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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。$ Y+ Z/ g t0 ~1 q2 e
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。" J9 X0 {, c- X9 R! K
读书笔记•人工智能
+ N: t4 F2 G' Y本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
4 a6 A' v: w" N s6 L阅读前,笔记君邀你思考:1 p1 _; h4 W/ ]" l# g# O
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 }2 Z7 X: K- R* v7 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”。
# p6 g- e: a8 ]5 _3 q8 n以下,尽请欣赏~& l) ~. `5 G) _6 }2 d6 ^& ?
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。' p4 s0 h% s1 m; ?2 k
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。' U" B7 E+ W- o7 S0 ?
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。
8 E9 Y) T8 o" c4 T, m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。* H1 B* B2 g2 @: l" n& T+ k
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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。 x8 d- ` |6 l& W
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。, J5 X5 m Q: L) m6 h) F( p4 s
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。, f) w; _! n$ I) \- h& S" a1 {
一、神经网络与深度学习5 s. w; J: E: D. j. a+ u" ?
为什么要了解深度学习?
, ?7 B* X/ R. r/ k$ D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。: Q4 b7 Q- n9 Q! y$ h5 g
/ q3 W2 j# Q8 y8 H% ^$ v1 F7 h& m▲ 长按图片保存可分享至朋友圈. p3 O) K: L6 e- X _
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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。
) L7 Z7 |: L* S4 m2 a( o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。
0 ?3 `2 w3 h4 Y ^- U+ N4 B: D我将重点使用两份参考资料:
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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 L# m- w5 l& z4 h6 e- X3 j
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。8 w; _6 O7 W& z( M- D5 v2 b" E 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。
, U) U5 b9 }$ [6 F+ 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。
% d8 K$ w- z8 T, E( a+ i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?% E' s, {9 G7 j4 Z0 F
1.没有规则的学习
' p2 ~% \# q# c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。% m* m3 ^: [4 {- ~
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 d7 X: T9 o2 r/ k1 V9 m% e首先来看人是怎么识别猫的。
; d- t/ j( l# d观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、5 [1 Q7 ^+ j9 C+ U$ D/ L, G' Y
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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?
) ?: g5 w# w$ N$ T, ]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。9 m% {' {9 g' j$ _/ ?
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。
) Z% k' D: O* c2 S: ?7 o# r, V再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?( }' q) g- P8 p$ D3 K6 B

# X2 A8 P- v0 v图片来自 design.tutsplus.com
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+ `; q3 z+ ^" w% ?6 i( e$ P) B( |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 K) n; j: m! @# T: O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。
& T* V( J. b+ L/ f+ D# W" U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。9 B7 I9 v2 o1 }8 v
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?
8 O! g' t% S' Q2 k1 ?" i2.神经网络
" o5 U$ N% R# I& B0 m( _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。
0 D9 H/ J# |8 g! I8 Q* z/ p《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。
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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。9 I. R0 _8 U$ C0 [& M/ k
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。
7 `1 o; U' k6 `- E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?
6 U& r8 @% g: a; X/ B. L: o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。
I" s9 Q: h( `% X- F1 X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。6 e- V3 p% W( Z9 ?1 i& o5 b
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。. u( n. T: x2 `/ T6 K: g
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那计算机能不能效法大脑呢?
8 {9 d1 q3 _3 l5 \谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
( o9 l! n Y. E w% y' M1 I第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
j" b3 N5 D* F% Q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。
$ x' g! _; H: O) @# u! P+ A5 P第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
- J1 l3 |& t6 r! e: q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。0 u0 `7 k1 | [7 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。+ _1 S& Y4 B% p( `9 c
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。
# t8 L0 P9 ]# E* s这就是神经网络计算要做的事情。
1 p6 ]( [! X# y: |$ L" }4 U5 W3.什么是“深度学习”, w, S3 u: g# ]
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
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图片来自 hackernoon.com; D" E+ n+ T0 j4 h. I
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它从左到右分为三层。. k- f4 u4 A* {: u+ 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。
8 c9 S: U. z8 g5 \9 ?第二层叫“隐藏层”。
* {' Q: d! w } d' f4 u第三层是“输出层”。
! X, _. q+ l+ o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。% s) x9 r( c h2 n. s1 x0 k) p
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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6 _( N9 Y) Q5 B0 d# S, ~( T( U d图片来自 Analytics India Magazine3 ]5 n: I% j& Q h
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。
: ~8 }2 r5 x5 t$ L( ~" D4 o; t. @“深度”的字面意思就是层次比较“深”。2 @8 o( e! l h9 N& H
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7 {/ _2 j. Z: }5 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。$ I0 ~) z; Y! U
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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, ?& ^4 u7 Z9 V! M$ \$ Z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。 # ?* [ t) Q3 D5 d# ]. ?6 I5 u
1 F; L) M6 r+ \0 O1 I* _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。
6 n" V( D. g6 d3 s/ 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。7 s% U; _/ X3 b( x
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。6 y, |7 s" J) D t' a ]7 {
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
) E% [- B+ D& d* 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”。
) n6 E* h9 S7 b! p8 P这就是神经元的基本原理。7 q5 h0 `5 |7 h
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。 2 X+ r3 G4 Y) U
- P: |# O$ Y7 g; M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。
5 Y. U6 w# j9 R6 x6 F神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。. m; C8 C+ O- c' w
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。+ t G7 A+ | u0 l( ^# U) [- S& ^
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。1 O( g0 j7 P& d7 _# D! z
二、计算机如何识别手写数字& c8 X! i$ m4 {8 k+ E, C
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。: g5 c0 M* R B1 U5 m; ?- X& H
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。
v3 V: m6 e; K `) F) Y e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?
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1 ]3 G/ f* P! J6 i. ` o9 F+ ^1. 简化/ F% b7 i7 z3 x" ~
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
+ V* S: h/ ]9 s% X8 o z6 f- Y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。; O! x$ [( E3 f. C" G) m8 f. R
6 v; i: f. x: d7 n3 a k( l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?
# ^7 a+ ^) L7 ^" Y+ m" }+ _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。
N5 M" ~1 O4 z& V3 t/ b: ~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 ——
' U/ ?8 N# s/ P4 O4 j: t6 @
z0 P* G4 Z. {1 h7 D图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×281 u+ ~' V1 I' m1 S1 }
这就完全是一个数学问题了。' R& T: m8 [* b4 w* I8 X
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。6 }( p0 \, x% W+ f7 @) s
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。) p- t* \5 w. H0 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。% e8 h- x& ^, N1 f: F2 T+ n
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。; V8 W0 h* [, G$ ?% u: E4 ?
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
+ s3 b3 r W% A& p0 g" L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。
) ?5 a; ^( ?. J* u& x7 Y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。
! z' K$ B4 c H5 t9 D; |0 L2. 设定
- N {5 }5 W% b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。$ n3 B/ y5 F/ \# F
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。9 q4 U5 U/ s! K: A

4 G$ z; r. ^9 g7 ]8 Z6 c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。
4 `( j6 y' A; A9 ~& E第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
1 P2 N0 N3 L+ \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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$ D) Y2 ]" X4 Q/ @/ c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 d5 _2 r4 |, i/ |5 L% P1 K R) a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 C' J5 B( e w: x4 U. s0 F$ S
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。. N3 ?) }* l/ ]$ s5 V6 E$ W! O8 L9 n) I( \
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。
# ]! f, s0 u+ d, ^8 Q3. 训练
2 _- G& g- n' Z B* y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。
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a( a+ F% g2 t$ I8 H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。: L. a" H" z+ H3 i' H! m1 M
' Y" u. K! d: o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。
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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。
+ @5 f( l, _% f- [
* N+ p( _# e0 q4 C8 ?8 w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。
+ a; u& C1 o) l0 j参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。& y+ u- @/ i7 m% u }8 y
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。
! c5 G8 _( Z8 g! d) ~3 [: c( l/ B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。
6 W2 ^0 V' z5 g; T' \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。
! r( B& D& s1 D( J3 y3 q5 m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。
' \. i8 w. C6 X+ d3 T: |# s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。/ [! r2 h1 b- B6 y
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。
" T3 N- Z, z* u7 v% J% L三、卷积网络如何实现图像识别
: P% d8 d' Z8 ?' k/ p6 L8 E& U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。! x" E. J2 b1 R4 L( U
1.“笨办法”和人的办法6 @( ^7 ], Z% O; X& O
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。
& L3 K" a4 c: |, m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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! @$ j$ ~* G: t1 ]( ]) @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。
6 M! ]/ z0 ~& F9 k8 F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。9 v4 G- V0 U/ ^3 E( `* l
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。 B% L7 `; [, j9 G4 b i
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。
2 q% @- H* o5 L) v; S& }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。
8 h8 a4 F, \& G这么多训练素材上哪找呢?
" I. F( X |- Y2 C; ~9 }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。+ d+ K6 o# a* V6 a! 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。
+ c4 N/ p6 ~" l% z& B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。" d8 i! Z6 I# A

2 q0 S/ |1 B2 [# T! r' y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”。
: @" r; l0 h9 {! l/ R4 t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。
9 F) ]9 w8 z7 b$ z+ g8 R! p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”。
& p3 Z( x# M$ F3 r+ {$ J. S& H我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
( C( @! Z) ]- p3 A* d3 ^- S* ]' I& W2.竞赛( u0 u% ^" |* W, x7 v( E
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。
% m5 ^9 f0 d6 E2 j/ N. F$ Z5 Y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。8 E7 q; z5 K( F! o
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! K$ K. i& x. F! ^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。
) x( H) g7 |' S2 [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。% |+ x' w4 c* H) P
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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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。
, b" O) ~9 _; y9 k# A那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
6 X# D0 T/ ~( S; E h( z; \1 H7 b3.卷积网络
1 z, N1 D' s3 C) v* {) Y2 l" n: r2012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。
# Y+ y+ x7 w) D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。
, p/ ?! n+ y: W* l# Z( I1 Y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# J8 W1 t: s4 P1 r
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”。/ n3 C$ w0 w9 {# P! V. y& k
“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。
3 P2 e. ?4 I& ]2 o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。
5 v. q' v0 M1 U3 C/ P8 b" F s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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; w# k0 o& H. D7 E图片来自cdn.edureka.co7 {3 P: n0 ~# y* \ `! o

9 p' v6 B w+ Z. D) }; v第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
% k+ U" _ X8 c+ W" F) Z& ]3 A' o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。, m; G% s* z4 ~- h
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
" Y4 T! R5 w+ C! k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。
3 r1 {- Z9 Z3 k' 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。) A) P3 S7 D. j7 \% _( v, b
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。7 B4 `) N$ D! q7 w) l. L" a

/ M& O" S/ \# W) J( {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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* v- Z! F3 J' i9 [: V9 Y. S+ p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。) ?" I# Y F- I$ j3 ~
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。3 f6 O w, p# e/ a J
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。
5 ^+ ~% }# x" 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。/ ^' ^" w1 r+ C- J$ W" d) b7 z
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。
# Q* s4 S; u- X- r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。
7 |# ^/ O( Y; y/ L6 e+ o5 W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-progression; P( ^/ X, F/ I% f
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。
' O0 F& N; K0 P7 n% z1 Y8 \+ N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。+ q' |" n1 _% R: Q7 p
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图片来自 Machine Learning Blog
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' b4 e3 Q5 w0 C' 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。- y. G3 r2 Q1 O$ k1 P. N5 E- M
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。* F: J' H2 a" g! _# t a/ s9 p

) D( K. b3 G; O# W) GAlexNet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。9 G- b$ i" B* N% u& G j1 w# l
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。+ X; _: r3 i5 \* h
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4.深度学习(不)能干什么3 a- M9 G0 R3 ?+ `# L
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。2 y4 k6 O/ Q* Y3 B
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。0 _5 c9 t& n( U# d# I
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。7 [! Y! P8 s0 U& e
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。
& V! A' P9 c1 q# P: H2012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. t+ X; V- z: g5 X8 F4 e) U深度学习能做一些令人赞叹的事情。) Q1 R. z8 Q+ X3 K- I# U5 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。
/ @/ C" z& Z o/ Y; m) g* 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。
, A" j l7 K7 j# B但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
; K8 B0 ~# q( b1 Z, Y: e0 S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。
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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 I1 c0 b+ Z' Q8 A1 c
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。/ G1 J4 L1 l8 [( D
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 {& s" e! @9 x6 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。" n- {1 i/ _* A' g+ J

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; A+ N/ n8 O2 j6 P9 K2 b& N+ G: A 嘿,你在看吗? 7 f3 |& Z5 Z' ]# ]
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
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