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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。# h" ~- n9 `% y3 h, O
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。
9 U8 R/ \& V* t- U+ Z读书笔记•人工智能' Y7 w$ b3 c( c/ [ y) i
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
5 e4 c* v0 U$ V7 J阅读前,笔记君邀你思考:
5 [0 M* l* e) I. r! W$ Q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。- S6 ^" T: H r3 b* v
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 i5 V' ]0 H/ R以下,尽请欣赏~9 ]5 N7 F3 I" D4 v- H
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。
( W3 Y, ~1 ~2 N2 p4 W5 b/ Q2016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。
& f0 z, U- y) n2 O; ^" {# Q3 y5 A2016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。) N$ J9 {, [9 m' 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。) c* n/ L0 {9 m1 F/ S

* `9 B5 m" P. w' |3 q2019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。9 k8 s1 D7 [& o6 W4 r( d1 b
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。1 |% C# g3 B Z5 W, m# m# c
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。
, g. q- x5 c8 a一、神经网络与深度学习: a) A5 i. _, V
为什么要了解深度学习?+ X; S, R5 x) E- E; G
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。
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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。
& f% Y8 P9 Y" L) u% j W( 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。" A; S# H* l. m B/ o
我将重点使用两份参考资料:9 c. _) F5 j. O/ I$ I2 T
2 \" X) J( t( m4 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)。/ j$ r/ `' _/ _6 e3 Z
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。* w. ^# f5 j0 T' S/ m6 O
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。
. j4 v6 y3 k- a: i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。
6 E \/ y9 c6 S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?! o" u2 X+ f3 j: }3 S1 g4 h
1.没有规则的学习" {6 ] |" h4 q. x5 P
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。: {. ?: m9 {$ F j: s- I( Q! \
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。
* S- C4 J; M6 P9 u7 O7 j" P% x" h首先来看人是怎么识别猫的。+ `) P! _( L* s# E! U0 p4 E3 s
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、% T2 o& }8 N1 [, b" s
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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?
3 t: n: ]8 c8 U7 \9 D1 R; g" B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。9 m5 E: S" j* i2 s7 ]
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。0 g! p* r; `; g
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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6 b. `8 a7 i, A+ @5 R, P图片来自 design.tutsplus.com+ r8 {8 g# |- A1 j. S
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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?
0 \3 G$ ]9 S7 K5 K$ y. W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。
+ ?! }- S, s' z# ?( |1 G, s* m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。
. Y( j: F- T; f6 Z2 q. 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?# o( J" h/ h0 C; u: \7 M
2.神经网络
% g( B) H# ]! v, b5 {# Y8 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。
% a6 Z. O3 ]/ w. z; R: ~7 N《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。" q- i7 _( Q! d( ^: h# s& N
* r# c# ?6 Y! q* t5 C3 r1989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。( S4 s- W2 @; ?3 N) G
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。- u4 C4 N3 o5 e: `* k8 H/ n8 g( V
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?7 q/ T0 ^0 J4 O! 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。9 X" x' l- ^/ H6 F" J4 }
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。2 _% y6 i+ Z4 Q1 M& m% b
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。7 y/ k* y+ b; P
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那计算机能不能效法大脑呢?& w% w* Y: n5 y p) ~
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 v, O% E6 E4 F) D& y8 S ~第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
4 j6 L3 k( f( B; b+ d4 v6 j3 \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。
E" e/ k; c% v+ n3 W; ?第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。* Y) l# \4 H+ o) @
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。
8 R2 c: m- o) ?" N8 i. t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。7 g9 h& L) {) @. S+ s4 c: W3 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。( ?/ g6 A% o3 Z( r; y' |5 G7 W
这就是神经网络计算要做的事情。. r+ u2 [( ?# G3 R g" J- V) @
3.什么是“深度学习”: X$ t9 B2 b- ~! l1 h' [- j4 i& e/ ?
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 0 n3 b6 W+ f0 S6 L

* ]& K c+ P& {2 n# E; [! c4 ?! c图片来自 hackernoon.com
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它从左到右分为三层。
4 m. i0 A1 V3 W1 M& c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。- c8 i; X+ m* S3 k( A/ Z
第二层叫“隐藏层”。2 B/ x( u3 X: @' a
第三层是“输出层”。 Y9 k2 S* v1 u- @- p
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。4 t* K% o0 E' V/ L$ F! j/ w: Y: I9 z
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。" _" f) b' s r; z) V, L2 P
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图片来自 Analytics India Magazine
! ?9 @1 d. e3 y$ [; Y+ N. {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。
$ ~- L n( S, M1 k7 H; z“深度”的字面意思就是层次比较“深”。* ^# @( W/ _4 t' ?0 B$ {" o( Q
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
& X3 o8 R: j& `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。
& L% i5 b# V# z" G1 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。! o' q( O' S( f) O
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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。 9 {6 J9 Z9 |2 q; X9 c& N, z
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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。
: d# Y/ f+ m8 T$ 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。
! q, M6 [5 j V- {; Q% e3 w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。
' E9 d2 [4 ]) Y) i+ ]5 v, m1 ?所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。( R$ E8 B7 i2 G0 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”。5 v" k" @( K! ~# L$ s2 R$ `; w
这就是神经元的基本原理。
5 H1 v$ e6 e$ p6 m$ w6 Z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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% y) f, G- ?; N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。! u9 X# e2 N3 z/ c
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
3 l0 [* W: l. m O% L) t# ?5 O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。+ [; j9 O3 k- E1 w$ P
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。( g' V9 w6 m! \8 ]
二、计算机如何识别手写数字0 C" U& x& r) N3 G8 p
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。% v8 l2 r2 d3 ~ w+ u; V
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。
$ ^/ M' A4 B6 g; L9 B3 r/ u+ j; I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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1. 简化
! I3 u2 e5 ^! b! _ c) O3 r) T: H想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
; h8 l! F$ I1 K: F0 S* i- h* K( M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。
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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?
2 I( i3 r: a+ w6 W: T; m7 p F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。' v6 _( U# D- w; n% x8 p! Q
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 ——
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
- b, y9 ^: t6 |3 j8 I( {/ \这就完全是一个数学问题了。
9 ~# B! {% |" k; ]4 l/ o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。
. ~$ l$ Q7 I* c3 n4 o这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
6 l" z- j |2 T- H$ A7 h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。
( I1 j6 V3 ?- F& x/ P% e$ w0 H* X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。, P" ^* a6 i s* j; @/ v S# q+ b
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。4 i8 g$ \: J8 `" k+ X( \5 D6 a
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。/ {% Y. _' s6 n
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。
, k8 ^! K9 @( E& |& O2. 设定
+ M! l0 W, [( 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。' Z# h: ]1 b3 ]$ T' g/ N+ I8 v4 T+ i
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。6 D% m+ c6 @& }8 ?9 f L5 T4 W( k" V1 N
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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。( y8 W6 l% |2 D3 z" L- n y! }
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
! X% l: I, i3 j4 e/ V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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. u: f. g! _9 [* p" M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。
1 a7 J! V& o8 }6 w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。" }! D' Q% a5 C ~
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。
; k r4 Q% d9 V9 F' G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。( P# d6 Y- I5 P u8 h, m4 J
3. 训练2 e4 L# R, N0 k+ s9 `& J
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。4 z6 ~( ]) Z' D& p5 U
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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。# x/ x+ j% O; x8 ~5 A/ m$ T' |
& z/ _* b9 C7 k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。; Z$ z5 D4 e, y3 t, f3 ~. j' y
& ^1 L* _' R/ Y# V# 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。4 m2 {, e ^, E* V# u( \# D
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。. Y( R% ]* |; n7 H. w3 Y( t
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。
+ S3 f0 J1 H1 ?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 p0 Y8 D4 e p" R
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。, \0 u& M" r" l0 @" x, c
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。5 v! V& P3 K7 F9 D! G: _
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。* j. n0 f, l& s. s) j% p5 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 y: }, ]# c" B0 E4 ~
三、卷积网络如何实现图像识别
. L: Y3 p- G) `# w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。6 n! @: p7 y( U" r
1.“笨办法”和人的办法, c2 f% Q2 T0 o( `8 F% H
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。
$ d1 H+ a( X2 q* e0 [- B: |& o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。
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$ {! a! ^. V( @ g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。
1 `% H, g7 \* B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。7 ~+ Y( `, D1 a7 ? Z& 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。" h; w8 z- T" P/ Y; t5 U
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。0 R. J* M" `) |! X( O; I6 D# K% a
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。! v8 [4 V2 W% D& n9 n
这么多训练素材上哪找呢?1 P6 i. F9 T& V$ F4 F5 ]' 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。2 B% M/ O5 x0 B8 K3 ?
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。* i z, Q) E2 M4 K+ u% P& 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。
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, t: f/ [* N/ J f4 p5 S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”。- c3 P" ?; ]+ @4 {9 t# c! n
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。
4 r( ]0 |6 I# u% D& U+ 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”。
9 U8 v$ Z$ ^& V$ o我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
# d; z! t$ k/ |2.竞赛. E; i0 d& ^4 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。: P( G- x' S7 D. s7 B( I' v1 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。
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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。7 { c- K# ]7 G9 ?& I
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。6 J- w. [* G% Y% h( J0 O
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。& O, H N7 I; [( f$ k+ q. U# N! R5 y
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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。
! B1 g3 A+ K0 i7 k5 T' m那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。- K1 y2 {+ y) [# |# o- G2 T
3.卷积网络
7 m- `+ I! ~0 {2 L2012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。
4 F/ Q5 x" c0 g% `% `; h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 m, B, o, C$ C) h- \, ^
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” 。
* u- [" |/ c0 ^( T- g9 O! 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”。
# W+ O0 L7 n' r7 F R0 Q“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。
7 Z$ A, ]8 n$ Z8 R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。
! f+ |# a: R4 D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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图片来自cdn.edureka.co: e" I" l" F3 |: ], ~

0 K' q1 N) Z) \( p第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。* l5 L* F5 N+ Y' [2 S6 N
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。
& c) Y4 E& X U第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。3 e2 ^: X% i" H3 s5 D
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。
" m6 y) H% M8 }# e. O" _0 gAlexNet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。
- X8 W! D! E, {3 K/ 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。' Q' p c3 P4 E0 V* z

4 x7 G# q/ Y7 w I' t+ u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。
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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。9 [( A8 O2 |& q" d7 r, z- p9 R
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。
, N- I5 d+ V& 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。
1 R, e0 h9 ?) U3 T* h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。
' W- q; b7 k j5 R- x/ t4 E, D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。# ]' f: G- H( F G9 x; |
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。0 k% W; E8 Y# ~ j- H" n
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)。
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% d' i) p/ \ w+ s: G' I2 _图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
* V- y5 T [4 V z; K4 }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# j: j6 o3 T5 I) H1 E! W: X' d- 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。
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( U) d& G1 i+ z& L8 G图片来自 Machine Learning Blog$ |1 N- B% [+ Z% `% _5 w
; m+ a: M% L/ F+ ]. N" i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。) n2 M9 k" z4 g
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。
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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。
: U! {& g. ]+ b: X7 e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!. a6 \9 t, t4 S: {' D) _ v
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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。7 r. y. N+ T7 P" w
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4.深度学习(不)能干什么
! \: c9 t% S! o t; Q: O5 Y7 pAlexNet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。/ f% H( I: p0 O0 C T/ [
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。/ m, d% v# ^: v% \: v y! ^8 F
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
' a' D7 v* ~) b) q" z' ~9 @* b5 p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。
; w: E" q8 D, r4 M2012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。" Q5 G/ B- p" n' {2 k, w9 k& }6 n
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
4 b' Y7 h% _0 ^. }& V0 R# e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。# G- ?5 B3 V7 r: R
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。
$ j" T: A K/ k5 \" Z. ` h6 B+ q但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
2 i" e1 _0 q: u% o: D2 ~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。
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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。
) f" T# W1 ?7 x$ K. }! C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。8 P; Y! B! w4 E4 W$ x! c+ g8 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?# x, l2 k. N# [. G( ^: |, H
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。0 `/ x' a( P! F. o9 u3 n, P9 Q
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0 w2 [; w8 Y) M1 J: H 嘿,你在看吗? ! m- Y, ` a! w# C }- t3 H) o
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw! }9 k& G# D/ ~' R/ u
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