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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。
) P* B' D* |% l  i6 i( Y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 D& q- Y- s! x. n) n& d读书笔记•人工智能
0 Q( J0 H' m3 t5 @3 m' Q* J* X本文优质度:★★★+口感:拿铁
& E- Z9 C- L* _  |7 D$ h阅读前,笔记君邀你思考:- h) ]/ q5 J+ t2 g( [' c
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。
7 O6 G/ L( S' B- q, {- f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”。) x; W  j* a8 N/ `1 a
以下,尽请欣赏~
3 {; l, T7 w3 p! Q1956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 t4 K  G$ D. S" A4 g0 b
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。% h' b; A4 y8 \' g0 u
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。1 v1 y- P( @# b! q/ M
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。
. D) a' J1 G" e; l8 G# u
5 N% w0 i/ V5 r) J6 |" Y: u2019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。6 C0 r- g+ `2 \. A5 j
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。
7 A% h5 t% j% X) K& b- T6 A/ T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- P. x% t' F" [; K0 O6 V7 C一、神经网络与深度学习
' s( L9 W+ R; Q9 U3 `为什么要了解深度学习?
& X: E# v! T( i. s3 ~3 ^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 o( G- N- s& [* b

2 {3 P& R6 E! R" \1 y- n▲ 长按图片保存可分享至朋友圈* g* R7 k- w" ~$ i5 R; T

+ x) |* T4 n0 g% \. T/ U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。/ i9 ]8 o6 [- c
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。1 L0 O$ {$ I( l! a. E' S& C: a3 m% G
我将重点使用两份参考资料:
- V" |. K) }" B1 ~
0 K4 P1 K" o4 {) a' W  u2 ?: W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)。
6 H+ ^2 b7 s6 g% i$ X' ^8 [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。
) z5 W; x9 p/ [2 P8 Z3 ]& c) J: i3 G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 G7 |4 b! L+ j' R' F% G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。
, j- \, k3 M; G  P- z& Y9 N* E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?) r0 _2 F2 v+ {. Q  T" @
1.没有规则的学习
$ w* f/ A1 ?# U: g. G" O/ u7 n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。
: m" y  P' B5 @0 F" v5 [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。
& j5 I  D2 x% p# A$ q6 f; A首先来看人是怎么识别猫的。
! E& }5 R) _0 |) f& n/ Y观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
/ L6 x! U4 ^# ?& j+ z) p0 z! [3 p2 g. Y$ Q3 m
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?
2 k$ b" Z& n* w, `3 D1 ~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。  K7 B" f8 D' f3 K
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。& N  P/ y( Y. y3 k& j) t9 R
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
5 I8 G& `2 C2 H0 S* F% w0 ~! N. q1 ]6 d# q
图片来自 design.tutsplus.com4 P8 ~" K) L3 u( R
4 E. D; R7 _& R) K# M
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?
2 l& Q: \8 }( o$ e1 z* 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。
: ?% X% o4 }% |' G4 V* r8 A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 _+ _0 u! ~0 R/ I: c; i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 {! a2 c0 c# L3 n+ q' ^+ h% H* R
2.神经网络- k7 K# M  ^, Y) h0 K& 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。
- p& F9 s: J2 I  ?- t《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。
  _% K! D' |( y8 k+ R! e# s$ G: W% l  y" i4 N$ u- w
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- `2 [/ P. G9 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。/ }" O9 w* |7 D! V$ w
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?
+ n; _5 ]4 ~5 E6 m( ?. x' C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 S5 s4 b$ Z* Z) ?7 x& ~. t
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。
# C3 z7 k/ K- ^- s: |3 A+ o; \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。$ E" D. p3 I0 X5 |% n/ d

  G0 `6 g% m" O# x( B那计算机能不能效法大脑呢?4 G* |1 a. A- @
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
- U' d1 v* P; }4 z7 H第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
# ?' r1 A; o9 U+ s2 E- g3 K# U: P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。
6 ?" m" V* f! B1 u9 J3 c& u9 `5 T第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。4 b. Z4 B8 `5 N' _* i8 a0 `
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。2 J7 n4 L" F7 z4 K6 C  v6 D
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。
/ Q5 B: n- X& q" b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。
3 f! Z! R* {! _; N这就是神经网络计算要做的事情。# q7 c7 a5 c0 y7 e2 Q( b4 M
3.什么是“深度学习”
1 I* B$ Y8 r( F. H  v2 L下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
* |, V4 H! v& P0 s7 B# t. ?/ `: @1 j$ P9 ~( y; a8 u8 J
图片来自 hackernoon.com
1 I2 b$ {/ j7 E( K; h2 J; }) E) L8 v5 o' M
它从左到右分为三层。
/ @- a$ k& u, T/ t- f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。
3 V. X. |8 i$ c# T2 e) }3 R第二层叫“隐藏层”。- `" ^% J1 Z$ F( E
第三层是“输出层”。
3 }, w+ f& A& M% {1 I# w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 Q1 D* U6 I. ~; ^9 g从下面这张图,你可以看到它的运行过程。$ t9 K; t% M% }
7 g. _+ ]# f  J7 L+ Q
图片来自 Analytics India Magazine, S; L9 N4 X! N: U6 v- [
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。6 M1 F1 U) k, `; o
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
' ^5 _- z5 M" D: e: V  ]! A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。1 G+ P9 X3 o9 k0 [* X' Y/ H+ P

" |: o5 n) i) `5 |图片来自 Towards Data Science 网站
( |: f; E; D5 F1 o( ~& b) q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。
! b/ E+ d7 [& q( P) r  ~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。: I' v6 V, F- i* w+ X
8 D5 {' m+ O6 S8 O8 t
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。
& W8 {( g: B: I( x4 `1 O( O1 e: t9 s2 I" p
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。, \6 `8 U) l2 v3 ^5 o- y1 {) T* o
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。. u" Z6 j% k' U6 L: [  N4 v& T# U
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。* k) `! O# `$ w) `2 h+ f8 U! B
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
# Z# d' c9 w6 R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 w# I  O3 l, d- Q% M: [3 [, I/ @2 H9 r
这就是神经元的基本原理。! [5 U: j& F1 d/ v3 x* M
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。 $ N7 n7 _$ c) J

& q" w" {! S1 |2 B' ~3 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。0 s* \$ _6 g5 ]6 R; S$ `
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。) G; c7 V: y, }( Z$ I' W/ 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。
% u; u- W* K6 ?. M' G2 g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。' ?" E3 b! X5 @
二、计算机如何识别手写数字5 \# _1 {7 c( V7 X2 [: A" 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。
  x) W3 ?/ {5 a- x0 y5 R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 z8 Q& l: t% U. f  R) g- n) C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?  A6 |! e6 [' x
$ Y+ `: r4 S6 I; [. A; n7 \
1. 简化
: Q8 K7 X3 n, i: {0 J# V想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
6 t4 \6 O2 s8 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。
7 ?6 t' W' X, q' ^0 H8 R( ]
" X0 ~: {) j5 \% W8 K8 o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?
& P) O& S. q7 p. K9 a; ^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。
7 p4 b/ Z/ ]  `2 b1 B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 ——
: b4 Q% d* J# S; Y* {& {$ @( G) W2 i  d) K
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
: [' z. ~: ^1 H这就完全是一个数学问题了。' N; C9 W. @6 J/ D/ ^
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 D0 v' r2 ]( ]+ O这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。7 ?# H1 j+ n* P, q* \3 \+ Z5 a
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。* X* H% N3 \9 U& r; t4 T7 s
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。# H7 y( _* B7 S2 F) [8 g
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。! T, P* K1 y! F) E6 \3 Q$ U/ 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。7 O) D' R0 e# z: S, J, 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。! S; `  ~( A0 v( M
2. 设定
; n8 s% |3 ^- F0 z* l5 _( `9 N- ^9 J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。
- _# n: Q7 M$ O/ f, 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。2 o& t+ N0 ], [( u+ I% x
& N+ J7 W) u; B  E  E6 J) J
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。
# ]$ L& K( C( l0 p9 |第二层是隐藏层,由15个神经元组成。8 {3 ?) g. b" Z9 p( _
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
. T5 g$ ~* v9 s( d8 k+ d1 X" W
, q& S) E- O/ f3 _0 r$ h4 p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。
" f9 r2 Y9 y( o9 \' o; L& [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。$ J4 v9 |! s: N9 m" d$ W2 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。
- b; N0 u0 F* K6 F# T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。
% v* l: Z9 d8 a2 \/ z/ Q* J3. 训练
' Y+ }- V3 M9 s  W  I* f2 W: Y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) T- V8 M* Y" N
# O) a7 Y- r; P( j! E) v( O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。. }$ B8 B( {" U
7 D6 |* S( S3 Z; r' k# n, o) G! 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。  K& N# p' t3 {, e+ z& ]- s

. g: W% C: U7 a1 j* G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。
: M  U$ O4 ^1 [- K# C3 z; Q7 j5 A) G
9 ^, J& Z( o: e% A4 j6 G! r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。
3 U8 h- X" O. A: H) \参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。% T( q: r1 o4 _: X% l3 Q$ h4 b* g8 Q3 A8 ]
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。
( L! }5 [9 P  \: I! o! A" A5 |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。( d8 j7 o+ W) |+ {6 G
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。
5 T# f- _) B! 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。% g3 b/ C! J+ e9 M
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! * k( W6 g: U# h2 O
/ X# |; I7 Q) D
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
; g/ U  p( N5 V) g! x% U- `2 U8 ~, U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。
& n5 f! E: w" ?+ D/ N% |/ ?三、卷积网络如何实现图像识别
- u/ C9 S% _  w9 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。+ j  A. Z( n& _* M( q" k& i5 S
1.“笨办法”和人的办法
* [) K9 I$ k0 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。/ {% f1 A1 @8 l/ i
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。
! A! Q; {' X, G2 D0 G- a; w8 o* s4 ]$ m4 U, [
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。
$ U, g6 P- E! @- z) M' Q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 r1 H( f* ^- r. Q! I! V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。
" B7 A# Q8 f7 V3 P8 v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。/ V$ ^4 s3 Z5 n( o1 L8 O
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。
7 B* _4 [  Y  h( |& Q( r  Y这么多训练素材上哪找呢?" Y$ o7 C/ b  Y* j+ R3 t) 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。
, Z" o5 U+ D* W3 m现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
4 H# ]: g4 \, l1 I+ N# x3 i* ^# g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。
5 l4 u4 ]* F- `
0 \! z7 l! O0 m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”。) k$ I; k( ^* X; k0 }, F9 L
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。+ u7 a5 o4 c0 z& u; L& N; t  L
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”。7 x4 u5 R# Y9 w
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。* L& D( ?7 b2 g+ {  x- s" H7 D9 w
2.竞赛, D( J  n0 A; K* e: z9 w1 K* E
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。$ K" a9 O) n6 [" _, f
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。
1 N$ m5 S0 |0 s! q
# W. N6 c( Q. `5 k' P% c1 V' K
2 F9 G" O" o4 h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。
, I  L; b! _4 G9 _4 t; a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。1 [5 y) ^0 Y4 C& C
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。
$ Y' b7 D( j1 K( K8 j, q2 y
* K7 m8 X! ]6 i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。- X9 Z, Q5 j- ~/ @' o' \, T
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。+ R7 d3 j' R  ^9 N( R" p$ y
3.卷积网络
7 ?; T+ g8 f5 j7 i* T2012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。
) N" p* p, C9 F  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。, v+ J' u9 I) Q& A& R( R& |" z
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” 。
( o% Y' B) _, V- H6 [: f' W0 t5 W) X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”。
& n3 T3 r0 P' K: ]* 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。
. ^8 h7 }- V- D3 V8 W, e+ q& V5 L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。
* C' N  e( ]% m0 U+ l2 @- Z& Y8 l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。
/ F" p; s7 {7 g7 B" ^; Z3 f3 t; R
  r5 G( }! H1 d0 ~8 s& @图片来自cdn.edureka.co  M" m0 {1 s# _- H) {# k) V0 B

: A  U8 E" D2 u5 T: N9 S0 W第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
$ |7 M; U5 p" E* U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。7 I3 F- ~3 s; c/ q
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。) @  p: G# O- @
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。3 q& P- t; B0 w( E' o9 L1 t
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。
# W& a  @: ]5 F  e; j& s; w/ f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。, k  [9 b7 V' z# B/ d8 c
0 ^. F2 m0 [% E7 f6 C
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。1 j- M5 T# M: t9 t

  W6 r! E' Y+ f  E3 ]2 f4 ^! j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。& l$ d2 ~3 K" n1 f
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。) p* j8 H3 [' k, ~
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。6 K4 O- f/ ~: R  {
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。
  P; H( s0 _. p5 {1 g9 K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。
$ r+ P" U" q. B# q# Q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。- g. ]" N' y- p6 B+ Z( w8 r
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)。4 Q) f) ?& a+ s) A4 F! @

! u% V% i4 t. S$ T' t图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
* \# f$ g' `6 X, c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。! P3 e: b! i' S1 d/ h0 k' M$ S- z
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。1 r6 V& a1 E/ n6 b. r
% R3 y1 K7 @/ P$ Y
图片来自 Machine Learning Blog
; A9 I  w7 z+ ?3 B( ]
$ x2 N7 [5 w: K5 A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。
/ j& {* \, x' \5 X$ [* m" T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# q6 A' i; p% E. z
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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。# r( t, s; X& c( U( ?# M
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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5 j9 i9 I+ P  ]7 Q  }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。# L- ?. s1 c# f2 D
2 K* n, [" |$ K3 y* E8 }4 ?
4.深度学习(不)能干什么
4 v; D  M1 `4 h' i; L: K+ d) |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。( Q. M4 J+ d; E: X8 p+ l( M  j
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。
' d3 l  }0 D5 [; H  ?Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。4 j: n$ A) g8 y
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。
. T8 [- K1 k% \( h  ^9 M" X2 K0 j2012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。" l3 k# L( p! y! H+ p) \
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
6 q- S/ W. O. i/ j+ F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。" L  L3 |0 x& d# w7 E# u
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。$ x) c$ I1 Q8 e0 o5 c
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
1 d+ c7 q2 r  [  j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。
) d$ q. T6 D8 M% X/ b
3 S' L1 ]/ B* K% w& X& C  j6 Y" }) p, \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。6 j* `( p1 }4 k& L! k8 ]- x! A
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。
; q, l5 A2 z; H/ g2 c" ]' E$ O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?4 }1 _1 b) q1 i; [( @! Q( X% N& ^( @1 p
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。
; l/ i- _& o  ~; [9 G3 c: r2 [' V1 |! \4 O3 a

5 |* W( v0 Y6 ]4 r- u- n% q7 Q7 O  u/ B2 W7 r( H+ Q9 i8 L0 B
嘿,你在看吗?! ~3 E! `5 W9 j  S3 l+ l
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
4 p6 i3 M  E; {7 V+ t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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