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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。 c3 X8 V& p2 a& y) V- y h; I4 l
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 w6 U5 y# t6 n" E2 L1 V! S
读书笔记•人工智能
G3 Z5 W5 @! v) M7 V! L) P- y本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
( S; o# t9 W1 x- j9 R5 A; b阅读前,笔记君邀你思考:
# K0 ?! s+ ?8 W5 w% ]. K& t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。( s) h+ x0 L6 v9 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”。
" d) V3 P6 k9 z, }: s# L7 A以下,尽请欣赏~9 @0 l4 `1 K6 j0 D1 c$ T b# v
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。) ]/ i: M2 p) Q8 f9 S- A
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。
* A! R6 S" r' W/ G# M2016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。
% ?4 b/ B) c) ?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。$ {$ e9 K$ N. I" d/ Y

9 P# G0 N3 }) @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。
% G# L& a; E0 \* [' C4 W' t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。
8 O* G1 A2 S! S/ b2 b$ p1 z4 l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。
: ]2 k* n$ Z7 w1 P7 }4 s一、神经网络与深度学习
4 B. I7 W$ w; A) J: O E为什么要了解深度学习?
, e4 x* Z% R1 O- x, F1 `0 ]3 C2 C4 F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。/ W" A6 q% F' L
, F# K+ K. T9 j5 c1 ?) e▲ 长按图片保存可分享至朋友圈! P3 p+ b6 d% b7 d# a9 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。
) G$ e+ ^: J' X, b' D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。) R4 I0 k L7 v1 K6 w( F$ ?
我将重点使用两份参考资料:
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& w, ?" X: p0 u2 I5 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 O0 V4 Y6 {$ [+ s& ~
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 a) Q6 X: ]8 j& B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。
6 [7 H0 |. V+ z; \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。
. G8 {& V( V+ X a3 c9 g7 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?
6 ]% Q/ w7 O5 V# ~! ^1.没有规则的学习5 ]; D) B+ j8 v
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。' h6 ^7 {+ p/ C8 z( T3 k1 J. L
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。, f$ v8 _, l# X6 G
首先来看人是怎么识别猫的。$ g) K3 e& W' z
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、, @2 y& p& K3 d9 E- W9 N; L

) R$ C( `; j) I* H# d) o" ?) a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?
: W. S, h% r" V- e& \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。
+ {" R7 q/ I3 H8 Q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。& j7 ^* T2 R* @
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?3 N9 ^0 \- s& f& ?! X* d( }
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图片来自 design.tutsplus.com
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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?
! _- l- ^& n% _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。7 h- h1 ]# Z( y, k
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。4 C: j K- j3 U' 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?
" _ y% T& F+ K: f, G2.神经网络
- f t5 X; o! Z$ H* X" 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。
, E" D" B( t( ^( d《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。0 w: g8 F. \( y0 H( B4 _" A
午餐之前,谢诺夫斯基有五分钟的时间,给所有人介绍一下他讲座的主题。谢诺夫斯基临场发挥,以食物上的一只苍蝇为题,说了几句话。5 i& M/ x0 P$ U( g& A; T, Z2 b% j
谢诺夫斯基说,你看这只苍蝇的大脑只有10万个神经元,能耗那么低,但是它能看、能飞、能寻找食物,还能繁殖。MIT有台价值一亿美元的超级计算机,消耗极大的能量,有庞大的体积,可是它的功能为什么还不如一只苍蝇?
. w' ~& k/ r* Q# R1 \" H9 w在场的教授都未能回答好这个问题,倒是一个研究生给出了正确答案。; m/ x# V) P o5 \7 M
他说:这是因为苍蝇的大脑是高度专业化的,进化使得苍蝇的大脑只具备这些特定的功能,而我们的计算机是通用的,你可以对它进行各种编程,它理论上可以干任何事情。
: O* O5 k* |0 Y1 |, p* h这个关键在于,大脑的识别能力,不是靠临时弄一些规则临时编程。大脑的每一个功能都是专门的神经网络长出来的。" G* ^9 S8 W' L0 ^
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那计算机能不能效法大脑呢?1 O' p: R( U3 j) T
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
( W$ T1 }/ A8 v ~' }: r. l: U0 H第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。6 Z% U) \) i: k; r* X) ~
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。
! j9 }* b$ d8 R- n9 T第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。- I8 _+ y& a# A$ A* i
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。
' d/ l5 }' Z5 X4 }2 [" i c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。
; d% s9 k! B, w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。7 m; ?+ d. X; v) t4 y4 n0 P& L4 {* P
这就是神经网络计算要做的事情。" A, F2 a" g* a( g
3.什么是“深度学习”; D) r* G$ A& A+ M6 l
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 6 W; x* o4 z. p

5 x) O7 B* x" ]) E; U- H p图片来自 hackernoon.com
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它从左到右分为三层。
7 S9 k1 I% a& E; S6 M1 w( c4 d- O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。
# A; ~ n3 H/ @$ R5 K( K2 z$ U第二层叫“隐藏层”。
4 c v+ G8 K z# W% L Z" A0 u第三层是“输出层”。
$ [: `4 c) ^7 c- c( H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。9 `, w/ ^2 N: W: f; P$ W
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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$ l9 k; ]0 @' o3 L d图片来自 Analytics India Magazine Y- ~, E: \1 V7 u) E. X
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 W$ u& [7 d1 s" n! N0 c, J
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
U' F) _! V7 h* M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。5 \' o2 X2 v! U7 a# b1 K3 E& d& ?
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图片来自 Towards Data Science 网站' v) ?5 e9 @8 A/ J$ I5 H7 N% v: 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。
& x$ _5 r- ~3 Q# f# [( x+ `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 T ^7 L o- J2 O! y2 m

! A/ z- X J9 Q% \3 x& j5 z- H7 f9 x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。
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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。( `) e! q, q" m% {9 Y4 b2 B7 ?
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。$ M& _8 j, a! Z6 N" r8 \
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。+ x% T6 B- P6 K5 r8 j
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
6 R' Z! V3 l [4 G& Q2 c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”。
- [% p1 V3 Y6 q9 J2 x( w$ k! {这就是神经元的基本原理。
- J' Q5 x |7 ~ d' y" H 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。 # b/ |- n9 ^: M4 X2 T
% }' q$ n* s/ G9 i( {: Q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。
~3 a5 H/ i- W6 H神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
. \, ^+ q* F0 U. [3 j7 d' D6 F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。: w- K( z8 a* z/ B0 \4 a
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。$ Z) X6 I) |; d% m/ c
二、计算机如何识别手写数字# m U; v$ @/ F1 N' H
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。! L$ I2 w8 `. C! d% |! W3 _
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。
% F1 S# m4 B: [) _4 @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?3 u9 m, u+ ^% H$ n2 ~0 \/ ^
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1. 简化+ w ^" ^* s, m e! H
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。: q2 s9 F( a) t* 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。
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5 p( ~" Y! A- ?" a5 ~+ c' v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?9 y. l3 X5 Z9 b3 D* a8 v% x
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。
2 e% H" r1 J ^3 T5 S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
5 E+ }+ h* u8 g0 t5 v& g这就完全是一个数学问题了。
7 P/ k) ^( ]8 o! V3 o+ x1 N+ M2 Y- y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。0 J1 a4 E1 w+ O/ T) e
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。! |% R) { B( x# ^
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 a/ A- i4 q# T
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。
( y4 A0 v$ E/ N+ T! A, x9 l2 u然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
$ E- p, v* w4 N4 v' z! w% R' l& q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。+ J' F( i- H# T, s1 o( q- H
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。 k7 r' q; i2 @. p
2. 设定
& I- {: D3 u- V) \& r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。
8 T3 Z. g; ^4 @* c3 t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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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。
3 H* ]- o2 P1 _& P第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
* w8 L) f9 N. ^( a0 F第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。- m4 x F$ e* u+ o8 M' L( N4 r" M
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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。
8 O5 u [, O2 T8 ~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。) J8 D5 l# N0 [4 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。
# C$ i l! x1 h' q' h# u8 v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。
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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。( p, m; J5 H, b) J* A% ~+ b
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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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7 U) }& C0 S* B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。9 K: d2 W# R* W5 K* I4 o
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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。6 m, G0 Y: d7 F- _" n
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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 V* J, I1 s! j9 E" @6 W
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。/ J2 t ~ z: W7 f2 D
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。
+ S0 F* O& E E# {, w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。
/ C8 F$ L2 H; E- }5 \9 j Z3 D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。
& a A0 E8 ^& _- {1 i( }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。
! Y4 ^3 h7 G) P1 q8 c e1 h. N事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! ; u& }' [# @) H- w. C
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
/ x8 U1 P8 E, [( }1 w1 W N7 o. s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。+ j. g" l* O M# X/ ~( \8 Z
三、卷积网络如何实现图像识别. d0 u; }' \" T7 }& F" D7 e2 l
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。
! K( B( p1 k% N1.“笨办法”和人的办法/ @0 B4 F; i2 t: e; ?8 H+ E
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。
! x: ^' \. G4 j; R {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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0 I0 T- X, ^6 e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。
) n' i* z" O b) O W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。5 v. o- v3 _. ]0 @
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。
! S) |; ~; u' ^. Q5 P3 Q# K5 H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。$ _' W g; l) R1 {: U B4 z
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。
/ o/ u3 s4 E5 h* W/ W# D这么多训练素材上哪找呢?2 m, A8 x& G D# H% E% 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。
Y, K+ v2 P4 d9 D+ p5 V9 ]现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。- B, Q( D( I- h! 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。' f2 E" {8 r4 r9 a( R

1 b# e5 E3 B8 T+ ^# h$ Q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”。
( R3 C# p, v, Z0 H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。" G! O' k+ L0 z6 r, d+ h" h
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”。0 N4 [2 ?$ J4 \: E
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。! ^7 n$ \' R' a+ Y! P. ~0 N
2.竞赛! Y. k% \4 }3 r; E# M( P8 N+ ^
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。+ c2 n8 l# a( w% }3 K4 o+ L
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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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。
0 U5 T5 z! I2 |7 Q3 m" M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。
5 K J* N1 {6 L; B6 @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。% H$ V# T* Z% b8 c! {" m+ K+ G
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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。
% H+ Y$ v* N) b那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。9 Y0 d, c: R' F/ b4 |7 r
3.卷积网络
- D9 z5 F2 q% T$ C, H! @$ g2012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。
- |# O( E8 X. K: 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。- c+ v) G( A4 R' l2 c' e
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 i2 z4 ?' i; p+ z; J
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”。+ D7 G7 R5 f1 C0 o! R! A# Z1 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 U; {0 I: t+ A; E! y5 ?$ p
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。
/ U6 D8 e! j: k- P7 Q1 z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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+ m$ Q6 ^" H4 m( T$ W3 g图片来自cdn.edureka.co; p# i) O6 _( S; q! E6 o. R" [
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第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。6 W3 S2 a. ]0 l) V- v+ 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。. Z/ @! b. {3 E; l- i; r$ S; T {
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。7 u2 B3 ~0 w& L0 }
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。
+ d9 h4 Z' Q! c f2 n( n* sAlexNet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。
* p4 j1 c2 e3 a" \8 X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 T4 X, z" H9 C& {5 k

+ c" y' P" a1 `" S+ N1 Q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。, j7 Z" p4 Y7 ~" _( ~4 I
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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。: o T" a" X2 s; E9 M
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。
* O1 j8 D, f7 g; l4 ^' 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。
( v# [+ v7 H$ r9 _; t; M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 h- K0 x$ D 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。
/ L8 x) w9 A* ~! N5 L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。
" @, j6 A- ~' z2 o/ H5 ~8 e4 ?, C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)。9 W' b9 ]1 h! P0 U9 }7 J
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
# w. u- G1 g; B1 U" E2 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。
* m" v2 [0 z, B. ?2 Y: Z4 }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。
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D9 s: G& S! f: L" r图片来自 Machine Learning Blog& m: l" Z4 Z* e) Z3 f# U! T
( c: ~% @: `5 }3 d' l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。
1 L& y0 N `5 a3 ]6 {2 I# S" A* S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: u( \- z" A" x& v
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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。
% h$ w S# U- H8 Y$ [# q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。
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4.深度学习(不)能干什么- u8 S6 F. N6 P' p7 Q( w. G
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。
3 r. p$ g4 ]1 U0 h* x9 Y: K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。* E6 N/ g1 `* D) Z% P
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
- P8 F. k$ n' O! W& h# }, p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。
9 l% V8 l+ W5 P2012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。! {/ k$ S: o. @/ Z% O6 V- W
深度学习能做一些令人赞叹的事情。* E- B& {# O9 _3 I, F+ m
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。
2 ~5 u/ n t% R! l- w* N! ~+ P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。2 R8 c5 V* P3 v$ v
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
' g: k$ ], n) s) M, O( V+ N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。/ [# P! b4 k0 n8 u
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。
; o0 Y" \. ^* V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? Z) U+ n/ m4 Y7 A' u
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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, K2 R1 z1 K2 u& d& _% }
# q" o$ ?# u1 n 嘿,你在看吗?
7 `: c' f8 D! Q/ U来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
7 H, S9 Y: h$ J0 R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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