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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 22:24:13 | 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。% j+ |  u% }  q2 q. q/ f
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。. m, e- s$ h, K' P# T- O
读书笔记•人工智能
  R  P3 p, I$ L: z! n6 t. C: G$ t# R本文优质度:★★★+口感:拿铁! W1 @1 C4 b+ b" F  Y$ r9 m- a9 f
阅读前,笔记君邀你思考:1 d" w3 u3 r( J" j
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。
  Y1 t3 g; |4 F/ U* q$ y6 Q' 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”。
/ |& a( d4 [5 I# D; [以下,尽请欣赏~/ ]; C6 _% N8 `4 V" A
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。4 `* ~+ X% T$ I6 R8 C9 y
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。
- s0 X: d5 T2 |4 ?/ P) h" B2016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。
! e  |: B0 L+ _, W4 W* f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。
) I/ {$ N, _- \0 x# x# }( V
, H* u( P5 \8 b! o& d0 t8 M2019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。' J) f2 o6 l5 V$ k3 g# i: I
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。" E& \) _, Y/ }$ 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。: @, E& _. \# L) t- |7 R
一、神经网络与深度学习8 t$ Z: L1 r, X5 Y9 E7 ^
为什么要了解深度学习?1 [4 T5 @9 ^+ Z
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。+ y5 t! d: T6 j' [5 y6 O6 T% i
) U( d* v2 X3 _" H
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈" i2 s0 H$ _4 v! }' Q

% `; ]$ {7 S- e1 i2 m5 c- @9 F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。$ v0 V9 l$ U( S- N$ d( x, q1 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。9 A/ G# `8 o; P8 G( Z
我将重点使用两份参考资料:9 e$ ^1 Q, O8 q4 y

5 q* l( `) @5 d/ r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)。
! b6 m. c* F+ ^2 @- a3 l: E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。
5 w8 h  h- e2 A6 m7 p; }' `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 F& j% c8 w$ f  @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。/ F. V4 X2 Z2 }
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?1 p7 k* j# _% D2 ~* u# n9 L
1.没有规则的学习0 Z- [: E8 N9 z, Z& U5 l/ X0 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。
$ Y: a- z" E1 O6 H5 i3 u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。# m; v. R' |1 @# M3 K
首先来看人是怎么识别猫的。
5 h2 i. s6 H( d% ?9 @观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
$ R/ Z( }+ ?. B8 u" q" ~& Q
0 x1 I. l- Q6 M- O  i& {$ L9 @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?
1 ~# {, u7 |: [0 f6 K& G( k& L6 y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。$ ?& p, Q* O7 X% R* Z5 v- q2 X
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。
# w  Q( o1 S1 `: C* f再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?: l/ t$ Z' Z8 b% o  y6 ~0 P

5 }$ z$ T0 D1 X$ ^3 F! g图片来自 design.tutsplus.com
! A2 U6 \8 x, L) y' F. h/ j. [" k4 z- i% I& _+ v2 ^% F$ H* _2 [
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?
( D+ K$ a4 s  n* e9 X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。
" G* ]: @" a" 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。6 l8 W1 N6 i7 m- 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?
5 M( D) t' g3 y# O" _0 K( ], j2.神经网络( A! ]! t% W( y  k0 @" b! z
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。3 {5 x# X8 b# f4 |
《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。' J* s, k; _4 \5 D( d- g

! P3 b* `" k+ I# J: X1989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。5 |7 Z3 z! W0 ~% l1 }
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。
2 X: r* Z* l2 x2 m" }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?
  y, @" Y" P8 k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。
+ T7 S; @9 L' r% L$ d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。
( Z9 k4 B; {7 L' h/ I1 N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。& A$ f. h* c6 r2 L& R: @
8 A2 k( }1 m% }4 U" B+ Q" J
那计算机能不能效法大脑呢?+ V% Y4 L4 S$ y: w: z  ?" F' ^7 o
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
8 n7 z$ y2 u" h( V! a: M' X$ x" \0 M( L第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
- b( L) {1 M* j! 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。
0 `2 n, S: V3 P) |第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
9 i, b8 L3 o% [' Z& V+ @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' p; @1 E- M; k" C3 A
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。# T( p% Y+ M* T! Y
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。
! \0 g7 H: \! e1 L这就是神经网络计算要做的事情。1 m3 `# Y- e2 M
3.什么是“深度学习”
4 [( M! G0 W( @6 b3 P8 w下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
3 @. y/ E0 \5 f4 Y4 \+ ^5 p$ b7 `/ r: ?, r( |1 ]) `4 N" c4 G
图片来自 hackernoon.com. `; r. Y. f1 }

. Y- H7 n& n+ a; K. D) L它从左到右分为三层。
3 Y- a5 A2 ~. c* Y5 L+ Z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。
6 F/ d; D3 f* E+ ]9 f( S: [% B第二层叫“隐藏层”。# X2 O$ \+ {' y) D$ P3 _: ?7 u
第三层是“输出层”。1 i" A# h- v' P& Q8 O3 J
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。
' a/ ]0 s3 X# I1 T% B  m7 S从下面这张图,你可以看到它的运行过程。6 e" S2 `7 @! d7 Q( M; t

+ D1 m& `) k" y; F/ D% r图片来自 Analytics India Magazine0 Y5 B! {- J, @$ |  B2 y
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。
& P8 D" E* x( N7 e“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
1 B" q1 u: D* y+ o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。) ~) |- j7 P1 I& i5 d: f1 i2 X" M
) j- D4 A2 Q& E/ T- |
图片来自 Towards Data Science 网站& s( u! `" Y$ n. F8 |
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。
2 C3 O* n# c' r" D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 t6 n2 @1 p0 Z" |0 h+ S% D% A  j1 F( U9 D+ S: x# H) \# m8 _
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。
, J5 }- i& N' R' k) }: t" l3 W
8 E7 S8 x6 {* H  ^+ b: a, v& b7 d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。8 l  @5 ^) j0 U0 u
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。  {0 }4 w; b" `
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 o2 s  K5 L" j6 L所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
8 L. @; B, f$ ]; r8 b) \5 h4 h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”。2 H" q/ {% ]" {0 i; v
这就是神经元的基本原理。9 k% w7 C  i" W2 d
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。
% v- G5 {+ a! X3 B# V. X: X. w" w' e8 l+ H2 q* j$ K  b0 d, 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。* E8 d& B, S" U, M# j( e% T
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。  c6 B3 a' a4 }
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。
; \9 \" K' ?; x( Y4 j( I. e' j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。
6 H" ]+ ]% U$ W二、计算机如何识别手写数字9 Z- v; R9 i- W4 C7 ]1 d
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。
  V: ^1 i) p4 s8 ~$ [. d5 ~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。& `5 E; H5 S" R6 p! _- g
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 q& S* O" d8 d- T+ Q) M
+ m! T: m6 ^! k3 ]' |, X1. 简化
3 i4 v5 r4 ^/ _5 b7 N$ d+ ?+ a6 o" g( ~想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
8 L1 c0 [, Q0 M+ d" G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。
% X/ s3 |8 S3 S2 ]3 k: U$ w. G% m6 q, d" Y% v8 K
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?+ s. H4 a9 y9 }
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。
/ E8 x3 b; [3 M. H  b* p5 G9 p( a; ?  J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 —— : A9 V; ~" S8 h0 q  s
3 [* h0 ^# u, N& Y. ?
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28: X" v' Y; L( b8 f
这就完全是一个数学问题了。
4 i+ I& W% n7 B7 R! M8 C( s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 w1 Q. l  [+ @这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
5 c7 r8 ^* z$ c# \7 h7 I! D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。
* l! ~, W+ c5 ~% }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。
) c9 D. m$ V% @5 K然而,这种人为找规律的思路非常不可行。/ l" m7 n: w" y$ ^& O
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。: p6 ^( b& p* E' {
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。
# h! T. |" E) f5 V: g% {2. 设定" j8 m  J  j+ q- m' ]
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。# p! _. T# B  ?. x
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。8 Z# Q. }+ }6 u- h
$ z: o( _1 T; G, @: U: P" o( J) B
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。
7 Z. {6 }0 h4 n# w第二层是隐藏层,由15个神经元组成。+ [* V3 g' y/ L+ u
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
6 c% @8 I, P$ J! s0 F1 b0 ]& E. I, J& |9 |  K
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。
  L3 u2 `$ d- j1 _8 N9 Y+ V. [8 }6 y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 _: m3 w$ R. Y9 _) X! b8 ~; Z) B: {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。
4 K+ C/ k; {+ i7 d* T/ m6 ?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。
3 I: K* C8 w1 V+ B& S7 F. K3. 训练
5 o, s+ L; a! g4 r% E4 |& y8 g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。: A, s: @8 f2 ]1 s+ P( Z, \

4 T2 g* P# i1 E  Q* I8 Q2 F+ Y" s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。
- W8 k+ {' w/ h2 l( P$ ~6 l/ q% _" j# {/ S8 a9 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。
! _2 V5 n  u9 k
2 A" t6 x- \# V: h8 b# f0 J+ O2 [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 q' p/ ?: `+ X, @2 m! l
. o! }4 e1 q0 p% v! n. v' J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。
+ q" a" h4 B' u2 Z参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。0 b, Z* ]% z' q& B1 v( K
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。
# M5 [: d" S' A) R* q8 F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 l  A* m4 U9 U/ f, w1 G3 P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。' W7 _3 I, ]$ E( {/ ?7 x' j
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。- \4 u% D; o! J
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! # }. u: z( E6 a, D

9 g  Y0 W; w6 J1 J: r5 m) [& y在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
% E; d' B/ Q) [5 l% 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。
' H' @5 r, }* E& D/ k" E三、卷积网络如何实现图像识别
4 ]$ Z/ C' k! P! K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 V: O  g$ r8 G1.“笨办法”和人的办法
, D6 C$ f; I2 [: T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。
% G; T1 r( E5 s, F; h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。3 i, h6 T' S, h; H
' S) p' c3 x& y. u1 @
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。2 k# c2 n/ q8 j; l% I' S7 {
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。
; `, v1 ~$ x' \- k+ C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。
5 p' z% M) x) \7 L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。3 n8 V" h7 Z3 n- A) Y2 `
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。
# |- d5 t  S& ~% M3 G这么多训练素材上哪找呢?
- a* I2 p- c6 V- i- R. J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。
% c) h: M9 w$ l现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
; x; E# W9 z6 r8 }$ y, f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$ {1 }+ B. e

" m% G8 C0 v* |4 B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”。
! I6 T3 _. W! \, I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。, \/ u) {/ U# _: L# T
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”。% H: C* X+ \" Z% |- h: o& P2 N
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。. _. [/ j: O6 v9 B+ o
2.竞赛- n5 O, b# T" [! M$ o6 q& A6 t
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。
5 X& z/ V6 h  d. i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。
3 W% B8 h; |- K( U# Q7 i
2 n% }6 t& b6 |: v; W2 c" c5 F! ]0 h7 k  V& F  o& P. z5 D- G
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+ x+ S7 ]" S* ]3 C# 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。2 k6 P. Z& B( C$ b4 B: h
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。
( Q3 r+ k; J8 m: ]! i( E6 Z
& Q, X$ N5 Y# u. J+ i) M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。$ k2 N, j* A: W6 k! h0 p
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。% o2 a4 ?& Y* @2 q( }
3.卷积网络
+ Q2 f7 \$ g& R! p. H* z' T" [( d' D2012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。& [& G5 G, [; w  U& i# N
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。* M4 c: M3 ^( D8 I+ y) 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” 。
+ m: c$ c5 K, _0 B4 T1 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”。
2 ?* N& d$ A2 a2 G$ B“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。
, v' Z6 m) c  Y  S2 _4 Q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。
# A8 ^' T# h, a0 a5 X, _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。
7 G1 i; s. P  H. \. q1 b$ i; b+ {7 S& A5 O! |
图片来自cdn.edureka.co" |( |! V. B2 K/ {" s

6 Y6 P$ D0 z+ e3 S0 ?- s5 R5 E8 M第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。/ x1 ^  L$ e- ?& c; j- t& 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。
. T7 P! J7 J$ U  g& S5 @第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。/ b$ u; z+ N& s1 Q" q7 m
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。
! S) |: F. j7 _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。) `9 C( O9 ?9 W0 j; d6 P3 M; ~
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。% d$ _% }4 F! d

0 ?( {' H0 D9 F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。- V$ d; d2 F, f/ O
0 n& ~) }# L- E
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。2 n' |  G/ m" u# g( u* G( D" T
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。1 Q+ U' G8 @$ \& r
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。+ z6 U+ I3 h2 L6 p- }, M; f* X
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 r5 A  ]) v& {: G/ a( J
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。
' b, `: Q$ d/ l$ t$ h7 g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。" A' w4 h0 J& _) M
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 ?! E  M" G% ~& l. m1 [! E2 o- ]# r) N5 ^8 @8 N* J8 {
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
2 W: Q1 ]$ Z0 ]8 m9 O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。
5 `, {2 u1 W0 U- p- S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。
# n  c) s- G' a6 v0 l
: k* \8 c+ D, f- m& G图片来自 Machine Learning Blog6 q* ?1 w! ]3 ~! i

# N2 }# Q& h5 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。
  v8 L- M8 O- d/ ^! J# v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。
. ^6 {( m3 {" l; N
& `) s' E+ r4 I2 G% P% fAlexNet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。6 V! P  d  b! i- y2 z; A, T5 x5 R
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!( V' }3 e) v! k1 Q$ B

) B' C) f, W0 j4 A3 `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。
! R# ]9 u, l. `! ^9 w' g7 ]% b# R( I  ^6 e  s
4.深度学习(不)能干什么3 r2 E3 j6 K7 k
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。
" S0 `/ X9 C* t/ E& W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。" z7 E6 M) {) \1 }& E" I, M" i* ~
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
' b: v) ~) s& _- K! o9 S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。# o" N5 `3 ^6 B* u  s! i' Q
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。5 Q& N$ s* R* ^0 }5 @% k
深度学习能做一些令人赞叹的事情。  Z; f3 u1 X0 N. U3 \" V. J
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。5 v; V1 C, V2 w+ G
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。' J5 }+ w. p$ N$ |' D( K
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。- ^5 C2 V6 f( v: V1 ?4 Y
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 A6 E9 q- h3 h
) Y+ H% N0 Q: @9 K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。" O. o2 @2 d! q1 Y) }
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。$ [+ ~4 _& I- o1 u. 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?: O0 \2 _/ Q# o; s% Y9 U7 J
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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1 [3 O4 i- I# o. X) j' j4 O嘿,你在看吗?
' q4 `1 c0 l* D来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
% g, {. H9 Q7 {$ x4 F& {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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