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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。
/ _0 c1 U0 ?( q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。6 e- `8 Z" {1 \; q N
读书笔记•人工智能
- E4 u' P5 ~( A8 {4 a H' z* z本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
7 z# e# ]. n7 y( h4 k阅读前,笔记君邀你思考:
, g5 M1 r: N2 k4 @% 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 D- I4 o$ w8 D7 n0 K V0 ]5 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”。$ Q4 ^5 d' C2 Y1 O
以下,尽请欣赏~% m2 a8 {# ~5 m4 I+ P
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。
* ], G" ^ F+ K. 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。
4 |$ I9 N* p( @3 L; u% i1 q2016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。
* F! @" s- t- C7 ^7 }" t2 i- N! q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。
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: \: y& A. ~; o: ~0 P2019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。
4 W- G% T9 T7 \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。
) W3 S0 S- f% x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。' y4 Z& f2 c* B1 W1 p5 S
一、神经网络与深度学习
+ l4 m7 z( x" _9 k4 w为什么要了解深度学习?5 \) m ]3 Y# h5 G& X0 k- f% Z7 M$ \ 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。( k( H- H! b2 d9 W* V) H
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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。
X; O4 X/ O( r2 {& f( ^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。7 ?& d/ c0 [' }% n9 Y9 {
我将重点使用两份参考资料:- I9 I8 Q3 t, N1 B
5 e) Y* u' H0 U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 j$ ]! Q; o0 L' ]
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。
& M0 q+ Y) W/ F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。3 z. X9 R0 ?, ?+ 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。1 U: b4 G# J' |# N
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 v# }% s$ I6 V; E8 s& ^3 Q5 N
1.没有规则的学习
Y2 |# [& k6 b1 m E- h, e& R' ^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。
7 @+ n$ W0 y% a$ B1 h# N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 n" A# X, K' m
首先来看人是怎么识别猫的。
+ x7 i8 L3 N6 A# R) J6 P* k观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
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3 U, Y3 q( a2 k, O2 E: i6 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?: [4 I8 o9 R& A6 ~0 j, I: 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。% n3 d. V k# a! F2 o+ 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。2 V' k- B' I! G/ y- m. {. L% V
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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8 y- u" M& Q- i* i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?
( F& k/ V$ v0 Q4 j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。
2 q% f- J/ @# G5 e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。
8 w2 i; A$ T) l6 c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?
$ [$ b4 H1 S$ D. r: T% W' {& q- f2.神经网络
1 u3 i- t) ^" b5 C( J, g0 [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。
# @: v# Y2 _! _8 O《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。! A( a) g. D# H5 }4 Z1 q9 t* u# i
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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。
* x$ A( k0 r. J' Z8 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 n8 Q0 T0 F/ D2 O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?
! f ^% G' ?3 a+ D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。
* }8 r4 W( }. B$ g# ~& \! K 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。
# Z0 w4 l8 `5 o. l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。
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% w" t$ }+ T7 Z那计算机能不能效法大脑呢?
5 {) `, z5 `& f谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
6 X* M: L; {- p' Z, m3 l$ K( b! ?; m第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。: h3 X6 q' @2 S z" ~2 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。
0 G7 c9 W+ ?' a5 ~6 i第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
8 k! A; K+ `+ P D) S) u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。, L2 s; c- Z4 g1 R
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。
3 B" y4 p: t: g# T# l, l" p1 }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。
' X) P& O* t- I9 @5 j. m这就是神经网络计算要做的事情。# ^( ^) P! b$ s
3.什么是“深度学习”7 s$ n6 k& }% s2 i9 |6 I) B9 E G9 e
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 1 R" J3 Y K. [. }
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图片来自 hackernoon.com3 T& }4 ?4 Z+ [/ O, n% _9 G8 ?
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它从左到右分为三层。
/ A. H# D9 v& Y4 _" _7 x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 |# z% J: Y$ l; g第二层叫“隐藏层”。1 w2 {1 d* f1 S5 m: @
第三层是“输出层”。
& h6 `6 u7 i5 x0 x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。: u8 y; ]& F3 v% `( o4 k
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。7 n9 R7 c# E9 J6 x' L1 \/ M

$ J4 U! h( V0 e' R3 K) Z9 |图片来自 Analytics India Magazine
1 q* s+ _% w" g; z/ f b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。 ?0 s: y* {% `5 T* \
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。1 n& S. ~, O* W0 n
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
( l' F' I$ x9 G, f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。
+ ^7 y/ O6 E }1 I v# F$ O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。$ Q! B4 U: r7 p

- { n/ a6 @9 T. c9 e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。 * @* Y' d/ k8 \& N( S7 X& K
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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。
$ C; G2 v6 w; j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。$ b1 X0 c4 p C' w' |: D( g9 c
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。0 O9 r: ^0 g" u" q
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。! j3 n( E5 P* ~- u) 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”。/ V! \7 o- W; k1 L4 ]0 C
这就是神经元的基本原理。1 M8 y' m+ i2 [ s4 _3 N( b" a+ `( Y
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。
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+ H9 ?3 b; X+ ~+ B* a W: @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。
; L b- n+ r5 J$ B- k+ t" G神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
2 p T' O C; g4 {( h t9 u% L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。% x6 H4 a7 r2 B4 ?/ G, ]; 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。
6 F2 t' h0 S$ J3 |二、计算机如何识别手写数字( s c! P# o3 z8 x" H1 P& g0 v5 c9 @( x
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。
, y+ T7 Z2 t! U2 ?8 @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。
# @6 F3 _, g) q. U8 J" i0 X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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* ]# ]/ n) r% V/ p0 t2 E- e3 O9 F; _1. 简化
) A e' {/ _8 |5 a6 N: P3 O想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
# l$ k; F" c3 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。$ `4 d; e2 \7 t0 c/ ^
. D+ f% E4 h4 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?
" x( ^9 u0 t) T) p3 w2 d3 D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。
. `- D b. U# |& C' x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 —— 1 K' W* i* s; C4 P7 t
+ l* }) ~' G" X( R( d图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
" T& G: T2 c3 M0 Q这就完全是一个数学问题了。4 u) x$ P" j" V$ Y! d. M. ^
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。
, ~$ |2 Q4 g. M这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。; x, {7 h' p$ X' v
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。* x7 r8 t1 A5 n6 I8 c* e
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。
. f$ f% n8 f! \, z然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
6 u( j2 }+ z. A! I+ Y8 _1 K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。
: A4 G! y, Y4 A. k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。
- z9 y" }- B; g9 G) `2. 设定
8 {* h$ U: y$ a+ Z! H% y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。
$ |& K' j9 j+ A7 o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。+ j: A4 W0 j+ z2 X+ K H
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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。6 t$ S% ^2 D* E- _6 P
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。4 S; C" ? A, \
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。
9 B; f' L$ N1 ^, d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。 P# _( \* `( z& v+ H( 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。
9 i( }- N, O3 T! 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。9 }; u$ b. {: m- G
3. 训练4 t) d7 }" r# n- u" s% t* O1 x# Z
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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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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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。, ?) \) u0 b: v
) x2 `1 x9 Y$ B% U1 s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。
4 h( Z! X$ T' z3 ^9 h" J& s, ^- D参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。+ Y( i- c+ C x' G# w% s
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。7 H1 q4 O4 l! ? ~: N
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。
; U5 N( y$ r- l( Z: q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。 [% Y, j% n* t* b, |7 e+ @
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。! G" O z1 g: }3 c' u
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! ' b6 i5 A9 T. M
, T6 Q: x ^5 `, a: I在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
( W% l5 G! f7 ?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。
/ S; P0 w* J' k% @( X; Q, N三、卷积网络如何实现图像识别/ M% e* ?: g& `! n6 n- @
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。
: Y3 F2 U5 S% p" P1.“笨办法”和人的办法
1 S+ s' h5 R: l1 V* S6 {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。
9 Y+ ?1 d0 s+ F9 G. _7 A: u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。2 h- v+ N- [$ V& D

9 p( n3 K4 q1 S2 T' e- t$ Q& ]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。
- B+ M, r" L; 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。8 M* e( Q" Z. l8 c$ 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。
/ U1 ~3 n, @0 s0 e; x6 h: G z. }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。$ M6 V0 F- a6 j9 Q# `( U; h
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。
{5 s& {9 E6 W% w) i这么多训练素材上哪找呢?
& G. ]8 C! R7 ]5 f; ^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。
6 [; |! }& K7 k$ U现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
; |- m5 W1 [( y8 Y$ z; C# I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。; C9 D* ? M/ f, @+ z1 j" b7 a8 `9 `

0 A4 p0 {0 B, ^/ P7 j* R3 |/ ~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”。; j. I) v8 g# 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。' y6 z. | ` F! P# q" ]/ _2 I$ K" m+ 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”。% e8 [4 J' K8 y/ w8 y5 m" u% ~& R
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。5 t. C; o9 ]5 }5 a; t+ i
2.竞赛' _' d6 p0 v# Z$ b( l9 q8 H) 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。0 d" P1 Z% D+ v1 @, j6 T h
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。9 H- b9 W: x$ p6 t

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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。
$ ?. @( F, c2 _& ~* M2 j. }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。; b! t- L+ l+ b( T4 s4 U7 }
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。9 A' q8 o2 W. v g# R
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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。% |: x+ t+ G6 i
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
" b R1 _$ j* H5 K3 T/ T3.卷积网络
" B4 l3 X8 c0 @' F$ f$ j2012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。
. T5 \+ l7 ?( p c" @3 ~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。
' h8 N% H$ m/ t% m9 [8 Y3 |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” 。' p7 j; _; p, N: [) d& Y5 b3 t
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”。
7 G$ N$ l" d. Z( S" D3 l$ b/ l9 H“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。& [! @: R8 i1 ?8 H3 U' s
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。$ Q' J0 `$ }' ^% B3 r- ^
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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9 d( `9 _9 i) ?图片来自cdn.edureka.co5 L* A$ f( T' N7 _; e* g1 h& T. p

! t% |# t/ J/ C" y4 }4 Q第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
* i& D, _* |% r7 ?/ {1 |2 p. d. ~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。; u8 S4 U* {' ?. A# {
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。! M0 a/ l, b1 L7 u) ^6 W% n
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。( G7 ?! g6 q( N. V: f7 `3 l9 h
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。
; M! V% @8 Y1 J" _/ o s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。, {- R3 [- ^0 m3 |
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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。) N8 y1 R5 ^! `1 k( q6 s+ s

3 h" ~8 B, `8 R5 x1 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。. Q% S$ K o3 m9 h8 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。
) V* ]5 s7 V% d! |6 t8 c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。: \+ G6 A! P, W5 r0 i% S# W
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。4 g4 L0 V/ t- t2 q1 C e
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。' _3 n' h# \3 F5 V
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。
2 r% y9 }# _; ]+ 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)。$ v& Y+ F( i" c% ?- E( o P

$ Y; ?2 q! N/ L6 z图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
0 z* W# b3 u; \, Y# T9 L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。
: `# D# [: Y& I3 e7 d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。9 Y( A0 m' f+ p# ~2 v

" T' b' U& w% R r4 Z3 |% g$ `图片来自 Machine Learning Blog
. E s5 L# f9 L2 T9 C+ W v0 j2 o, ?( K0 t; F( ^5 {0 t; K
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。
Z/ g$ w9 K( A1 F- P3 C( @, _1 W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 ~7 }! S b9 \! h

. L* m7 T; D& @! y" l6 MAlexNet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。
; c5 o( ]. O6 b( ]3 J \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!
" R+ l$ c+ H ?/ K$ a; B
4 q3 J, |$ A$ ~( c# O6 h; j* b) V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。& d+ W- q7 s. b
, {. H* f( ]) }, c7 v) c8 l4.深度学习(不)能干什么
L4 u, E7 o' _" V8 z' r7 I$ w+ q3 N4 bAlexNet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。
! r; U/ x8 W6 {; z4 Y5 {7 } @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。
. |6 j5 P- m5 m W2 _0 h5 RGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。5 f5 K$ F1 m+ Y2 |1 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。
: @: P& _0 l: O8 I/ c$ X2012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& k2 ^& H. [# U
深度学习能做一些令人赞叹的事情。- Y! C* `: Y/ ]! S4 h% ?& g# t( q
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。
7 x/ s `% v* M) B: [8 x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。# H4 B$ ]4 C- m5 W
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。. h% }5 }3 y. N6 _! w! E- 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。3 r: ?* d2 t6 l7 j
' `' E' @( V. o4 \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。
& V1 `6 H$ c# H" L& t# l/ V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。
* i1 C- \$ d2 t/ j/ \# C# h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?
# V+ m" A z5 y: @2 r2 D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。! ?3 n3 O- q8 J) e; \" w) [
% C2 A3 G# f) b% b4 ?
& a; j( x: b( D1 i8 F
7 p. V3 P% `) O( O+ d7 C& p! o 嘿,你在看吗?
* c& ]) G' L$ F" |: u7 U来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw4 b* V$ }6 E: K) k: L7 a% T
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