从下面这张图,你可以看到它的运行过程。/ Q# \; P8 Z0 I  F# F
# r9 L* u+ H2 ], a
图片来自 Analytics India Magazine
7 ^7 _6 Z" B2 k) s% _- C, G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。) c% {, |. G/ U, {8 f
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
) l2 C; U6 F, K: w7 d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。
' k3 H+ ~: P; \3 h  `7 f- F% d
' G) L/ j0 h( \+ R图片来自 Towards Data Science 网站
* a7 w! V* @0 J+ |. Y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。
8 j7 u) q  C7 N6 N- C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。+ F" F- y' O4 W4 s

3 D: q! h) Z8 b$ O7 k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。 : q' J" U" f- o+ c3 W" U$ a
# Q% D* W: I$ k. T$ G8 k+ |
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。1 [0 K) r2 n! Q1 V8 q5 b7 f
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。. u* O3 z4 |4 F% }" \
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 o+ @! p2 I$ @! @所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
0 Y8 |5 j) p$ e' _& [8 v- W4 ^# M' U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”。
1 e7 c  @/ d- a' L这就是神经元的基本原理。
  E5 i" k1 x+ x: A- x# V( Z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。
' S- B' L/ b% f6 ]2 s1 E1 \& Y" m; L7 q$ i4 R( J% `2 d
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。& Z9 G- {  R" M9 u3 Y  {6 a
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。" Y* h& D! h, \" @3 C7 F! 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。6 }4 x  I4 @) j1 Q7 t  C' Z  n1 `0 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。
3 V8 H  j/ C0 w: ]3 V# I6 V二、计算机如何识别手写数字
. O, a8 F+ F4 J! q/ ]  p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。
1 d' @) ]3 l1 a1 f. t* p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。
' G, S5 t& y: n) z1 v, c! _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?" _5 n" S# G( q7 F! p
5 P1 R5 c, i  U0 Z2 e
1. 简化+ t$ r: w% x* n/ @; \. i* L
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。6 P6 D  \/ [8 M  \5 ^% y( G% V  z
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。
& T+ u. z! @2 P" n/ v/ L$ o; P$ V+ u$ y& t6 w$ j. f; X; B" }
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?
' N, ^0 z. I; R7 w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。
3 H+ E" s: i, r& s) g$ p9 }( e. c" 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 ——   d4 y9 e( T6 Z2 \! F: e
$ i' l! ^- y/ a6 S
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
3 t9 s' Z# m! G这就完全是一个数学问题了。  f/ _- r( P& n, l* x  L: 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。9 o9 |3 ^) F8 _/ s5 ?; d( ]
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。. f$ ^( C1 O& k4 F. H1 o
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。
$ E/ h, c% o1 b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。
! N+ ^  l7 y) l  f& [5 h! F( [+ V1 r然而,这种人为找规律的思路非常不可行。2 w; h, ~# R# G5 p% \
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。
, |+ m/ w7 _$ L9 S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。
, V% Q0 w% l* u2. 设定
4 N9 m1 w( g" c; H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。
7 u8 {) ~  d2 C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。
- m; b5 M+ T3 _) G! W  D' e9 L  f' c: u& ]. h- z1 V* N2 E
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。9 M& h2 i6 H1 k4 l5 v; E* I
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
  o6 G4 q3 r+ g1 [) c第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
. W- W. p8 Q* Z3 M, e; k8 t0 m3 r
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。, [% h7 [2 ?& u
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。
2 N3 ?% g8 f& A3 w7 _; Q  ^7 y0 N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。
, J  l) \7 d3 i6 r* t' q0 e/ {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。! W7 k3 Q5 G% H: b
3. 训练
# @# t4 G2 w. [/ v! `  K& J3 D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。5 q  q' D8 M$ ]% k
/ K5 }  h- |1 [8 U; c, p
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。
5 h3 K) `. ~& }% Q! C
" G( W' H5 e: V8 D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。
, ~+ r: m8 p/ B3 T$ J4 r8 N/ x% G+ W
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。, y$ c! c- ]3 t8 F

9 Z6 s! z8 X! \4 ^+ g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。
8 C7 x. P! o* a5 s. a( c参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
! W) j  O5 B) F* 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。
3 Q$ O9 E( F1 o. G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。
. {+ G* f0 E/ e' x$ q5 \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。6 s' O- \. j+ 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。
' \) b2 ?* g9 c# \; w/ C事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! , S0 u+ Y2 N/ a% o
6 N5 J2 Q+ i8 e
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。' C3 U# z+ r1 I- V; l% v4 \
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。+ }. [- o. i1 Y7 N- a$ _0 s. A
三、卷积网络如何实现图像识别, F* B+ V# m  f  F4 t: T+ B
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。+ \( i0 o4 y& ^9 k( A7 E
1.“笨办法”和人的办法
7 `) l% y  U* A* E' F下面这张图中有一只猫、一只狗、绿色的草地和蓝天白云。它的分辨率是350×263,总共92050个像素点。
3 Y% u0 M+ ^" V% x& D8 L考虑到这是一张彩色照片,每个像素点必须用三个数来代表颜色,这张图要用27万个数来描写。
! v; i: w! G- {2 C, S6 E; m" J3 `2 c5 W% i$ w2 t: C
要想用误差反向传播神经网络识别这样的图,它第二层每一个神经元都要有27万个权重参数。# m! I% @2 D- U8 u0 c+ {$ R4 A
要想识别包括猫、狗、草地、蓝天白云这种水平的常见物体,它的输出层必须有上千个神经元才行。
7 v- s" n+ K# g2 F这样训练一次的计算量将是巨大的 —— 但这还不是最大的难点。: C& w- ^) P7 j- d! W
最大的难点是神经网络中的参数越多,它需要的训练素材就越多。' R, C  b' _+ S8 X
并不是任何照片都能用作训练素材,你必须事先靠人工标记照片上都有什么东西作为标准答案,才能给神经网络提供有效反馈。
7 F, S6 u6 o3 k( J这么多训练素材上哪找呢?- k! t  S2 r  o
我听罗胖跨年演讲学到一个词叫“回到母体”,意思大约是从新技术后退一步,返回基本常识,也许能发现新的创新点。( x0 u6 ?3 _3 \) g: D1 O3 h3 I. M
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
$ o5 q3 S: t- V; p# D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。
7 J1 @# n" L/ @4 [
' ^- k* P9 D# H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! }. ~9 {: m1 l0 ?
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。% C# n" ~- x3 I% i+ ^9 [  E/ [! G
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”。
1 Q3 U4 Z0 j! T$ C我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。$ k% r- k/ v, F( d2 e6 m. L
2.竞赛
7 D" c! _  c% i% D" l( g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。% _# W. w# e+ Y- v+ G
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。( U4 s  Z$ W" z
: J! C4 H' x0 R$ W! K9 r
% d) G2 R% R, n0 T& f, N
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。
6 E+ H  r! G6 g! g, d" l& N3 f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。* K' M6 P/ q$ o8 o+ q( u2 K
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。( v2 ?7 b# ?8 I& N/ {2 s8 V5 B

: U$ Z; n* \* Y/ s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。4 K$ W! m! Q$ a8 ?/ @
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。! `; v3 s" |1 V* y' J0 F6 F
3.卷积网络$ p2 ]5 `2 U8 k) G" _; C
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。
/ r) b" a9 |6 P. x& Z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。7 _" y: i+ G' }4 |7 g
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” 。) A: ^' @% X6 ^- 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”。  M/ m, h) j" c" `6 W
“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。% \6 k& p" h0 Y# `
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。
- c5 b! Q9 D0 M" y$ _2 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。
; C+ e- _5 P- S& s2 J7 i
  g' ^5 n( U7 l7 U- \1 q3 Q图片来自cdn.edureka.co
' r& l0 M/ Z/ w4 _
. [7 f% q& Z- D( |% e: K% T* \第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
  _8 R. s9 P+ N+ m, ~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。! v+ ?- S6 N' E3 s
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
2 b0 C  m( `# l1 g+ f6 ^, B  p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。) E7 t* `3 a7 t. z
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。, W* Y* e$ J. h* J# N9 u
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。/ B" Y9 ~- f. F% E& W3 o6 l* j+ V

- F6 r. U0 r. b# x/ W& N: 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( a, I* e& F" v  Q
/ F. g, k- u8 C6 g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。9 A' O- A' |$ _9 w" R7 i$ s0 p2 t1 H0 h
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。
! {; g/ s0 Y" j$ t- `( |: L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 F. N. B1 K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。1 U7 N, L6 S2 N! A2 K; T5 R
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。
) `4 s) C  h- N. L2 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。
0 h+ a1 s! o! `& |2 t/ D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)。
2 B) X2 ^1 U/ Q6 [
  C) a  ?8 [7 Y. c/ U  G  u/ X图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression& v6 g0 @0 B7 F$ [7 k
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。
! n- M3 G0 Y6 ~' Y0 Y6 z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。
0 K( _/ e* ]% j9 M7 S: j0 |
, I0 s& m' m- z8 ]$ A$ M% g图片来自 Machine Learning Blog$ b, T7 w5 ?1 ?; q
9 k* F3 e9 W  j) x7 g- {
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。
. }+ |$ U1 C& q- E' ]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。
3 B3 r% p0 k8 f, x' g/ v+ G$ {( j9 s- ]/ o3 Z# ]' v0 t; K% 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。
; p( W& N2 v' Z; E( t- g( D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!
: a5 E$ z7 W+ L$ H& C9 d
/ F- Q! K$ H4 ]) F+ p% p; C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 P; t  U3 n$ @1 z% i9 p& e

, Q! n$ D) P6 I) h4.深度学习(不)能干什么
2 l* H! b( n8 ?) {2 I& I; k9 `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。0 l# ^4 Q2 F  W9 s) [( O5 F6 n
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。
. k7 Q8 [7 [8 i, K( M1 Z" j$ ]Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
' x9 Q3 q( ?3 k- L; k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。$ C) q! ?9 o: W! N7 n  Z" x% n
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。1 I8 H1 Z8 H8 }  O
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
, A& n# P  y3 e" K3 H- H! H4 S4 \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 E  q3 \3 n* @( l' h' c' U! D
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。7 U& ?. d, X& g& Y; a
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
6 [' v- r% R5 i: q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。
1 s' j0 n: t2 v  K
: Z) G- i6 L3 z/ Z3 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。) Q7 h0 G0 p3 [% r( 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。
3 d3 C' D) B& }- @' s9 x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?9 X# W/ W8 S9 G( j% z
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。5 ?1 _7 P7 p: i$ g( X
- m8 G: B1 s  O/ f$ r7 B

: f5 d' K# w! N! I  h* s5 @; u6 u. P) {5 i: Y9 P& c$ v5 U
嘿,你在看吗?
9 o# N) O. l' m6 f来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw* R! ?2 R6 z5 R
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