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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 22:25:16 | 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。. v3 J% R" X6 \3 Y; r# V/ 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。
! G  D* W. C6 o  N5 }. H9 r: Z8 ^读书笔记•人工智能7 q6 x: ?  `, X' |- M& w
本文优质度:★★★+口感:拿铁- W" k! p, H9 N" C; {* Y
阅读前,笔记君邀你思考:
$ v$ H, h' S) p9 s% Z* n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。# W+ C: g4 V- P' a- S# ?2 u
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”。9 |, k) V, e8 d7 c7 p
以下,尽请欣赏~
2 I7 v$ w& n* `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。
$ m6 H6 o) `3 m- b; j2016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。  q/ ?  w) q, a3 `9 x! U- R
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。
. z9 Y0 s+ L5 o* 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。1 f  b* x% ^' X, H- Z

. u6 }! V8 \! A! d2019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。
2 N3 \; }! s. e+ i2 p. a- c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。. v# E$ V! W8 j+ V
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。
! p0 g% r7 W8 c! k% H7 [- R一、神经网络与深度学习* _" v" O* \  j4 z( p' s
为什么要了解深度学习?1 u0 Z. ~& D4 V# ^
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。6 m) O% n3 o8 ~* e7 I% v
5 Q# r7 l( N+ G" v3 v
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
9 J; F* O" n0 W/ \# a1 b  v3 Q$ a# E+ W6 {- j
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: ^" @, @$ q1 j: p9 \
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。
& ?! j1 G+ c) ?$ n. C我将重点使用两份参考资料:+ l8 M! b6 Y( Z+ _  C0 r% r
. T6 O' P; t2 I; h/ v
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)。4 j4 _1 y" s9 w- B* |1 C1 W
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。
' |* a. P, y% y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。& i! f0 F! U. W: `8 X' U+ }: q
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。! [( v7 o8 V8 q5 J" p1 H* _
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?2 b1 J: j/ |. i+ d. ~; R  ~
1.没有规则的学习
5 }. }" t8 h+ m8 V' i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 W8 F7 ]. a* I; Y' v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。6 T% u" N+ ^. k3 t" @
首先来看人是怎么识别猫的。
, q1 o& I$ g8 E5 X9 E3 i; ]观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、/ t! P6 [3 g/ \* f$ n& L  i7 a
7 `) b' j! |' g
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?$ ]; W8 N- Z+ e  K" K( i
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。
4 h5 M/ L3 P, Z1 f6 L: t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。- L- w! Q. t* b9 l/ f+ |, U
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
. Y& x1 d1 e8 T$ |9 c9 x  M3 v+ H! ]9 c2 w4 y4 m) L
图片来自 design.tutsplus.com
% a5 W0 j. ^  g2 c0 ~3 m4 P5 y
8 d9 }: u- f4 ?, i% B' f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?- e' l; V" x8 R4 [6 C
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。
- ?( l2 l; v2 z' q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。3 y: Q. G6 B9 A4 ^' T& F
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?
( V/ V% U9 N7 W2.神经网络: r5 b: d+ S  ]- v0 D
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。1 P# R0 i; ?* H# Q+ @) {
《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。7 q- u- g+ l& A( z, c
6 t+ j1 |. r; L' x, P5 r
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。
  a7 i& K8 U+ H5 z$ 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。
! ]% K2 ]( c6 d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?
2 `8 N1 U2 o7 f( S9 f" 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。
4 Y+ ~7 }: j: `1 d# H# i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。0 k) H3 G1 w* k: P, |4 w
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。
/ F9 l) I; O4 \( F0 X( L- J% B. o6 O( K1 o& D5 ]3 ^& N
那计算机能不能效法大脑呢?
0 K6 f5 Q$ ?; o0 h" W4 d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 \# R- O4 r( ^5 p- m1 |' {
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
: h# f% I; t# c9 L6 p4 O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。
/ l0 ?( Y# g' c( E. c' G8 @第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。7 \$ K$ ?$ a5 b$ Y1 q2 J8 D
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。1 ]- [3 f+ h6 H- I+ z
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。
; a* ]! P. R8 y! p" F0 a8 X4 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。5 V6 o& {3 h% Y9 h1 W# o
这就是神经网络计算要做的事情。
( ]( O  \7 v2 V7 ^0 l+ p, Z, \3.什么是“深度学习”+ q0 D) i& e" R% K" q) G0 H, g
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
. E& ?. g! G5 [8 v- k& t, G+ D2 ~/ G" V4 p8 [
图片来自 hackernoon.com
2 `7 V6 K$ i0 x5 Y7 T& B8 H- h7 M  q4 W" F
它从左到右分为三层。
: @3 f; P# p6 G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。: C+ v2 _6 X. ^
第二层叫“隐藏层”。
/ L- {: w9 W2 v第三层是“输出层”。
: _* H8 k: c; O3 l) P  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。6 r+ `' ~& H$ p. ?
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
7 b+ c" j3 C' B! k& @3 [. I% T2 U/ s+ G' L* F/ X; l$ \0 _4 Q
图片来自 Analytics India Magazine! z  F  p% N% j# ?8 [
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。
5 `7 J: N, Z- b+ ]2 X% G“深度”的字面意思就是层次比较“深”。" E7 P1 `0 N. z: C* V
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。
$ u2 U  ~5 F8 U( c5 q8 u( g1 ~. m3 _- G7 O) u, ^8 m" ?. L" v! c5 `  V
图片来自 Towards Data Science 网站& T# u+ z$ \0 O( |" j. h
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。0 N4 e& I( p0 ^/ T7 _; w
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。' E8 z$ e5 w+ R. j4 h. w3 n
" Q$ v  X$ l1 H. a' Z1 x6 G9 [7 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。
/ W4 _1 Q7 z  D% C3 G& B9 j' J" M4 D" E1 P1 C- W1 q, b$ F
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! A/ I- I0 \& @1 z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。! L9 I7 n1 a9 f( Q* q- S  b' Q
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。% Q! ~* }1 ~% B* y3 Q0 H
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
" [" F0 ?& i; g( \& T3 x1 }. {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”。
, y% a0 T1 f, i这就是神经元的基本原理。9 g- O* z9 ~# Y; ^) W& y. L
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。 7 Z- ~' A% W) x" Z. s, [
8 t# K7 U# \4 J( i; O: U. B
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。) x! n% x9 a& W! z1 J2 r2 a+ \* U- m
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。& N3 r9 W: L4 i
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。
4 v% S( Z, L  \7 E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。
, @- p1 U" `1 s, v# F+ a; H% @' }二、计算机如何识别手写数字
9 v% L0 @. `5 W$ y; T: ~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。
  D0 o3 \* F0 Z' Z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。3 ?6 K) A  i' o& G% A  l; ^
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?4 @/ g9 F) R/ y9 d- n' k1 d: p* T7 j
. y& S! `# k  {! l
1. 简化3 ^6 T5 t4 a' S' ~
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
" j0 }! f! F: r- X6 N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。
! K  k% ]3 u/ ]- s! ~" P1 m8 X$ o; D7 y: @1 x; N
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?/ t3 C, y3 j% M! Y# `* a3 ^
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。
+ I( |2 U3 Q7 ]9 X# ?; u, B9 N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 —— 5 d% j: ]# m  j
& u+ R( x+ K) m/ @8 k2 P
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28( Y3 [. h* y1 b( l
这就完全是一个数学问题了。& x/ J! Z+ _, C) j
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。
. e0 z  L2 @( g这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
% d* Q* n+ ^6 W- ^( C% T7 ~( W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。
& E3 t$ {4 k( ?7 L4 b$ O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。
& s# u# Q. N7 Q# E3 N然而,这种人为找规律的思路非常不可行。! }" z' b9 e: \
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。/ S5 h$ l4 V" B0 F6 X
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。
; R# K! x7 ^6 {% t  Q- o2. 设定3 ^3 H; h9 ~* h7 S2 U1 ^
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。
1 H" x: Z2 ]1 @' L8 j1 g! @% ~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。
% i2 {4 I5 x8 @
# ]- i6 M: D1 B* 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。% r" ]0 J: l$ c# \2 v! g. R- w
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
6 T' y: Y1 Z1 U9 W! ~  x8 `第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
$ Y9 @; T2 o9 @: s- A
4 Z+ X+ k2 _) |) d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。
4 c; T- l9 P4 D" Y0 t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。
; _, [3 v9 q" P+ v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。
- j2 @1 B7 o+ S& L: [4 c" O7 S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。- T. \& K( C0 h
3. 训练
4 G! P; ~( M! m% t' o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。- a8 h, f( ]/ l
' }4 \9 H1 V1 u! H! b# 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。
1 K3 R9 q1 L( d! y
+ x# O0 T, x9 W) N! J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。) g! t: C1 T$ T0 z
4 b5 c% q" }, \
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。
/ u! [5 ^8 ?# w
/ S/ F* e1 D! h. [: `$ 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。' g, G! D( ]. D
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
1 z; p% l2 I9 k# z, 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。
3 o! _9 x; M( q8 S/ g0 A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。
4 }$ g, B3 K1 d& b8 j& h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。3 d0 |' d( M: p4 B8 A% h9 s" Y
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。
# E8 ^# F) p0 l事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! ; {" J! ~; o2 r1 |' H3 g) h' E
& u- P6 g8 g# \, f" P
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。3 ?* T9 q, O. E
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。9 R8 S% b! K& R, |3 N
三、卷积网络如何实现图像识别
% l2 ~$ A2 w2 ]2 C* O+ p3 {8 A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。
5 g- P# K" R) C) D1.“笨办法”和人的办法
+ r2 t+ l& u0 W7 t2 Y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。
' ]; e0 m% _4 `4 o0 x5 B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。
; s+ z  T4 R; G' F! `# z
7 C% J1 b& Q! i0 P6 e: m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。& S0 E* M; e4 o1 W! ~0 j+ {
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。
2 |7 d* {7 Q! F; l' P& ~% \5 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。6 Z5 J$ W. z; v/ m% \9 _
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。
4 y' j3 x, y  T- Z' X* I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。
2 Z1 U  W9 Y: D4 l这么多训练素材上哪找呢?1 h1 A9 w% C2 x0 R* r
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。" H. E" H# K5 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。$ P9 ]" R$ P7 C) U" q, O
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。
& M$ ]4 x: @/ F+ q, z) f( q
# W; |! q; a1 I" E. n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”。
- _5 a! c) W' \& ]9 z5 D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。
' m$ Z& O) L/ z; \9 }+ @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”。2 S( S) p1 A. Q% p
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。( R5 [0 s# y# {  W6 l8 L% z! X2 V) P
2.竞赛. B3 Q8 V- X/ w3 X5 g! K
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。
* E2 H2 \0 L  r0 O/ ~- ?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 y& A; H- x5 H' |: I- |7 @. B( P% W6 W0 I9 D( K) Y$ U4 H

; ?' b6 i. w7 k7 V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。
" R8 g! _6 x9 F8 \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。
, ^: s" w- B7 I* W# m! K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/ b4 }/ b) t- C/ I( L
2 ]; K2 o. R  p
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。- N/ C2 }- `! O& y1 k
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
7 n# f* g6 W" `) V$ R5 B1 _% H3.卷积网络
3 p0 z# J0 c( {0 h3 I( q2012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。
6 ]0 O% W7 ~- K4 R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。9 E! U, P( |2 A! I
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” 。$ n5 \$ `. ?9 P5 f9 M
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”。
# Q# \/ ?  \2 c1 k5 p* j) T“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。6 K6 R1 J" l7 g9 x
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。
' R3 s+ z8 D' c$ I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。# ]+ @) Q' g- d
6 q# s/ Y7 H5 Z+ v; ?& t4 C. M
图片来自cdn.edureka.co
: ~9 y  |" M  |1 R, g' w8 a2 r- m! {7 J+ v1 a/ V* Y$ u* v
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
6 Z# [# h* L3 f9 {2 F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。$ P# h7 X/ U, V/ o8 T& y9 u
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。7 a1 t# D) ^+ q
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% a  j* ~7 u: I4 {/ e
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。4 S$ t9 [2 ]0 U) w' E8 h1 a& n2 u
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。
4 ^7 h4 ~0 e0 v
/ Z# R6 o' O, {% h/ b. 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。
, P. _: t+ i4 e- z' J
5 B, s$ ], N) q4 t& ^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。) K, l6 j% J3 I9 Q3 m) U; @( {
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。5 H2 X/ d. m& c8 ^0 ~4 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。8 \( l. R9 ?) H1 P$ O1 T
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。  B! l9 _/ ~9 W! r$ A1 O. [
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。
2 w& O! X/ ?& q4 z# K; ]2 Q% D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。; C4 A) B1 t* |9 J3 Q) X8 ]
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)。" R% I1 ]' h* l7 {. a- G. K3 N9 s& k
- |, T- Y1 i8 k: G
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression4 R# o! A/ k) A) V1 g0 R5 Y
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。
7 F& n& }, f! l: @' N; K9 T- B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 u! w6 G& `) }
7 l+ G* B7 Z: y& [6 }1 D
图片来自 Machine Learning Blog$ {( [" ?; B, `2 h- Q

* f9 S  e, P# d( Q1 M, 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。" s# K: Y9 x& k) {5 e
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。* r; t8 b, u# X0 y3 N7 e6 [  n6 d

  c1 N; a9 o1 O0 k$ jAlexNet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。
* D* o5 [0 r; E" h5 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!$ d* ?7 o& M" P7 k- q
* H+ C- b% x  R- U2 x
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。5 d* `8 U, k; N; ^
, `2 K; D; P+ o& M  r  J) \
4.深度学习(不)能干什么
" C* V& I( M: O! c( zAlexNet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。* @  \* z- }5 \+ H4 I
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。$ W( D! g' ?1 N+ u: j( j/ k
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
, Y, z! P# e7 N" k7 x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。
, L2 e" i) Z, Y3 p' k2012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。
3 |6 k& b9 ^4 |深度学习能做一些令人赞叹的事情。  J/ K9 n2 L/ L. V! G! P7 _4 c
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 Q4 E- R# O$ E
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。9 H2 w4 b; o5 l# \9 n
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。  E3 [9 a; h* i9 s" r% R* K' n  i0 v
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。. `  a& T9 S' ]0 G: H2 [
" A* c7 O' K, v
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。
) E3 ?( b4 T. U) b- U( x. e" s- l) k$ z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。! v5 o4 X/ u! X4 l1 }  B' [/ _% \
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?
) F3 \. D) K: H6 ^; X2 E' W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。# h* c6 O3 w# d) C, z( y
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3 T2 h3 [* U; `! D. {! b5 \3 d

* t4 Z4 ?8 b7 ?7 t0 A- L- P, N& n* F0 u嘿,你在看吗?9 ]3 s: r0 h! X' z- f
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
- v3 a7 Y- s1 m* {- P. z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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