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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。
+ b4 s# F! J& q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。
! ^! X4 p& S2 L! K4 p读书笔记•人工智能' u- x: F' x3 V6 c# A! k& B" W
本文优质度:★★★+口感:拿铁
4 Z) a) ?% [8 v# c6 E& d阅读前,笔记君邀你思考:& h7 Z" P7 {) S/ n
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。+ ?' `/ O; V" d5 k
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”。! H- f. v( U% |4 d
以下,尽请欣赏~
# z# Y; U, k3 h, Q! k1956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。
: Y% D+ G" L9 d2016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。
2 V9 p; T, T$ }/ d4 E2 F! w) G  ^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。
) }  T1 [, x" J# Z- w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。" W6 S& L4 b3 b
% o- q2 H, l: o4 A! i9 ^
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。
' L( t  u/ r* h2 P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 h1 K% a% \% v8 F4 ~7 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。
* G0 p$ ^3 E: k  H2 a6 ~一、神经网络与深度学习- E* q; Q) V3 k7 F4 P. W
为什么要了解深度学习?
, B* }9 q+ T! t& M9 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。2 B8 u( {1 s3 A8 s

- _6 ~! f' d2 h: @  m▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
# O9 S$ K- |( W* x
: x0 D- A- }1 f7 R) X6 e- u' V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。
* e  c$ R0 ]; F- F, D/ x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。
( X/ R. X- L& n: R: |9 b我将重点使用两份参考资料:
5 n- U' l$ \) j; B8 W! N! s9 ?& J4 H, N' U6 F" L! 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)。1 k' n3 l' A3 }. t" |
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。- ~& u0 ~4 J' ?, E
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。
4 \4 K- C, d: }3 C% S7 p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。  i; k/ C8 @6 V; m- D7 k
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?
- Y) d2 n/ H* S7 S- v1.没有规则的学习/ M) J1 n7 X6 o2 I
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。
/ k: j. Z/ f- e/ d6 ^8 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 h: N: C! X+ H: l, L- V/ |  H$ o; h首先来看人是怎么识别猫的。
- C7 E' U/ V: _  P$ t/ r: u: w9 W观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
7 N* `8 x) d  u, f1 X2 A" D" K$ H
- W2 x& t" E2 H5 @& O+ {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?! ^) h& C  K, G0 C
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。
: i2 J( F& U# y1 T, o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。
" f/ s8 W' T: V6 [  i$ O再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?- ?% p# ?. \% L6 X( C& S# }

: C" g0 }0 b( k) |' y! V# z图片来自 design.tutsplus.com
# m# z$ A6 U% ^( v. e
7 X4 E5 R; q( b$ b; T5 A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?& o0 b0 Y0 U9 b
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。
4 P$ N; F. y( x7 v$ Y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。0 C, c' j" G9 n: g: J$ I8 A
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 {- E0 Z' K6 d. H- }2 D# X
2.神经网络
/ i& q9 k" w9 L0 C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。
9 E0 ^% _; r: r8 ~. m《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。
+ u* x7 l9 a- F  ?+ b. U2 t. f* n: |( v: G8 E& J
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。2 P9 c  |6 S. D5 W" ~
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。
5 P  K& c% C* I3 N' Q$ K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 S2 Q; d1 c. W; e9 }
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。! G& ]+ v* c' f" j
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。
% F, B5 y! x" |$ M" W4 m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 P, w7 S+ v# Y1 A2 w5 p5 k
5 n3 g# R3 a% `2 l- \那计算机能不能效法大脑呢?; c7 `( f3 ^6 d! \  I
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
0 H2 X  G! o8 g+ H" i) ]5 M# k第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。/ H, {" z' u; w. T5 d1 q% x
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。8 Q' Q* F7 z& t: f1 m$ S
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。$ G0 K9 s  H/ N, 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。" ^( Y- Y5 D) `9 _5 Y6 O) D6 D  e
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。5 C& i* n7 K2 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。$ V3 R* ^  ]% q$ U
这就是神经网络计算要做的事情。2 H2 e' M9 p, s$ X
3.什么是“深度学习”1 R" N( k; O# M" o
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
' F  @& P; H( `
0 _, K' X, |9 s9 D8 y5 X) l图片来自 hackernoon.com( U" {, a& c! M) I( R. H; h: N
& O) L8 ]1 |' d
它从左到右分为三层。" z* h6 {2 o( M0 F8 J6 H0 S# o
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。
1 z" L, C* r! B+ Y, a# B' m5 v4 A/ ?第二层叫“隐藏层”。
2 y1 I. Z. I+ I第三层是“输出层”。; c0 b* B  R& Y$ 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。
) V- I- z) l5 v! H5 Q. ~( e7 g从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
( M& Q* f* m( D& r/ m; R0 v
& b+ A  F1 j% Q2 U. z- f图片来自 Analytics India Magazine9 c8 f" C5 B# P4 m! 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。
9 H( Z# |/ n) r- Z/ j: S“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
! k5 U. D3 v. ]0 C9 r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。
0 Z7 z, [4 Y) n6 G  o: a3 K! b* {- j/ D2 K3 M3 T5 m
图片来自 Towards Data Science 网站
% I7 K' s$ z6 J* Z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。
) @  ]# z3 C2 o. s( J. t( T/ H2 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。. S0 G$ Y; s3 B  a. `+ Z3 ^# r- j9 x- p
' O9 V- H6 L8 l5 J9 E# ~# B2 o
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。 8 p' K6 ]8 @" u" e- g2 n8 ?0 p

4 O0 x6 Q6 {7 s" ~/ x- ?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。
  q) Q# j: [4 Z. Q* V# _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。3 v9 s3 w, i" b6 e( G& ~
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。+ R, x- \- B. {0 @
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
& ?. |- i& S6 z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”。
4 I/ C4 R: l; ~/ g) Q; D这就是神经元的基本原理。7 I; C" g' X$ R
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。
2 C- {( W7 @; ]: U5 z# Z# E0 c/ y; v2 C
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。
1 h6 o4 S$ i! k4 x+ w神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。4 s! G6 b& M4 R; [$ K) C
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。
$ V' K2 g4 V  O& J. 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。
6 K, b5 M8 K" r, d0 S% B二、计算机如何识别手写数字
1 ]; g6 f3 E; e+ Y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。; \) s/ h1 B5 {: W5 W# o
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。9 O" s% L# b9 p
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?1 o* r; u3 |9 E
3 O6 H+ \- i$ O2 {6 ]
1. 简化; B! v/ ~; d. [5 p; L
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
: Q  Q8 O! \$ S4 E# X  r3 @0 ^. U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。( V5 ?7 O6 M, h8 A% t* r. j/ P& G
* [/ O) `8 J, e2 u4 U
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?
" ]: Z( F% ]! @8 A$ n8 X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。  ]' }% W1 }$ c# {; A$ [
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 ——
. J' P7 I6 N2 q, N1 e
4 C) @* A) P' e9 b图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×287 r3 ~+ o% B% K5 }# u; g2 O. }
这就完全是一个数学问题了。+ d! |$ O5 X" h3 \4 C- z
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。
2 u8 {* b; U& J" z( Z7 Z这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
' l* t2 ~$ }! H. p* u6 z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。$ S; F! P% G, A' E4 e4 h$ Z2 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。
' j- y- Y8 z/ f0 a然而,这种人为找规律的思路非常不可行。, }0 G% G, Y$ t3 |- e. v
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。
  R1 o# D" P  M2 v* 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。
2 S& w+ V# ?, ]$ w. F! L2 F2. 设定
: |" i) ?, r& t0 M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。
& ^1 ?6 l- Y6 v$ x8 C% ]+ j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 B$ w! c  o" I4 [% O8 A3 ?$ e1 A9 ^' T- e* i' y: a. v* g4 c
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。3 g8 {' D& S- Z+ g4 o0 m2 [, Y8 k$ X
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。; T6 s, W2 K1 ~2 T- }
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
) U4 [/ y9 p( {* Z( W  p5 x! N4 A* V+ M5 w* q) G+ n) 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。6 x- R% v/ f/ M
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。4 o; J+ U5 j  t6 D: y; n
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。6 W7 X2 d0 R" \9 J4 Z
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。
! u- c3 D" f# m8 T6 R) Q" d3. 训练' Q" n8 g8 y9 ^6 I# C4 O- R
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* v6 d- U. T% j* Y/ ^8 q

" v6 {9 ^# [. h! N1 F! Z9 [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。
" v0 X& Z' H% a+ ]0 }( ^) f5 T/ ~1 ?6 c+ a1 ?
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。
( |# X5 b- D. B* y+ C  d; X% m- s
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。
) Z0 s. F! ?7 o& L% q0 S9 ~
- ~1 e( T) z9 i; |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。9 }9 s& y5 Y2 X, h7 b- {6 a
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
  B( o1 s$ A. y( }' u8 i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。0 y, H+ f$ r, N: E. ^
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。# B: ~4 ], W$ m  ?
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。
  a3 f& ]5 n  Y' d: H1 l; g# I- h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。
' I5 s' }# L3 G$ |; y事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
, m2 q' z% F9 }4 f% M. Z* m: X" D% r9 ^
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。. s: `3 u4 e; m' n& }
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。
( N# P  n1 q+ v7 l; A+ g- E三、卷积网络如何实现图像识别
, H6 R. F, }/ S6 z! 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。" s2 ]. w, g% s3 w# R
1.“笨办法”和人的办法  k7 w# d' Q! x; |% j- O1 q" D; z
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。  e# @5 q1 h* d: A
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。  D5 W: E8 ?, o; n( }; D0 x
; q7 B- P  D8 w2 e. P' u* q6 M4 C0 K
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。; h1 ^# b+ }3 c2 k* z4 v
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。+ C7 a- q+ K$ g5 a0 A
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。
$ S: d# x$ O4 C* E; z; ~4 m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。
+ d/ l- m& [) }! g2 e. x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。
( G" k4 X. C1 ]' A! X* p6 H% _这么多训练素材上哪找呢?% A9 A# p) U# O* G' x
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。
1 q6 B' s6 n4 d& v( _! K. I% d现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
2 Y! i" n$ b" b, j5 l" b& Y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。
& b3 s, y1 _( C5 x) N5 `! q2 B) W% ~% Y6 V: x3 ?
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”。
$ `- H+ N- [" |- z" ?5 c8 |( A" x" 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。
$ U% u* }, Q. Y& P2 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”。1 d2 D2 C& K4 r2 p
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。6 }! n6 u8 ~  b. m3 ~
2.竞赛* R& i* q9 s& v9 W$ a8 Q, {" j
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。5 S- [( a/ }" G3 t0 z% V+ P
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。$ J1 C2 j8 L1 q1 }
' S8 ]6 r/ T" I3 ?

- x  K! I9 J: z+ j6 e0 `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。+ J' H  ?" n2 q0 |
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 x8 h1 P9 Z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。
% ]% ?& l4 v$ d6 N1 O8 q) N- q7 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。1 C& y- B. ?/ p8 Z. K3 ^# `# P( v
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。5 O2 P: m# @2 q: L3 }$ E, O
3.卷积网络
  y5 O, R$ s/ j2012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。
8 E) i+ n5 Q, o$ O5 P0 _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。
% J# J& D7 a# `1 @' 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” 。/ d) o! Y! H( i
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”。
) Y& n; Z( M) j) A3 t" t5 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。
9 m: N. u9 t7 q* [$ }) G. W. ?# 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" ^/ R/ A% G) s' 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。  C5 B, ?/ C. Q6 g9 d( q
8 _' {& C4 E& f% y( G8 I
图片来自cdn.edureka.co
6 m% H" g! u# u6 d( T( H' l0 U8 O% V; q# s& [. Y1 M
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
' b1 Z8 C: I. ?- o: r  D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。
8 `" L  \9 L2 W0 V) J7 V第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。% b- A$ a6 M) \6 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。) h( l" k: c4 H3 p. o4 U$ c
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。3 g" @( x# b0 y! ^7 R6 g" b/ D7 ?
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  R/ m- J$ s' v
2 q8 G+ y1 M6 t+ o+ e* U( t9 \: K, n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 i, g) q3 g5 A6 k6 G* g
& z. U1 A* C: m0 o$ a/ n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。/ e: x  a$ t; S$ s
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。5 T( _6 N/ K+ p; o% B3 d
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 _$ q' J  C' w9 |7 E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。- }& A( q  n* h5 D! |* k" v# A" c
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。
! _# C3 ]6 k+ n6 \) Y  a; 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。
  v4 u! ]6 R0 A/ S6 j! C# A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)。( q/ v2 ?( E; ], l. j: r$ a

' {% _. \  R3 v: A4 T图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
1 L& @% P+ W( K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。) I6 r( n- p' X
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。
, T! \! V  G4 Z- o
+ q4 `- a9 v, Y& Q3 h图片来自 Machine Learning Blog2 V% y3 ^2 v' {; B
1 f1 O4 G* \7 j) B6 ?' M) f
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。
- @- V5 M% r1 e4 R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。& q; O  a7 ~/ Y- b5 W

7 l7 U5 @9 K  Q. d# O# ?- LAlexNet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$ W8 W; O1 U: Z! B
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!) ?/ @% t+ r6 U' e0 w& l$ E

4 Z( ]' G: ^2 T/ D3 G5 ~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。$ W0 B8 u1 _7 a0 c* K
  [* l) |+ p9 z5 {+ w: y
4.深度学习(不)能干什么2 E& ~: W5 |4 L. d' |2 C, n) z
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。
7 a3 J7 L4 L+ ^3 m9 M; g% Z4 Z; U) {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。
$ T  c3 y3 U, E. L4 LGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。- h5 [1 k! q# E5 l: o( q
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。
4 h, g% [4 J3 Z; y$ W* ^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。
; ]2 N3 A6 Y8 [7 B3 E' K0 f深度学习能做一些令人赞叹的事情。
3 Q' q0 c; G- n5 A1 [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。
& s3 X: }/ Q0 c$ o& J5 G: 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。: ~1 ~3 n: H4 |2 L+ a# h( j
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
# q( n4 [- o; U$ Z$ u1 H& V6 n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。
7 X$ K4 N& ?& n/ P: @9 _8 F$ O0 d5 u4 q
: n  w9 X' u4 D) Y- ]  R6 i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。! s, ~- f8 `- B! ~* V, W3 l  O
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。7 t9 a/ j0 f$ _" \9 K
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?' o% Q% v3 _( q5 R( i+ w: 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 X' i4 C9 Q' k$ t9 Z嘿,你在看吗?8 G: K0 w$ u1 t2 a/ o6 z2 }
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
: k8 z/ O; {. O4 d9 r) h# j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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