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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。1 K. Y5 }) |. \6 C' [/ ~
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。
  V1 H# T/ V7 D: T' |4 h' c5 `读书笔记•人工智能
7 j% D: _& O8 U本文优质度:★★★+口感:拿铁/ w; R  F- t" b( A% j
阅读前,笔记君邀你思考:
, w. [! f' N+ Z8 L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。$ Z8 X4 J4 J# J/ O7 N
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”。
: z6 H# v" m; Z  ], S) v1 W. h: Z* L5 a以下,尽请欣赏~
+ M1 x: R+ m5 h6 v; E4 j6 v1956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。
0 G) `6 J6 R# `: i2016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。
  z$ L3 M* O- P1 J  \2 l9 K4 n2016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。/ Y7 S6 `) {4 r$ y  j  ]
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。; F& ]" t5 [9 ~1 i
: k+ e6 P2 E  Z8 @! o2 @4 a" G% g
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。
7 j$ }/ M9 Y8 @0 q. f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。
* q4 ]8 L  R3 Z6 }, u( K! Y8 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。
$ n. L5 V" b- a6 j4 W一、神经网络与深度学习
+ q% j' B7 j+ \  a为什么要了解深度学习?
5 s/ K+ Y/ u, K4 |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。# {3 |4 i2 @: c* u( Y3 n

( K  P0 t. L; S0 Z' m) S) J% x▲ 长按图片保存可分享至朋友圈. Q" c  u( S, O6 b
( j1 m9 ?' y/ k1 D  R" 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。: B& v/ q: m2 V+ h3 X9 I7 s/ n  N1 {) a
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。3 O+ \! v9 K0 q; w3 ?2 a5 N" S
我将重点使用两份参考资料:! }' @9 I5 t, w# ]
; j% A0 o, l. D: {1 x+ `
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)。
) y6 m. g6 n* D4 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。
, J7 {9 ^) n4 e( s+ }$ 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。# F; T" K0 |5 }+ k; I" 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。% [1 {3 U+ M; i- a, U: ^, v, R
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?
: W) J: l! @0 N8 V1.没有规则的学习& l2 I/ o; e' E+ J1 k
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。
1 s* f# ?0 W2 e! h0 ?. ?! 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。9 A* M# l8 R& d7 K  v
首先来看人是怎么识别猫的。
* E! `% _% Q- Q6 Y9 V( W! z观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
3 z* y) @% x; N1 O8 F' y
" y$ y) S) z. p+ }0 \4 N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?8 N& J; V9 D' h5 a% p: C
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。
. {1 q# j" |" 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。
9 f5 E% Z. }$ Z, S. m$ h* p. h. U再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?3 X" l: }+ b+ q6 I
  k3 o  D5 }, }, X, V
图片来自 design.tutsplus.com
3 D! L6 L; t/ n7 a' B1 \$ x$ M$ b/ q
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?
6 f0 E; a, n) X% H# B; I6 z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 G+ a7 H. }
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。- ?1 |+ ~- o5 O) z! n* H
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?1 I8 a& o  n8 ?$ B2 V! ~3 R
2.神经网络
- M$ h$ f) J: O: o2 b3 h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 }# y, T% h8 C《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 }- ~* o+ W  Y6 y- u7 J" @7 Q
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/ D  `! @7 E* A2 e  [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。  x6 a0 U  E8 f* K! q
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?5 |% n2 c6 J8 }# L$ T: k- ]0 n
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。
. [5 W5 v0 x3 y( E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。
: W5 C3 {% X! ^& ~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。# p8 E0 ?' I( B( v

8 _6 Z( {( G) F$ _5 Z那计算机能不能效法大脑呢?. Y$ T4 J) k3 g: K( t; 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。
* N" b' @5 h: K+ o3 ?) b2 L/ _. V第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
9 S8 G) E# K' t* g& D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。
: ?, u; H" R( n: {: H第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
4 G' [$ u3 @/ J, ~$ y2 Q, G& ]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。$ t' e  R, L/ j4 N9 J& B/ |
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。
; o! }  \: k/ y+ ], _3 `, a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。9 T3 y' Z' R! U( B8 e8 D5 c
这就是神经网络计算要做的事情。; H# c) E2 l+ {! f4 K
3.什么是“深度学习”, e2 e' a/ a6 |! s  ?8 `, g
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 ! b8 r6 H, x+ ~+ a, H+ |8 Z( y8 `+ J% q

# s. N2 k& R4 T' e图片来自 hackernoon.com; d" D; {' ^' m6 X2 k. z1 {
6 r8 `: G% q/ X7 {8 M
它从左到右分为三层。; n& p8 j; ]% [5 }! r; T
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。
4 R% q! q& d! d第二层叫“隐藏层”。
4 o1 c+ `3 q" u7 z* ?8 P/ \第三层是“输出层”。* O& v( {  {; S" E
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 H1 t0 T- T; ~) \从下面这张图,你可以看到它的运行过程。7 Q+ q+ j3 p2 ?+ W7 T
3 f' b6 _5 M6 j3 l$ x! v
图片来自 Analytics India Magazine' [+ O6 C' p  r
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 b* r+ F) j; ^  T% V4 r+ t“深度”的字面意思就是层次比较“深”。" n$ p" Y6 M! v, ?1 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。% X9 I, ~+ ?% m5 ~- O  C% m
4 E3 O6 y3 t1 f; R. A( F
图片来自 Towards Data Science 网站
5 w7 n: p, o# @; V( t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 F7 p# z& k0 [( a- @5 W  H
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。
# h- T7 I. R( y' N
/ f0 y) d6 g( y! O, n( m' V( P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。
" B. ^( J3 G& j4 O& l! ~6 a, R: ^
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。: ]: Y+ @) d. T- y0 k9 p- N
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。) K6 N5 |0 L8 ^$ I/ @9 F4 j9 k$ G
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 y2 @- ]( o' U% `, h. ]0 S
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。! u3 t5 o4 H. _  V) T
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”。( P. G" w, m% H) J) D
这就是神经元的基本原理。
/ n3 C) m2 d; S. T& f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。 . i3 o4 s! _1 y# L. ]

% F1 k. S& a' l: O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。
  Z& S/ P; h: v! x, f神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。) `& F# ]" P. H1 }
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。
) e+ M! e$ T! C4 ^" `# J6 N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。
. g9 K6 L- Y' _0 h% \; ^: T# D二、计算机如何识别手写数字
! }& @6 B6 F* s/ p+ h% y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。
. ?( D' H/ R0 T  X$ r" _3 r1 {+ ^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 i+ H+ V4 h8 o# w& T* h
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?
6 Q7 k( t" O3 y, S3 W( `: h$ w1 R! d, q, @) i! p  t& q
1. 简化# e! Z4 \8 a$ k& J9 y( l
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。2 |6 O. S) Q( X3 x+ |
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。
# b8 I* L, d$ ~' J' z! D7 i- o
4 t- j6 k5 h( t7 f  n: W8 M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?
0 v# n. [$ Q1 s' E, P8 H) W& `$ m# v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。
9 ?( p$ a3 |. p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 ——
, s2 O0 q. h! L, s, t- Y# A1 A& w' \
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28$ b0 I% b: y6 N8 R8 f% ]
这就完全是一个数学问题了。
$ m8 n; ~& ]$ }' ?* 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。
  I% W, ]+ K" M+ p* @% g6 I, W这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。5 p+ G5 ^7 q: C: u, K* E- i9 l
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。& Y% `$ E6 J1 h
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。2 Z) Y" n/ @2 K, t5 _% j3 {
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
3 @0 q5 k9 @) y$ N' N' n) D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。
' x3 Q+ C& m. r, T8 {( 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。
! d* H2 R$ I- I6 j" S2. 设定
; |6 l  I3 w- S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。# w( P$ i  M& o0 S
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。
% n1 m* X# T+ ~" w$ W; D3 P2 i. S
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。
8 p1 n, k# k8 @% N' |第二层是隐藏层,由15个神经元组成。3 {& Y0 ?% B9 K
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。, W- }( P+ _0 G- b5 @

, o1 s; F  Z! V2 h2 b% e) A! M5 q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。7 \& e. E% C2 f3 p1 S/ k" L; S
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。
. V7 {% E0 ]& 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。
0 M0 S- o8 p) q  G) f& w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。& }7 q% m: u( u4 ]: F- [: }
3. 训练
: n- I% q3 {& F5 ?" w1 n8 C/ M' ?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。
6 u" ~8 k% S- B8 ]( J- m
4 m$ y: N, o  |  V% J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。
* n$ Q/ i7 m8 Q# K7 a; Q" r
2 I, I' c" H4 y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。
5 @0 W/ |  c  z# T
) V- Q& _( R! M$ J6 O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。
0 u( e# ^- H( n1 p% K& {  [3 V7 M# Q* Y
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。/ C; c+ W) Z8 A2 b( E: g9 ~
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
$ Q. A( H5 X" ^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。$ A9 k2 G+ y" Z  N) L; v  U) M2 _
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。
! h, Q# _" Y6 ?7 A; _1 x3 ]& x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。" R6 Q% F$ F3 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。. a/ s" `, i& o5 `
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
5 j, b! @. n' }& q$ `: j, f7 A1 |8 p* K# T0 x% J2 q( X2 R, f$ M
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
6 Z5 h5 p. w2 ]8 M8 V6 a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。" r( l" [/ B9 t8 n( q$ z
三、卷积网络如何实现图像识别
  M3 U, Y5 r  T3 t- v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。2 `2 ]" L$ k! X2 K' ]. |
1.“笨办法”和人的办法
# K0 z7 [9 g, c' v! i# k7 |0 B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。" \- k, T& n0 b- F6 I# X* `6 D
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。% S3 f% x4 n, E7 U2 V- u7 E
+ y9 W! O  I/ }7 W# q7 V9 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。. V# n* p- n0 k# M  q- 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。: V& g5 I% b7 i3 \8 v) o# b
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。" X8 o+ \* J4 o' t2 S9 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 H6 K% F4 v3 k1 n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。
* l- E9 i  Z' f0 s& {! V7 ~这么多训练素材上哪找呢?
% K2 u2 b% k% M0 n5 `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。
+ H2 v! v! `$ f! v) p0 ^现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。. ^( C& p7 N  y8 @; k, 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。
7 q) \9 a) h- N2 W) ^" U
9 R! ?* H7 V) h4 A1 T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”。
9 K: W, K( M+ ?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。
( G0 L) b7 K8 {( r4 s1 J, V7 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”。  O7 N$ B7 z: i4 A6 J
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。# {# c1 h7 ]$ L( j
2.竞赛
3 D: {/ |+ r: P! }' |6 F$ U$ w2 P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。, V, |! H! j* b1 R* r. h$ 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。/ S$ Z) J9 a$ d! T8 H3 h# {
/ @/ I# L$ k3 t' F# Y

. M$ t3 ?5 r; c: \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。, o# O8 d. ]' }3 v7 [/ V
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。
: \8 T% f7 Z6 e9 j! T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。5 J0 B) b4 u1 h* d5 M

1 y5 U2 v  J& c* n1 T, 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。
4 ^! Y  f$ P) f3 n3 ]那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。% J, {" P" ~  `, \6 x2 ^* D
3.卷积网络$ f8 h; ]( A  d5 R( C
2012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。3 f8 _3 z5 {& b) D6 \4 l
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。
6 y$ [& ]. V1 f4 V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” 。
! l" N& z4 b3 z  l& v1 b2 N" Z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”。. w2 R6 c8 M3 D* r/ q; r
“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。
! R' O+ j" K3 Z- y/ W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。- ]3 v7 _( n2 q* `( t9 C8 ^
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。
/ `+ S& m+ \7 y# D
. M0 y& @7 n. O3 }图片来自cdn.edureka.co
2 Z* h6 q* ?6 o' o7 q; d$ P5 L, P+ C$ z$ l8 V
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
3 g, u& B% T" {0 D; W! u6 |5 E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。
: x" n+ `0 C* P# Y4 n3 S% A第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
& L: B+ |' o5 z- u7 X% U1 j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- b4 i8 O% m+ _$ EAlexNet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。
8 G1 ?* h8 J8 @& V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。1 H3 q3 l+ s2 ?5 K- S

& W* j. w( o' D5 S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。' M0 @/ {3 k* e( z  F
  ]* O* V0 [9 x" L
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。4 e! D5 p3 e% z
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。8 F6 \) @5 _4 ?3 i, B, B; g- n
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。
( N9 Z+ Q+ p9 U# z% W# I$ ^5 b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。, n+ l+ Y+ z/ z/ V5 [
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。/ t; r3 x: n& u' q3 d' b' E3 h
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。
: y' s4 k1 m; `, y" e( E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)。+ M4 A; X* ~/ @: c: }
, z* V' @* p& ~$ V8 \, t; Q- q
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
; K; q& o2 l+ p5 V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。
! h( a7 \; k  H7 p. i5 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。
0 {3 C# Z) k3 }. \1 q
0 K. S, m# {; j9 z/ M3 C0 H图片来自 Machine Learning Blog
+ T; j! b; v/ j  |. G% v; F2 C$ f& h. F% y
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。$ j7 f8 f1 w# P& 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。) c! C8 q# ~' H2 \' M
4 Q" J7 q" s0 N9 i; i4 J
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。
& S$ q& Y! S' Q6 ?# o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!" n1 m/ G4 C8 q( [

% H& T1 X& w& `# H1 ~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。+ b5 N# F1 D% Y2 x# U- Q* i

, k  V& K$ B( \; d5 k* @4.深度学习(不)能干什么
# t, |, A% u* b( h9 E; rAlexNet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。
0 A0 _# z4 @/ a$ Z# `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。8 C4 z" Y5 {/ @  |& r
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。) g1 m* G5 d7 d
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。6 C" e& V) H4 o; b
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。
1 L# `- g" C( P* b深度学习能做一些令人赞叹的事情。9 a2 v0 `4 }) C8 X7 c* T& A& P3 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。: V) h: Z' D6 s& h6 K0 V) y
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。) U" K9 F; K( ^' T
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。7 w- \  R) z4 d% e* ]# |
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。
& j2 A( k0 ?4 N$ c  I% S  u& t5 N% E
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。! D% E5 n; X6 m# q  ?2 G, T
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。1 }' S! |, p) }; E( g
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?2 Y* \& F) ^, {! d) o  o% b3 K
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。
& u9 X$ t* l$ s. S: K" D5 i$ F9 Q- S

3 R: v/ t; f* E& a8 x. |8 c
( ?9 _, ^6 B" R7 t& p嘿,你在看吗?% g5 b% W% Y! X
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw. Y2 H$ K) K9 B" q! \
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