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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。3 Q% w$ G; T$ ?; S3 d8 @# h5 s1 B
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。" R5 M8 ^: ~5 m5 c: G) ^- _
读书笔记•人工智能+ ^) W4 s2 x" |4 {
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
9 n s9 N' d/ j9 {7 t/ ~) Y' g, p1 X( J阅读前,笔记君邀你思考:9 N- s" {; }7 B& ]3 V
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。 n2 k3 T& Q0 |/ n. u1 Z% @
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 b7 c u. [' t6 c9 ^0 l
以下,尽请欣赏~
' F$ x8 g; E) f, f! T4 e9 }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。
! R; h0 L' Z m2016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。
; g+ a. O+ n2 T8 h2016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。
8 Y$ l+ O# p# p. U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。
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( m9 d& L& s% t* `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。! i- A8 u& _' R* s# {
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。8 e2 K) p0 R1 Z! J
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。+ v! j# s4 b; f/ Y" K0 @
一、神经网络与深度学习
% P- r7 E, @& a8 L& n, V9 h' |为什么要了解深度学习?5 a0 R8 K' C4 T: |
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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0 J% Q9 l2 C$ v6 p$ ?" f! ~▲ 长按图片保存可分享至朋友圈, Y$ m) z! P' x0 M
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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。3 R {& K* q4 b# H
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。# e$ d5 T# k- ]- t
我将重点使用两份参考资料:: W8 r0 z- }! e! R" k, Z
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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)。
% a6 Z1 G8 N- \, y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。! ~, b4 P# X a) _, }9 A2 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。& z' [. M: I) Y, l
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 ?2 ~' w' v; O; g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?
2 A2 R3 F$ }4 }! T1.没有规则的学习; }8 {4 P, p% G: d; t
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。. }, t6 A- B/ V2 }6 x5 o3 y
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。
5 o4 b9 j4 C6 D% v& R首先来看人是怎么识别猫的。
/ a! h& U1 I/ k3 \观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、% [& a9 S! U, x& q# k& l

& z2 m+ O) r# f3 L+ O& z: P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?
- k1 s, N# N8 w H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。
7 k9 U) [- M' w5 W% y; l4 R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。
8 C0 L% `0 [8 U+ S0 s再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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图片来自 design.tutsplus.com) d/ A8 [3 w! v9 B
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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?6 \7 \0 p; x! |, C
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。
8 o$ y! e, a7 c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。
" F% `! v; e, M3 R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?: t- K6 y' m, j5 o
2.神经网络9 {% O' ?& P' a! F* _1 [! U: D( o
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。
% D: V7 N1 E' D2 ?+ c- L《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。
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: G4 ^7 T8 I' ^: _" E X1989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。
, c$ X$ R8 Y0 V" w7 W' L3 B7 K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。0 f- x3 z I% ? Y* 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?
! `+ B2 M1 R4 e0 B: B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。
2 N+ s2 m/ ?6 B8 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。$ \* a/ K5 V }# k
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。, m, W$ o8 @- L) T7 t$ \1 ~

) G, s* U" ]+ a' L7 @, r4 G那计算机能不能效法大脑呢?. g+ n. x; f, ^5 N- V1 v
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
* Z8 J% {. f, Z第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。8 B; E) Q1 K1 r- u. 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。2 T! Z" {8 E5 i& O- Z" `3 O
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
% N* M' Y1 W4 o: S+ j, i9 t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。( h" \# T! E! i- I3 x
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 L$ c* _. S2 f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 @; X8 P% B6 x- R7 X
这就是神经网络计算要做的事情。4 [. a' o, d6 c+ K
3.什么是“深度学习”8 p9 n: e2 l/ |: Z
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 " d, i6 k; U' Y! Q8 n5 n
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图片来自 hackernoon.com
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- P4 T: w; G. y它从左到右分为三层。
: C% x \1 X- o# y1 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。
% Y2 g9 b0 z( R5 x9 P( A+ [! C- ? T第二层叫“隐藏层”。
. O$ c+ {* S; }5 e& d第三层是“输出层”。
% f5 ]2 ~9 `0 W% B h6 ~) 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。& M3 B2 |( a2 n. T$ Z8 d' {. }# q \8 ^
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。. _1 ^$ J1 B' b
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图片来自 Analytics India Magazine
9 S. L5 B/ I( k9 Q. E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。8 M* r& r5 t# d4 `
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。0 g% ~5 s: H$ D$ A* P7 w$ y& }0 l
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* @0 O' ~! h- ^3 ]
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。
& Q! c% ]. z: M @! y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。
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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。
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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。2 }+ A" P' ]0 w5 e: k
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。
0 ~; o7 f3 a. _( P+ J0 o0 o2 R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。
: M) o" b% f* y- G1 S, j+ ^所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
* R6 N) D6 ?0 G0 g- I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”。
8 ]3 c9 p! g; E% J8 b" s这就是神经元的基本原理。
; L9 b6 M$ d4 ^. w2 ?5 y5 @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( w+ M& r& W6 Q9 z( c
! W4 U5 z: y* H" L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。& I& X% o2 H8 f# G5 X: e6 @0 a
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。0 h7 y4 @3 T/ J$ J( L& ^; x
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。" ^0 ^' ?: k5 m9 |
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。7 e$ F4 q7 q7 T0 M* |
二、计算机如何识别手写数字
8 o' K& G8 R' Q9 u/ X7 `9 Q- @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。
; C; g3 l* g/ X5 W( T2 X4 B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。
, W: e8 c, p" N3 D0 I" T$ o. a' @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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2 v6 y: v' m9 Q% M9 F- k3 M j1. 简化% X: m2 ]% O4 y$ [; _
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。7 O/ X$ O* C- ]4 T
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' n1 c9 n4 e7 u
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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?# j5 h6 E6 V; w+ J
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。. M8 D3 E9 z* `2 k5 `" s9 M
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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: ~9 z5 I* {: l+ `/ @, _; I图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28( Q& ]4 i, B2 F, {- R, A
这就完全是一个数学问题了。) {# ]' \% |/ d+ q! v" r
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。* `1 b7 D- w- ~% b% A
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
H t* {! | g& u5 F5 [" \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。
% w! b% u6 j" ?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。
% Q" l) f2 M% G( ]然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
; x* g6 _' b' Y4 K! H# {8 s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 C: S- e, |7 o1 T5 c! [# P
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 j. H( j$ k7 E2 m$ @& o7 b( y2. 设定5 X' F. {+ T4 U* P# e! F& e5 [
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。, u: J4 o Q% C5 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。
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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。0 d! p% L, ~, c3 F1 K3 @" h
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。( D- l( K% H. G! F9 P2 C6 F! P
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。4 |! M$ I/ X; a8 I. a$ u
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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。
' X9 g, U+ M& s5 k; {. c/ 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。/ \- Q! J" |0 w7 t3 Q0 v
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+ `) y9 {& }& Y
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。1 u( O7 E/ ]$ O$ y) u
3. 训练8 r' G6 U0 |9 i1 @1 t) n
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。
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' ~0 g# Q9 t0 X0 I3 v: W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。
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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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( U5 h$ q; D5 Q8 Z% g. I2 c" D# n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。/ F- C' R9 e8 k9 u: p/ Z3 W
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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。, y" |+ P2 L( ?$ h3 w
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。5 p8 \# V/ P5 q" O$ S1 h
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。
# k$ C: D ~. t: A& K( 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。' I$ l: O/ ~+ i) ~9 q
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。
$ B4 F; M1 U |: p' S+ T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。
8 @0 f- a% T2 K# t0 I2 B4 \) z' d: w事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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7 F7 R4 S; g* D在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
' X" [+ \ q3 |" 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。
; x" V6 _$ ]* j+ i1 m0 t( g三、卷积网络如何实现图像识别
& H9 T% E& C \4 z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。
/ u1 F2 g; W3 z1.“笨办法”和人的办法
5 a: G6 K0 v8 [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。
; H. M9 K' _: L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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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。
) I" S% F/ p" D8 K1 W8 k) L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。6 B3 V: x _6 Q% L: y
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。. [' }5 H2 J- q6 q/ w
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。/ K1 k3 l& U: d2 p
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。' i ?7 N5 ?! J; d9 i7 W
这么多训练素材上哪找呢?; c6 _" C \* S2 D
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。 C1 a0 x8 a9 E* w7 ]$ f) X! R- q
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
8 k* X6 A: l* j% p: V; f2 j' a, @& 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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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”。
2 {( Q" _9 e8 M* F% N5 r1 o1 E# Z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。
2 ]5 _. A1 c8 l5 |/ n1 o: h! e. u/ D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”。
* L' G: c: p5 q! H5 u, f7 @; j我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。* \9 I/ g4 Q8 I
2.竞赛: A; r# y* f. Y0 e& v
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& N' Z! P% @; } ?" 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。: ^' M. m0 N2 X/ Z s8 J* S
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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。* H# i( X1 c ?
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。
3 V9 h3 F& M. t8 u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。
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3 O- F: D" N3 w4 j" Q# W. @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。: {5 D1 q% m1 S
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
5 }1 d$ q3 h1 C# n: M* D0 Y3.卷积网络$ F8 k: c3 C# V, n2 m7 f, G
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 k4 [( g; T6 p
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。" T3 \( B/ O. 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” 。
/ W! z6 J9 q* F! d/ Z/ E8 `3 F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”。" A" t" Q2 C9 b1 F* O- _7 ^
“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。
; s3 R. ~% T) z6 P( g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。
- i# j* M+ |. ^4 I$ q/ X( h# F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。( t# i- G8 k" W7 W: l6 ~7 T3 o
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图片来自cdn.edureka.co$ Z& n: u6 A2 d: h4 @3 ]

. e1 K; c% U: J, w) K' Q2 A第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
- R% |" U5 i2 G+ ]3 H/ U3 M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。/ |1 H; M( d4 x8 v
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。# N) g* q' u5 x/ }* D6 C9 C. K
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。
; U" N% v) o" e! p0 A( IAlexNet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。) \/ D0 d* m/ q* g- O1 S
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。
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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。$ ?/ X ]5 `( J- u# F3 [+ z4 x* h
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。
& T- v6 o1 J4 j, `1 G' A9 B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。3 d) n( L0 Z+ _7 G4 A! [) G
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。
h; z' j% P6 @. 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。
p3 a2 a) u$ N# y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。
5 F* E" L9 k4 o7 N8 |" V$ ^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)。( B# ~ i7 P7 M4 {: t4 t8 z9 `

. Y( i) a3 ]- ~- Y6 R/ L图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression: v! L' k) E# K. Z
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。
. ?0 a3 F; e$ }; v6 A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。- G- L& J( s. B% D3 z

% }2 Z8 U- _$ I8 K( i; p8 _" ^图片来自 Machine Learning Blog
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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。$ i% q. B' l6 W6 @
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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! H1 Y" I: T2 y5 M+ c; rAlexNet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。: D# j; {7 r' c& w' i; ^
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!: @2 t) `* c6 \. B% t. l+ S) N

1 A: R4 J% c4 E! 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。
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, L3 v1 v+ ~+ `5 j3 f. V. |4.深度学习(不)能干什么: [, P, P8 G, L* Y3 a* T/ W0 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。
0 J; |/ V0 Q3 d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。
% Z9 \" G4 K1 RGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
9 o! | e: _) U6 k: P( b5 _ \ 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。. s7 v. H9 Q4 M- r9 g$ y) N% g0 j2 F# c& R
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 E7 A, k! H7 ^6 n* ~7 @, u深度学习能做一些令人赞叹的事情。2 z3 U8 M3 V4 A1 ?" R" m
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。* V2 h S+ y# m2 C' c+ U6 s
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。% K/ N9 \& r/ G/ q8 J
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
4 |) y- G9 c, { G) L: L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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+ d7 R5 V K6 m4 a; N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。
2 c2 S1 b5 w; L2 l9 |( g y; i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。# P5 N8 p; R8 \- E% b8 h* 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?& x5 p% E v4 i, R% M
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。
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3 B: ?, i0 K, M) x! i o9 _6 x 5 j L+ [& c4 K6 i
7 V0 k: F" `+ o$ i 嘿,你在看吗?
" ?2 s$ A3 C5 X5 ], ^. a2 E j' k# p来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw$ z1 v& i% i. w4 F) T" y$ x9 g
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