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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 22:24:13 | 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。( U2 A% a" O7 O# I! 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。
3 V1 e2 a4 X* N( I- [读书笔记•人工智能
1 [. }+ M5 b& q. x本文优质度:★★★+口感:拿铁
9 L/ i! D) m6 i: v" ~. ]阅读前,笔记君邀你思考:
0 C- [& f- C) K2 s' H% }4 F) `9 c3 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。8 x9 z# t2 X3 ]* |/ s# Q# l% B
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. S- \9 {; ~8 m3 z
以下,尽请欣赏~9 w1 m) Y+ z; B1 s6 A/ J
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。- Y0 h- W  b( R
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。
# Y, o& _; Y" n/ p. \3 V2016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。' d1 r3 P1 Y# k# B
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。7 k( h& T/ u& q9 S- A( h
* O; R* U) c+ M% Z' k
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。
1 ]& E# r& k5 U1 u# }' m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。" }) r% c9 u# @- P; U; q0 E0 R
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。
0 m- ^6 v8 C% S4 O1 V: L/ o一、神经网络与深度学习
5 K/ M0 H8 i& f5 L为什么要了解深度学习?
0 z. U- G0 h8 U6 L" w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。
8 w0 L: y/ g( I7 f+ n+ M; ]6 r" S
3 ~& D; M/ K* h3 i) ]▲ 长按图片保存可分享至朋友圈2 [) d+ \( Z0 o* V
, [( I& U9 ?" q7 a
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% I$ [6 x6 l1 k2 l2 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。
) ]# {, ~4 X. n, p$ T我将重点使用两份参考资料:
1 i+ g, C* {" R4 @8 P
) x% h6 B/ U1 J  ]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' j- C: ^; ^' b
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。) v% N& H7 m0 a1 {0 O- 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。
1 N, o" Q& m; o5 E- r3 G1 `  e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。8 m# ~# R- v# W  f( l
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?
* P- Z# S) H$ W4 g! H# k1.没有规则的学习- l/ V- o7 `+ ]/ C2 [. U) w- _8 d" W2 W
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。
0 B3 k6 t4 @( r4 n$ n; i. t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 E( y- R$ ]+ u5 J) Q; E" Y
首先来看人是怎么识别猫的。7 w+ i# x' u7 t
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
9 R7 x  z% W$ j5 ^. A/ i: A2 u3 t& ?1 o( l
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?  `$ r1 G3 c" o) X7 F3 v
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。
: W; O" f6 {4 I5 \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。
- A+ @9 L: Z5 G9 J9 ~1 Y- D再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?* w- B+ ]1 G) ?7 s; z

7 M4 K4 t, J  o; X/ j图片来自 design.tutsplus.com
' b# k: N+ T* w
; w% @# d- X6 L2 m  J9 z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?1 }" O# g, Q* h" E4 }+ K+ y
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。
" u/ P. A: w! I0 \+ 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。
4 S# c$ `6 i7 Y1 k5 D# t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?
8 v0 @! v5 R  E) w  \, U% c8 A2.神经网络2 }( ~9 D6 s, k9 [
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。' m2 l( V, }& P$ ~
《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。
+ [0 ^" c8 z& a+ P* Y. J/ M" M: Y( v* O
3 A$ a- T/ Z& N# B. z/ T- `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。
3 J- k' ]3 T- p" q% y" a# L! k* m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。
3 y5 w/ }* i1 {- l5 j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?
" r7 F* P( o/ s1 ?9 ^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。
& e; S# W. D; n* b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。, R1 [+ W' m! u% s( ^; `
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。# q7 y3 ?! u& [) x/ `! W3 u
$ }/ Y* J: o# }4 C6 d: D  ]$ m
那计算机能不能效法大脑呢?7 M9 A; x$ y. M. e
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。* \% ?5 Q$ e( Y! ^4 r3 J
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。$ F+ F4 U( }2 V
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。
5 w9 t+ m5 V6 O# w) b第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。2 e7 s8 |& ~- q
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。6 ~9 m, b1 d4 j) l* t" 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。% z2 Z  q7 S$ u# E
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。
8 L1 ]3 R6 v3 w* z$ C! M这就是神经网络计算要做的事情。
% j+ i4 H+ h: M! l+ A% @5 l3.什么是“深度学习”
5 k/ P' ?, ~$ H, i下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 , \/ K8 z! @, u' _  x
( [. J& r( O: P8 |3 ?, |7 ^
图片来自 hackernoon.com9 m, v9 L7 K0 }# f* l; t0 }* s
' @, P5 y0 Q. n7 O1 `
它从左到右分为三层。& c- O& ?9 A+ w- c, M$ n
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。
  s1 P3 |9 `0 m( I第二层叫“隐藏层”。
, L# l6 h) c$ x: ]# e* b1 l第三层是“输出层”。
0 \* L4 O- f! Q' ~$ f) S7 b: t* r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。
3 k3 d. k6 l6 W4 Y1 [& ^从下面这张图,你可以看到它的运行过程。1 m+ t, }8 i- T! ~0 `

' z$ g2 \4 S1 f4 D图片来自 Analytics India Magazine
) B2 s; @+ L: x2 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。
/ u7 }: U- F$ r' r/ A! N“深度”的字面意思就是层次比较“深”。4 n9 t* x* Q) C- D2 B; d# D
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。
/ l( \6 N7 e  k- v) ?# g4 c4 h6 H+ l  ?. e
图片来自 Towards Data Science 网站' ]9 _+ Q" \7 S- `- 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。
1 U! R2 I/ ~5 v! M2 P5 [9 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。
8 K; F1 d  O+ \6 \+ o
6 n) l; [  K2 f4 d0 n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。
( E0 G4 i% i$ j' M' d) f8 n- P: ^6 L" ~( n9 n3 v9 V4 w
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。
3 b/ B$ }2 n8 p4 ^3 l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。' U1 U! [! B3 F" D6 d( ~$ z" ]
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。
$ n+ o% y( C. ]所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
( A8 J* F* o& i, W7 r3 s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”。
( N9 r3 A$ A! O4 I2 T这就是神经元的基本原理。
- V+ j1 A; k( C. @9 J, d& i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。
( ~6 d0 l: ]3 K/ P! f+ D* Q% ~& y
9 S# s5 X" l7 V, x0 F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。# z0 ?+ M- R2 t8 ^+ e6 `
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
( E; p( B; p9 V% d2 K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。2 J4 g" c, g3 O! F7 ~+ ]
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。, |( c9 k% S& F$ _
二、计算机如何识别手写数字- _& S2 E/ T( S3 I( o, n
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。
# m/ }' u0 Z) T5 z, I4 Z& 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。% @& f7 I7 G% M, l4 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?0 \* X$ C8 p- p9 m! J
3 v' G8 o6 W8 q+ K5 ^( x2 j0 E
1. 简化
2 B0 o; @' h* o! }想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
- F; e1 R5 a% H- V8 V, \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。5 L2 q4 {  e' \  S; r
* E% A1 c' |5 p0 L
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?
4 ~4 u7 O8 m) u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。
# Y2 F- K$ ^  v! R( y  V# |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 s' j  I! G9 u5 e5 ?2 R
) b+ W% j8 m9 [
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
8 P+ {5 B, z4 `  u. }8 u这就完全是一个数学问题了。8 q0 x* Z1 K& l8 [$ _# S: G& X5 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。
. X5 P7 z3 Y- M- v  V这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。/ O. O* o# S$ @/ `' Q; d
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。
2 J4 m3 e( b; |& y' V4 V) d6 Q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。; Z* o& Y% \" O
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
* |* F; C7 J3 q( B& }2 q2 N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。( j2 \: R! j' u6 H6 g% D
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* @. T3 [+ a( @" o: i3 h: [2. 设定
& G# C5 F' D  }6 P% K1 E) f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。0 h5 b5 w2 `' f4 z
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。
; s1 U+ H* i8 Q8 E: ?* s, H" T
$ k2 A* g- G3 S: q" E3 A9 a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。
  V1 ^  ~4 `& n' B. V- `! s6 i6 g% d第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
% _8 R% n; T$ e8 Y第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
0 Q6 w  H5 y* M* r5 P" c; [( N0 H- d
' i7 D2 C- v+ L4 V0 ]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。
, ~+ j* v# f; w6 s) Z* R8 y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。0 o! Z" e5 l5 d. y1 Q( K
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。
2 ^1 G$ q; T6 q$ O' y. O# K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。
* |5 p- `# [% V( O8 o3. 训练
4 y9 P  I5 a/ [$ V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。
0 i4 F3 y" j2 j- b3 e! m6 W. B& I. R+ c) e! s2 H' G
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。
3 Y; `+ B3 S8 K' @$ k
4 p' ~8 v% n- Y- p+ Y0 d; j) R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。6 N+ z! Q# R% b! }8 K
, d1 e% s- P+ G$ |; E: U% P
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。
9 a7 W! [7 \- t2 o7 |% u7 D( H# {( H# r& \# L% u
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。
. b- M# t% w1 h5 k0 Q参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
- j8 _8 X/ D5 x6 A' Q& B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 x1 V# f1 k2 o" |9 \4 F
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。* `2 A# N4 E& |2 o% c
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 N* U& ~6 C2 z4 ^
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。
9 P; L3 U- _& K" m9 m0 X4 B事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
' n8 R9 A$ m+ s/ k
) S6 Y' S5 t" j$ A( O8 B9 k在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
6 F  }9 U' m7 M: T/ L4 V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+ D/ T0 s  w2 i% O7 @/ L! i3 h三、卷积网络如何实现图像识别
6 s0 Y6 N3 U  r  m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。7 C' J1 p: H( o1 R
1.“笨办法”和人的办法! H6 s, o4 r$ G) }1 A- V( w
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。1 n1 c' C: v; n) {* t3 o  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。. Z& `/ c$ V% J  w6 h6 G4 }
/ N( s) y" {1 J2 j% n% Y! B5 A# f
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。4 g* V) M0 y) h7 [1 ~4 S
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。0 g8 a9 i+ @0 o" T
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。8 X* R: @1 y7 E2 N" {
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。9 Q& z4 K/ i! \. g3 v
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。
* K& O1 X2 K9 B9 i/ p* S这么多训练素材上哪找呢?( N2 }% R" l) G) |3 l" I
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。. R% z% `/ s% \+ L& ~
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
+ M  P7 y- d. Q0 d+ C, R4 S( c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。2 h3 R* _5 G7 K" @  ]

- I* P7 E4 L* s/ o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”。  a  L, ]+ o  Z9 n- V
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。
/ U& J; U; W' [' S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”。! O9 @6 p' ^' t  ~/ A2 Y
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
4 I% i; G% X8 {& v: m; b2 [2.竞赛; P6 n2 L5 b3 }$ l: [4 @5 \
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。$ b. N# w! ~' E/ ?5 P/ _2 i
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。
& k( O- p' F+ a, g2 L4 Y- i$ ?
; m" ~& N$ l" I" ]1 U3 X
# L2 X  t! ]/ |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。
; m: Q  x0 w: X9 K  e/ Z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。
) f) \" a" U6 I* D( [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。, x" H! E" n; X+ I

# {+ L0 ?, c& N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。
' q7 U2 l* T1 H6 b那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。' H* z9 Y3 `2 N9 c$ T( Y' a
3.卷积网络, \: S1 S4 ]; n5 ^' r
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。4 G) d: G6 V9 S* w1 E7 \, 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。8 l4 i2 g9 D; N% B" N8 P; c
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” 。: ~1 q/ p4 o4 _% N
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”。  I# x" i1 h* }( q# T! S0 [0 p; j6 B0 E
“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。
/ V! ?  Z* t4 i; P, i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。
4 D* H: r& \2 D8 `/ j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。
' x, q( w$ Q; r  T
2 [0 [% `4 T9 h1 f3 j% @3 ^# w! M图片来自cdn.edureka.co( M! _# E+ ^' g6 Q' S

. f. X7 l- g8 D/ H3 m7 R第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
4 K2 f3 A' t" r1 b% v& k) o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( [& Q$ M第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
% \, _$ V! O; N& j5 _  a; \5 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。" h8 D3 v, }% _1 I8 S( H% y* 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。/ Y$ m( u. ?6 N' U$ t
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。9 J- A  C6 k- s( K& h

4 y' P# l$ g, \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。* R* {1 J. g9 g8 w; F
9 Q! z: Q: k* c3 x
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。
: P: v- U. M* O* W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。
+ Z- i& B+ d8 A: F: S; ~: b, O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。
+ X( O+ e4 ~* d7 B! d: u+ A9 u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。7 G; `0 w/ X# S& t, T
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: C. w: `' W8 d! c# K% 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。
$ o' l/ `7 t+ V! M; d. S* A( q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)。2 a$ p: D; u5 g' u/ N

* n- P4 q* [% s% k& M图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression7 Q3 A/ H9 E$ q# d' z5 V' `, t
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。' _' A0 \. |1 T; M% [# F* K. V
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。8 z, K8 `* s8 X3 E4 K& v- I/ P) R% K
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图片来自 Machine Learning Blog
0 y4 |8 x0 l4 j. _- z, Q, b) c" X) X4 V! p
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。
, Q5 }+ q' N2 X5 H2 Q$ F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。
0 y1 q" O; b+ r. i5 ?4 o
: d; e# H* [* R; [! J" w1 w( ZAlexNet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. [' U. O) g
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!/ \" b( @1 u4 v3 Q- b) L
1 m& a; T& e' F2 B
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。
& f* U. W' y) B+ u- V) ^" |5 \3 E
, N3 r. y; z: f3 K$ s; ?4.深度学习(不)能干什么9 v  v% h: ^& \0 [7 u3 f) u, |% 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。/ u: y+ O" U, W4 {' K1 i6 e
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。
0 i2 n& ]( U4 B9 \Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
0 G! L  E" G" j  _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。
5 r" R. w/ X. ]7 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。
; {1 \4 |* e5 h& M7 c深度学习能做一些令人赞叹的事情。
" o5 G- g5 O9 e1 `) N# K1 ^# ^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。  ~! z9 O) [1 \9 D  ~
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。; j8 T6 y% q9 z. g; O2 W
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。! M( e6 k5 I' `* X1 A
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。
0 c5 P& W) F1 M( S, R* j: j: t
; J' a6 v0 Z. a/ I/ U* U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。4 ]5 o7 a2 J# Q, C) h4 n( p$ ~
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。' F8 G6 {# Y+ I% U- e2 M1 \
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?6 |! D" h9 e+ {- [6 O" }
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。- X6 c- m% \# o( c+ G
& g* y9 g. Z- c
  @" F7 a* O' x  j4 p
$ N- ^0 t; z( G, D
嘿,你在看吗?3 M( R) H1 T5 P
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw8 l9 O! o7 H- d# r7 Z; [9 S& q
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