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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。: w# U' D6 j5 H
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。/ G8 Z! ^! P5 r- _: l2 }
读书笔记•人工智能
9 n9 A  X7 w- V* ~  t. k本文优质度:★★★+口感:拿铁
" W; B# V" L/ b: V1 y5 {阅读前,笔记君邀你思考:
, r8 V2 G+ t- \6 o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。
+ Y; t; a* b) @" y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”。* F. d5 G( {; Z* `
以下,尽请欣赏~
9 c. }; O; ~8 p, }# t: C) i1956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。
4 [, S1 v3 i- f* K: |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。: ]6 k/ p2 T7 ?8 C
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。  J1 v2 E; g5 |! D) Q, ]
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。) b) Q2 S; ~- g0 e, \9 Y3 x8 p  }9 Y* [
/ M7 V  t8 Y! m6 B, j
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。- Y% B# L% t7 |% d9 @# e
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。
% b7 D0 y$ ^7 Q' X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。
. J( {" b: y) q一、神经网络与深度学习  A1 f! [+ Q( W: p' n. N- O
为什么要了解深度学习?( d: V: ]! M" s7 C
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。
% u% F& M4 G+ E
8 y9 Q7 [- Q+ G▲ 长按图片保存可分享至朋友圈8 |2 T( D+ V0 O* ]1 ?. n
$ v: _9 Y7 G+ X8 n1 y/ O
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。- _  m' `' O( o# h* I, O
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。
. M% |; p1 g* s( I5 V6 j- G我将重点使用两份参考资料:
/ n. _% Q0 ]$ k! w5 ^( ^- U" T) ~; I3 z# T1 H: ~& Z- L5 r1 f
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)。( J7 ?4 g; h- G9 K& t2 U1 c
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。
( i0 j- A" N2 _% e  X( Y7 Y! e+ Q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 Y0 W! Z) G) w3 ~
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。
% X5 d+ B! V# U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?
. x- q" V9 i5 s* y, d; t1.没有规则的学习
( Q- i% s  i; E- r! v4 H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。
) p5 s; F& M- E, ?, r0 U( ^& S) n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。
4 ~3 ^' a( e6 t5 q' |首先来看人是怎么识别猫的。
0 e" @! T9 G# ^1 H! e+ [观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、7 _9 ]" I; G5 N0 R# Z- ?+ G

1 ?6 Z; v, ~( b/ T: A4 s5 M6 H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?6 n/ O8 l' A- _
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。% G# d% n. z5 c
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。
2 ?+ I" y, T! y- m再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
  v" t! n8 L# v& A  }) I& U; e2 |4 v: T* Y8 H
图片来自 design.tutsplus.com2 I9 b/ |( O3 {" R# ?* M% F

0 O  F) m% T$ i" s  P( ^8 C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?. A3 c& S, c8 }* b/ Q0 I5 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。
0 }/ t+ d4 t- Q4 ^( G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。8 v. h$ ?# |* E& p9 v# }
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?- n6 K' C7 O6 q4 i+ P
2.神经网络
. H8 U) H9 H7 f9 Z; N. V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。4 D  p' Q, a  x* D* h" {
《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。
; t; C1 }* j7 ~  g8 y4 {+ C, j, j% ]5 E4 o, L* ^1 l; P
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。7 b5 c5 t* b" W7 Z/ g' H$ U3 S
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。
1 ]- e1 P+ U/ t1 ^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?4 k) s* z4 V, {( s0 l2 p
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。
% t! A4 ~& C8 i5 U+ L" @; ]- V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。
  C; |& A4 f+ A$ T8 r5 Z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。& U3 r* ]" r+ x( `: D

- g" W; e) x$ e8 U  V. ]3 O  M那计算机能不能效法大脑呢?
% R' L$ m) }" C/ b4 }谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。  G9 H$ H4 |. l$ W# K1 f
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。+ m$ e. l+ C" w9 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。0 P) ~: |' z2 v( Q8 F
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。0 _% @( @! h% `
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。
: j$ e0 h  {% K, t  u- U; Y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。
9 z. c; `. n) C0 h: o  \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。" k& }8 U  _9 l) [
这就是神经网络计算要做的事情。+ l; `: W* w/ Z1 h, t
3.什么是“深度学习”" P) \* c* q4 L0 p0 z
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
& d+ t; h& p; M1 I! L; }5 N$ P+ M" q2 u' d. P3 s3 {( h
图片来自 hackernoon.com
% i, N* D+ `; }% a( b
8 l# t) p, |' W. P+ {/ a9 k/ K它从左到右分为三层。6 l% _+ A/ C! 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。
. S2 A2 U* v4 @% u6 x# A" c0 H% c第二层叫“隐藏层”。
% j( H. l0 y/ C8 }/ E$ B' w5 u第三层是“输出层”。
& t6 \/ [0 O! z$ P# u$ w! z2 V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 v$ \) ~: V5 D
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。0 F$ T7 v- b! C! F! B  Y

1 g! `8 o: ~2 l& s图片来自 Analytics India Magazine
2 M- s$ U. [8 O$ c( o; \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。4 e5 m7 S& Z; q3 L+ E
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。0 p9 ~# x; [" b* O3 N2 F
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。
# Y) ?0 N2 L! ]+ w. b6 D* `
! ?" a, h% Z2 H图片来自 Towards Data Science 网站1 w4 b6 L1 o; I& f% R! M7 x
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。* U% j" `6 s4 _& P
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。
; ~3 A2 T9 y1 ~6 J- @( w/ W. K3 _* e% m. Y
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。 4 F$ ?; e! t- A* V$ D
8 T# e' b# I. x3 t9 L8 S
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。
* ^' ~* A- J1 {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。/ {5 \5 J* [0 N- G8 d) G: f
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。
% l' z5 s# v: P  \1 |. N所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
6 E( u, v! R% H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”。
* i$ Y9 f7 L% y/ o这就是神经元的基本原理。
: n' c" _& S# ]2 h. D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。
- z% K0 ^% q; `& G1 @" \, h$ ]4 Q& @$ Q8 t1 @
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。
& }# B5 A- ?8 j4 W, J4 V% i神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
. D  R% \  g; u) n/ s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。
! M7 `  l6 G* e! Z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。
6 ?. ]. O( j/ ?: M! K! H  X二、计算机如何识别手写数字
$ c* h/ z2 X5 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。
3 w) I4 ~' A+ p5 P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。
# q0 X( }- N4 ^( c8 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?
$ M0 y$ c9 R) i: S
- O& G2 t7 g5 i3 W7 k: _1. 简化
. ~8 `& P. r2 S3 f' J0 f想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。- V2 ]7 K% I* X, k
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。& j* N* t6 B. x. ]( I! G" c+ _9 v

7 F$ o3 z1 |3 ]9 g4 {1 z$ i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?- ?. G& q0 I+ s  L
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。# A& Q6 Q% s: E! [' E3 U  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 ——
8 {7 K8 F' p5 P$ ~* Y
' j2 S1 N6 D" d- o+ b* u图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
6 K. d4 d) T+ j9 O. \, M" s这就完全是一个数学问题了。
7 P! H' C# v7 p: p8 U. f) O! X9 t! w# m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。
9 _1 n0 r1 V$ O$ _. k这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。/ J$ r' E: ]/ U5 ?- w1 [" u* g
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。
$ d4 W! C) |8 g/ Z  }9 G% a. m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。
+ N  `" N3 A; S$ L4 @, m$ w# k/ O然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
  n5 Q+ x9 M  S7 j2 t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。0 A- T4 ^8 Z! X8 c& @" ~- u
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。
7 L* T: X. K4 o( V2 n2. 设定
4 v6 z' s4 u+ K, c, @, J4 H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。% r! r$ c1 ^" {3 {% x. 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。
: j  U) j  r( f) J  ?' c# S# E; @+ `, N" 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。
( t* d8 l: z+ Y第二层是隐藏层,由15个神经元组成。& u$ B1 X* \1 l, |$ C/ ^& t
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
7 o8 t/ d; e/ }7 n$ L# q: P
7 D; q) d. p( d& g+ f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。* J9 C" \5 @! |+ H7 J' 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。# k/ |, L- l# x7 r' ^
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。
  U6 H7 f- t2 {- u* P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。( [( _" y; o; }$ m3 W; {2 V: N; G  [
3. 训练& Y1 e; r/ W% q; ~9 K
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。) u. H5 g9 X4 @$ _8 p( E! I
0 V# m' G* u1 {0 i
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。+ S, L6 v# S3 E: V- E

1 t& p/ g* _* {, J* L" ?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。
% I# s2 w$ Q  j7 Y- ^/ A0 N# f, |# r5 E( ^1 J& W/ p5 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。. f4 H3 Q6 l( ^/ C6 d

' t' t2 S0 O* 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。4 I1 S0 @) q% l" V9 V  a# n
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。. ]4 U% k$ f* z
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。
& m) z3 p. W" L& |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。- F5 h( K5 i- E" X1 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。+ v# t# M3 l0 P8 o  q$ G- B
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。
( F; h. h2 t% O  B) F. A* G事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! 3 A: j, |% Y6 y# X0 L/ K
2 l2 T; n: k' K
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
$ A( d. ?4 y$ {' A# O3 b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。
$ S2 M2 ]! t. t0 Q$ y三、卷积网络如何实现图像识别
1 f0 G+ K2 T8 q$ l% j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 {4 f5 o. Z$ e& u4 t( ~
1.“笨办法”和人的办法5 ?' }( c7 a) k. i
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。" V- x" b( F$ j9 W, m9 E0 {
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。5 F* Y3 F3 V9 R1 z  [3 ^( y5 y1 M
( `2 j  u3 o: P
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。! }2 |9 n2 R  a  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。
. j2 P6 |9 u' K* A% N  B% ?+ a0 h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。- W3 G( d# e' t) {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。
1 H6 e5 |8 o) d$ e6 d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。/ U1 V# F) E4 Z' D
这么多训练素材上哪找呢?5 x6 ^; _' Z# g0 V$ U' w
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。4 ^. n" B' [* N+ O1 j* r0 {
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
. D! r* b& l! A2 {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。0 q3 O( ^9 Z* D0 d9 B7 P7 c$ W2 o. I
; p) r4 q1 \3 J( E$ L3 R
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 h9 x8 h6 |  ^9 ^1 {: \. f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。6 X2 E- t) ^( f$ w
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”。4 \1 z7 q; {0 K  g% \4 [6 h
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。* [! g4 f: N# K& m' w+ e& h# l6 ?
2.竞赛' m+ Y) a6 ^. f/ h( 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。
+ Y# U9 a- W+ U' g3 e# H; J1 z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。
6 ]+ Z( t/ U9 Z6 w- Y) F1 ^  Y' ?4 L* u9 R# O

3 U0 C5 Q; n; U/ T/ b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。
8 ?/ T+ a& `7 m6 \& T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/ O* ^9 f8 ]# s9 K. J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。
2 X) O! m- F8 J, L; n( h5 }1 y( p9 _* b+ y
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。# p( ~% p) J7 h' m
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。; \4 c0 |& d7 f9 m
3.卷积网络
; Q/ H, [0 p! |' 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。0 _8 @( N' X8 d' V& D' [
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。/ f. A9 l8 I, ~1 K. j: Y0 O
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” 。+ D6 |" e2 {: v& n7 ?
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”。
1 K# w3 c5 N4 S) V“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。
$ Y1 `) v! G  o, t3 G/ q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。0 S+ ]6 M' v7 ~7 Z$ H6 `
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。; Y" d% f) f' w$ k

+ O5 }. O! A7 r* s2 w7 U+ @8 q# h) a" c图片来自cdn.edureka.co
7 ]+ h( D* B% ?' ^, j) M" q( i% T5 ?, a4 e# o, [$ w& j
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。: S4 y; b% Y$ C4 R; A# b& h. 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。
% l, y3 U9 V3 R; O+ }第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
2 L" ^# E6 e9 e8 t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。! l  O- v0 k6 A# X  z5 s. `
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。
1 i( B- J. `/ Z  }& k) U4 p' I' i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。
$ ^5 G3 F, \: u) D& }% h4 m5 m# h: P  c" }+ O
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。) ?/ M# h: d) Z& h

5 T, M3 F; o/ m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。
: L6 b( C' w3 T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。6 u6 I5 K4 V7 G; }- F
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。+ G+ J4 `) c. H: X
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。
3 D2 E) W0 B; u! W7 u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。
, k2 ^" n& v7 V6 a/ v7 w6 F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。; t8 \- v9 N. f! i6 c
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)。9 _3 P- c7 y2 w3 x2 K: @
" m. f3 \3 `9 T& ~& h, N
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
' P- {9 W/ r4 J2 r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。3 l, Y! U3 W" |4 k9 i
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。. k. h( O# p5 ]3 ^' k, x
# G3 ]# w  {; \" |" m  Y
图片来自 Machine Learning Blog
1 Z6 F1 j( i- x$ U4 v+ ?! v) H$ Z4 ~+ d  h
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。5 s+ R$ o1 U$ p0 O0 t3 f- o# P, 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。
) i8 g. m6 c: g7 R! K. F
$ h' l) V1 J+ y- T+ I' J6 T) CAlexNet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。
7 O  Y$ ]# I9 A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!
4 ]8 v" @' K2 _) F4 h, w6 k" E! }) j/ k: ^
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。
; B+ p& ?2 m5 w* E# R9 Z$ P/ p. ^! U/ O1 K6 V  j  q( U
4.深度学习(不)能干什么
1 d, y  ?" V( |: T7 B8 |, X! nAlexNet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。
" d7 `' X/ A" k6 ]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。3 c& |, P6 R) E1 R! t, X5 o
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。5 o% h3 R1 h: W' @+ O
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。
, V6 X. |# g4 ~2 w2012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。  G) o1 H6 a& M9 s" [/ ]# D0 d
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
/ y8 o- P6 f; M9 I/ ^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。
" P* L7 D, U2 [  e. m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。
8 Q# W% O& u8 N* N- l7 Y5 Z但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。* p7 h8 f& R& Z" Y4 c
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。
+ H4 X+ [& Y4 j3 g  U! }
) ?; E- l4 Q+ B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。
' x/ ]) F3 [3 j6 J8 X( j  H# H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。$ c9 W; l/ F( D  _
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?* U4 ]. ^+ q; Y6 K6 @' r
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。% {6 N5 h2 F1 ^; C$ r6 E, n
" W! ~6 i$ u! j
7 D  y  G2 g& ]* R5 ~: z) v
; M) z' H7 v- C, i' |
嘿,你在看吗?- M7 l, a7 s( A! G4 Z  q! P3 E
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
1 l6 x( U- K4 ^. s' f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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