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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。
@' {/ [2 c7 D. \; P& s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。
4 f$ C1 M8 f, l1 ?读书笔记•人工智能, c. W6 i7 y: v1 u
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
% P7 Y: u8 ?& s' m9 W3 U$ j阅读前,笔记君邀你思考:0 N+ a( ~* ^! f) _; f
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 p) G8 i; `9 F5 Y( c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”。- \ A5 f, b ]; c/ w, {& a* Y
以下,尽请欣赏~2 q: z S9 B/ | l. r' t5 A3 z) b9 i
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 @/ o( g! ^" R/ t3 c8 Q2016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。
2 \; s4 r* L- l% m' E2016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。- \, i K2 M8 }, y
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。' o- o' J& a9 o. K) l- I
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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。
$ {5 `0 M( m9 V5 M( e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 W* i }) [' {7 d) A
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。
$ b+ L7 B4 e' |! T# h一、神经网络与深度学习
# d8 E$ C/ E+ ?* B" ~为什么要了解深度学习?! Z9 ]0 @/ G3 W% }. i8 c1 L) 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。( `7 o6 |0 B2 W$ H$ C2 `
9 k% T! L$ o" }4 S! Y3 ^▲ 长按图片保存可分享至朋友圈& O0 G( q- M" G9 B7 P5 w
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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。0 d0 ?# v; n, l7 M$ e
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。" i8 q0 H2 Q( s# x) C/ z/ `2 n
我将重点使用两份参考资料:; n! M$ ^8 n9 `1 N' w
( ^4 z8 ?# E8 z5 ` X2 t6 q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)。2 v/ _8 H3 V" O( ~! M. {% 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。- | W0 Q, `3 ^2 r9 Z* B1 `
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。
4 O N6 y' Z: ^6 g/ I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。
" B( I( d; Q) ]9 A0 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?# r1 q7 j5 r& D o
1.没有规则的学习7 K5 m: T$ n4 |5 P z
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. d) Q* l$ G
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。
3 T i# w: X" l9 n( p首先来看人是怎么识别猫的。/ w& x x( N5 C. M5 O
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、$ L8 G+ N; a, u7 ]

8 z3 O7 k3 i+ J- \2 I5 m, y2 V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?
& g$ ^4 N3 ?$ |8 [, J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。
+ z! s' G& q: K3 X" g$ ]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。
/ l8 q1 B" Z8 E9 u& m再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?# p( k2 T5 Q% Z9 A

8 G9 h: q; V- C" b3 j6 s图片来自 design.tutsplus.com9 V( u1 J9 E% _; b4 C
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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?4 Z* X+ o. i: p& E- G% H2 n) M2 a" ^
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。6 A& T- w* O& I8 P% r5 {6 ]; ^
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。
+ _, x! i" c6 D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# f3 u2 q9 r" b4 K* C$ q X
2.神经网络) ^+ Z( r0 t7 l) `# M u
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。
! E- K0 V y |+ { g% ]《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。, u& e3 e/ N' o) m' f; X1 f
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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。
: p7 D; B- x* B( p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。/ H) _1 e' _0 ~% ]5 H) J
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?) S( J* E* T$ D2 L3 C/ c6 W
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。
- d- z) j* J8 O4 N m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。
3 G* P2 W; n0 a( k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。! H( g. T. k( r! G4 d9 `: V
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那计算机能不能效法大脑呢?
) r* d7 i/ ]2 E# t, L2 N谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
/ l3 H$ W" }! h q( p第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。) r) B1 v3 ^) M/ A- B. Q& V+ p& D
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 G0 [9 o; v5 V9 E第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
. Z( M4 S. }+ 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。, G# n4 R4 C: g% ?
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。9 U. `( i! H$ m- 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。( v p2 a+ u+ v5 }% g* m3 G9 s
这就是神经网络计算要做的事情。 D1 k7 z% A1 ?; h8 m
3.什么是“深度学习”
0 q9 ]6 I7 o/ G$ j' x下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 1 E) l# w2 Q$ T) C5 R

N1 U$ m; I/ B' c$ s7 `/ n图片来自 hackernoon.com3 K2 H! f: s0 z; d+ J3 ^" ?
1 S/ l/ h @& z' z, r( D# U& V! h它从左到右分为三层。
. f$ v$ p5 h2 ?& }3 }! v- x1 ?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。& p2 P' Q# M, o. L
第二层叫“隐藏层”。
$ m8 H) c' F0 H7 |) D+ X6 C第三层是“输出层”。
2 R$ |8 z U {4 F; j6 M; g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。: w! t' H4 S- M
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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. [$ f/ z$ ?. m* Z. U5 Q图片来自 Analytics India Magazine
) G/ a* P' c u& j3 D0 _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。, N6 }2 \& N2 u# {. w6 \8 ^/ J
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
$ o) T* C b) f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。
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图片来自 Towards Data Science 网站5 ?% l. P; a, K" ]$ 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* l2 ?. `% B4 T; 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。
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$ w, c# f& J+ V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。 5 h0 e: @5 p [! I3 j8 C B
# m8 b1 [2 L" ~( x$ I8 C$ S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。+ g$ q& B6 d# r
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。# l& w" l& N& x$ H5 ~
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。2 h+ I2 ?: i5 Y
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。8 H- y, y* Y4 @4 |0 G8 B
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”。
+ h; @3 M. m+ p( n1 L- n% w这就是神经元的基本原理。- H6 b1 a6 z$ P+ [! 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。 8 i* j6 {6 j9 m& b
`6 U- K& a3 t- a' }7 j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。
. T/ @1 b$ B4 y9 y3 m+ P! I神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。5 {* o, W3 _* r5 [9 ^/ Q
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 M2 |0 x8 o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。, {8 A& o% V6 l7 v5 i& {3 Q+ T
二、计算机如何识别手写数字: o: l; M9 @6 J6 Z& y$ }% ^5 {
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。
+ u7 J2 J7 e' ?6 c6 N; j2 n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。
% O" I8 o7 H' F3 U- S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 P& D4 s' z0 H- ~) d

/ n) N- b7 U: c4 k# g5 a/ m1. 简化5 M' t6 H9 n; F3 {) L' b
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
) k2 z4 N: F2 T3 T( R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。& V0 @6 R' G2 D9 m9 W& H
1 W0 g+ K1 x# r$ a) A6 Y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?( f" g: ]' e7 u' |4 O6 O
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。
9 e. ]1 l0 M- C' c! `/ J( A5 K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 ——
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
4 o1 ]: Q% D) Q; g: u% l这就完全是一个数学问题了。
1 W( _1 R' R) r# \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。( w8 ~$ I+ e- Y/ b
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。, M" v: f& U' f2 m# i
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。5 O$ `; w) L: j
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。
2 f! C: d5 b8 R: X* }! T3 F然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
3 [2 \* d0 U+ X# m* z6 r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。
. n# b% ]' \( j+ `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" }$ W5 y. B/ Y9 m2. 设定; W4 r2 m/ B! W# {: J, S7 J. 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。
/ R2 ~) e' F+ @1 p; Z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。
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% ~, o6 ^ `& }" @- `+ T0 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。
: t# p$ I/ N- Q; m- T4 z+ Z0 S t第二层是隐藏层,由15个神经元组成。 W8 R" t4 t5 y
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
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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 n+ K" Q# u0 |
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 ~ H& H& [1 h% p0 J( L' P
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 j3 u. R6 \0 {0 S5 D
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。, K/ Z, m% N. Q- r4 p+ ?5 {* Y
3. 训练& ` f# ~; ~" {& K% M3 p
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。& q1 T8 G4 J3 g1 ]

7 f: y0 ~5 `) @1 G* Q8 K. u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。
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8 D+ a+ d- ]" X+ L0 h s 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。' H2 E/ O N! U% Z( c/ m x
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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。" T" m7 H; n# J$ n9 b) @% }
* I1 G' X# ?: s2 h2 ~) 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。
% D U v0 w$ `参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
+ n. {4 ~) d2 P$ { U8 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。" J2 N) C" f' J7 W, }7 U: u X
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。
* [' {9 R6 r0 K+ B+ b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。
' J, o/ x: [ `! n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。
) i, {) C, J# |# M事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
, `8 N. I; w8 y2 S9 Z& V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。' N* [4 E- {! A9 o) t* ]( f0 i
三、卷积网络如何实现图像识别
& U5 p2 ]5 y" J+ [* V$ z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。) d. R2 H1 Z# A& ^1 L( u" m
1.“笨办法”和人的办法% G' y! a" b$ K0 `% S% n, ~9 {
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。$ g7 V. E! N2 Q& E- r5 r& E
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。
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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。
4 w# k( h$ l- h0 r6 x4 ]- O$ 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。
0 Q# W( S; o# N3 O, V2 _/ _8 v! n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。
" n' c$ S& I, Q& j* \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。) f, z" `3 C: C1 @9 L% j4 l
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。. P" V- L- l! H7 ^2 }
这么多训练素材上哪找呢?
. P0 a g' ?+ T0 r, }7 t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。
4 A6 q7 v& W: [, {$ ]0 B现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
- T7 V7 J5 A g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。4 c7 f- o4 z) z8 I0 H @
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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 \5 Q7 `. O* i3 k3 n3 _3 y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。1 N# @. ?+ @! a: _
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”。* R6 o6 _ e6 b) E1 w: |- ^9 @) X3 Q
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
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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。* _- M8 D, v' ^# N
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。
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. A2 a+ b y# O( n4 ^9 a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。
; r1 e+ {$ }, S, V T, z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。! j( d* m0 y |6 J' c
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。
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& D' ~2 [ a* 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。
" H& H) J/ Q: h8 @# I4 A1 b那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。; x9 R+ ^7 ~0 Y8 m
3.卷积网络* z( V# q7 C% }4 o9 V5 n0 ?
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。
5 f7 {, O- c# p. u% v. ]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。
8 G- f( y$ o) `* D+ U3 B% ~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” 。
( \. d' Q* q7 B. G' M m) C0 a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”。) ^. t) ^8 _% 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。2 B x3 m) {/ x+ h
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。4 G% @+ ]% }* |& f 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。
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" y9 \! A R- A$ M% J图片来自cdn.edureka.co# r1 q0 t( b$ O

5 g9 x) m j1 A0 i* T第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
8 I$ m8 m3 g1 L# X+ W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。6 u6 t. y3 i# L7 s
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。7 o! R0 }1 ^! f4 S! L9 S* e
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。0 o# p+ o, [2 B- Z) _5 @' Q
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$ o8 n' r. ^& r. x9 R- n
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。- R- e" g/ z: A( \) o$ V2 Y
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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。
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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。1 T9 E7 w" ?# f. C+ U; W& P
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。& i0 t; y7 l+ ?* n9 U' p* v+ f
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。* h! I+ L' v9 e" I
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。3 K# l5 [1 [7 V9 e+ b
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。
9 F1 c3 \! {3 O9 S3 {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。
/ a1 Z* f4 ]/ C* |/ K* E* 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)。
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& h& P2 M/ L0 v图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
: `2 n' u4 d+ ?7 n" ]# h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。
9 @7 R! i# M/ [7 x# ]" J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。) W) T& _7 q+ T6 {- L" A2 Z9 R
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图片来自 Machine Learning Blog7 e0 `" x* ~7 K9 V
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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。8 |: c4 w7 b! H+ e P
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。
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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。5 a* n3 C% x+ v2 Q! d8 g5 _4 P
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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2 s2 @ W. B% U6 A* O$ P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。8 s4 m. ]2 | A3 o4 {( B! q
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4.深度学习(不)能干什么
" }/ T2 h% d4 p6 i2 hAlexNet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。
m8 ^6 X2 ], e: L. X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。
. [3 ~" h7 e5 W1 n. }$ F! F2 nGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。2 K7 F0 ~7 X, N' p3 T7 P1 q, o2 }
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。
/ b, m% v) L* C. I& q6 K$ q# W2012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。
, M! O) T' D2 N) \7 E U5 U深度学习能做一些令人赞叹的事情。: t0 q1 b2 W% O7 f
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。: ~% q% m- a+ w. {& ?6 ?
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 z2 u4 v; y5 P! r" {& T/ H
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
6 V9 Q. z" j+ ?' B( \ H# \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。' x. r( d6 k5 W; _
; t A! l' E/ T' X5 N& 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。1 E: E8 l& ~# ^6 p$ a( K8 {& D9 L0 k
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。8 y1 z1 v( n- q! V, \9 s, u
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?
% a$ H, X5 j' H* [" s# [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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& f: U: k8 [- K) | 嘿,你在看吗?
4 Q( T0 m& ~% X v: W来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw+ d+ E7 e: w9 V4 E
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