京东6.18大促主会场领京享红包更优惠

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 6656|回复: 0

图灵奖得主,带你详解深度学习

[复制链接]

10

主题

0

回帖

10

积分

新手上路

积分
10
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。
9 r' ], d, z1 K2 r% `7 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。& l4 K% H% q5 W1 n
读书笔记•人工智能, s7 `& W; @; J# a! a+ }' |
本文优质度:★★★+口感:拿铁
4 N0 e( y4 A4 L8 H0 q* m阅读前,笔记君邀你思考:" x) _6 H/ Z& @$ v+ G' [
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。
% d  h# H2 D: C) x: V7 C0 q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”。4 J2 F$ w3 G: |1 M! @
以下,尽请欣赏~
! p) F+ T3 ?, x, g$ m2 f1956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。  c: q* }. S, J4 o) ]
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。/ n$ ?/ W- X" w1 ]7 ~' F$ W) \
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。4 f% x7 p5 m( b0 y& l2 O. S
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。" O& S; v' P: j; h; e
  e/ B: m: z0 S9 m: t% [, \4 W
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。
) x8 I1 r$ `& d# _& 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。: @# l3 C2 _& \6 p- Q+ l
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。% F* B( V" _& N6 i9 ?6 o
一、神经网络与深度学习
9 ]! A# w# p: q# s. z8 U为什么要了解深度学习?
* G/ _9 D8 \% w+ I% ~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。1 E: a. \0 d+ n4 i. V

- f( g( N& C0 \- C▲ 长按图片保存可分享至朋友圈- }) A2 U6 V  |

4 M8 ~5 e6 C  X) G: g& K  k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。
: t" |8 M# c% V3 `, k( c' v$ L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。$ e7 [. w- x! u  q( |  d; u
我将重点使用两份参考资料:+ j: l4 E  E: X" K; l( V" {! g
( s% Z+ P1 N  q3 Y: a4 G: Y8 l$ m* U
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 q% s  d9 q! J6 j) S1 U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。
) P& ~  R1 S4 |) ?9 i6 ~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。
0 v% t2 b  p4 L0 s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。5 z$ [1 l/ R5 a3 D0 z5 O
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 |1 B! o+ ^" K7 |; o, e  h8 c2 \2 _
1.没有规则的学习
8 h8 \4 \& T1 m3 w2 f& R4 k4 @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。6 {. i9 x$ X% V" A# |3 v- 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。
" `5 j  K' ~# {# ^( N首先来看人是怎么识别猫的。6 \6 r" ]2 O5 j1 k- v" W/ D% \+ D
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、  L6 E5 y4 I# @+ J8 t: O" U% ~  {* e
6 G9 \/ s3 d8 u2 K( Q) 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?
4 P! F* j- {6 a% }( k4 s: i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。- I" ?/ W! T) Q9 R$ A4 b2 x3 ^: [
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。
- H# I! ]: D: x% U2 O再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
- Y! y5 ]; h. F  w7 k8 f; C9 S" h3 m; k& u1 }8 m1 M; N8 H
图片来自 design.tutsplus.com
, n& \7 X% L3 ?: s' p, ?# Q( ]6 M/ T# j& _! t$ n
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?% v/ p9 F9 u& E  U  I
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。
* }/ M3 ^8 G+ M+ K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。
2 |- b* E# H$ f: }# {: N; |5 j- r/ i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?
- w$ _/ a( _( k. P2.神经网络
8 I! ^. g( r/ f) U  i5 w' [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。. O9 y. s3 n% D$ g' r7 Z
《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。, S# ?1 i+ [  x0 m9 L
9 V3 E3 N- j4 a5 i) H) W7 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。5 Y6 a0 j0 {- L) \% y
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 I+ c5 E" [! T1 Q) C$ @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 }. @4 z  b2 ~! e  C. z9 g
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。
" }5 {; f! v, g/ L6 `1 a' 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。( r4 ]/ w: n  k' N  d9 F4 y4 ^
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。" G8 Q: k) W( K* ~

% Y+ S2 }4 h* g  V$ S) @9 k那计算机能不能效法大脑呢?
5 F: K0 o/ b& k; u0 y# \谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。7 w3 I, I& A- M9 ~- {* d
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
; O* d$ R& b9 }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。" o: B' {: u/ A% ~
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
7 P: C; g. H/ |9 p! ^7 e0 K$ \: |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。' ^2 z- v# a9 K* T8 T9 z
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。$ S. K$ T3 j3 Y0 Q8 N/ ?
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。
, p1 V8 r, H0 N2 q这就是神经网络计算要做的事情。0 L& s9 O$ k' \( I# |
3.什么是“深度学习”
+ `  ~+ ]7 q, V% f- ~7 ~下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
" E7 k) J: C  ], D4 _( a+ T5 }' t- K0 u3 U. [
图片来自 hackernoon.com
. v5 h2 B$ O' V
1 C, p: V8 \& P$ y, ?1 e它从左到右分为三层。
, {3 s/ \! h; q; Q. v- Q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。
8 `* W+ a1 _+ T1 r第二层叫“隐藏层”。! H& c2 a  S. O& u% {5 q9 v
第三层是“输出层”。3 e) ~+ V4 {4 l2 f3 r& t7 f
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。; y) v$ w$ R: o; m/ D8 a3 u# u2 |3 v
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
2 K; p; g; a4 V. \. y# _, W: G8 W8 e0 S  T+ C% }5 ?5 Q6 P6 A
图片来自 Analytics India Magazine, a4 Z7 d  k( [$ {1 [. @
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。
% D+ W) m2 @% Y! C“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
  r) z9 A" ]( V4 X7 e+ ^, ^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。
3 c# p' e0 y- `6 z2 ?' K# Y
( V  z( }9 |3 @* g图片来自 Towards Data Science 网站
- |3 i: y( E1 b8 f- K+ Z  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。& k8 o4 s% Y+ @2 L0 b
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。
! j1 T8 I) \, h3 z7 i0 j
: M- I, s: k2 Y9 g- Y4 I0 l3 G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。 7 i: v  P( W8 z# J6 v$ u

, Q% ^0 M9 O; 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。4 s. C& o7 @% _$ V' C" O1 K! Q4 f
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 ?9 q" o& F6 y& P& [/ l) b
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& S' z) d, s4 q
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
# y* }6 Z% `: i, b: @+ \" C+ G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 ~7 k# j9 B+ E7 x3 J/ t
这就是神经元的基本原理。7 H' u: B4 f- N0 M1 v( |3 s/ h
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。
8 u# v+ O. A$ Z2 ~. A& s8 Y: |4 A" X! i1 V: b2 i8 S1 {7 h' 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。
2 H1 m- [( w9 A& f5 b- I神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。" k! |$ w/ ?: m  G+ e
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。
. c+ m7 ~- P% S; i' x* n- u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。* @, r$ j% f" X( O( o* r/ I
二、计算机如何识别手写数字
3 `2 o0 Z/ v" {# g' c) ^1 ^3 }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。
) N! S, J: Z/ l$ F( S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。5 \; M( {9 k7 Z0 J# q3 t7 ?
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?
; l/ r  E. h% V  \; O7 N
6 L( S7 r2 k# V+ J( {% Q* B1. 简化" X  N7 s: K- L! G% i% ^
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
& k* U( L7 z; }) s- b) W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。4 q* k$ Z9 r2 p& d

+ N2 ?1 U" x) O' u4 \, K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?
# r- E# f& c* I- u  F+ C/ |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。$ w' {: F; O6 e. X- F* ?( E
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 ——   T: [$ ~5 C6 R  C, f
% E# {0 L1 I0 j, g4 U: i
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28% M& ~6 }1 s% A5 A# w( h+ x. G' s
这就完全是一个数学问题了。2 M6 G2 }$ l6 p- v
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。
" Q- D4 \) y1 Y2 }: _2 o这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
* T7 b3 K2 q/ ^, k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。
( b; b. \( I4 a" K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。
0 m% \* X7 O) \% {然而,这种人为找规律的思路非常不可行。! [& V5 X9 |+ _7 _7 e0 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。
; a, J9 K3 l2 Y7 y/ V, 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。
* G7 o+ n. |! Y( u5 x2. 设定6 A$ ]) Q: O1 P( m1 M( M0 n' j" h' k
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。
2 ]: E: `/ q0 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。( x# ~+ ?2 [, f) S
! {$ _% H- j% E
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。: I3 {( b, o8 V. M% P; S) i7 z
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
* S3 m8 C+ X5 C  X6 d+ {第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
# a! P" y8 k! |7 h
0 G4 W3 k8 c& u) ~, X5 a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。( r2 N0 e9 K* g+ l
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。& k4 l/ p  A$ @) Q' {- Q
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。
3 d! n( c' U8 j2 N+ d2 |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 z" u/ t' p; E1 x' f
3. 训练
2 J! H& {6 A, G/ 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。
; ^1 B9 F; q9 H3 ^1 R7 n  E
# ?# u& |3 D7 B2 i: x* I/ \. U2 ]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。$ }; y: B# p) o6 h

8 Q6 z7 @, p* U: t7 U4 O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。
8 k  [: _" w& E' J; O9 m+ R. V4 H
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。* T' q6 i" D% z. j0 R6 Q0 ~" ]
$ {8 |$ t: t8 @( |: d8 x5 s  X7 Q; 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。+ q3 _: ~) ]& r5 \3 A
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。* m4 t' p0 q) d' p7 |0 J
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。1 i  U3 |1 K7 o. }+ l& k: t5 `1 a
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。% w) {" _* c8 X$ d) G) @
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。
/ p/ a5 q! S0 B2 I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。
! u  ]9 W; g. H. S1 i事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
3 X- \  }9 G1 {( [/ B' K
% \8 S8 T4 F: Y: M: e; g7 l& k在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
4 Y0 |! f% W+ 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。
; k- [$ c& s" a( {. }0 G" w三、卷积网络如何实现图像识别
) \5 B& k6 K0 d2 c% P4 y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。4 a: E9 W0 o/ ?9 a$ f0 [7 q
1.“笨办法”和人的办法% Z2 H; I& H" m* [* T
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。9 S& k- j3 k9 d6 k& q- ?
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。7 D3 H: m+ \$ ?; T" Y" Y
# r, R/ J0 a6 D$ o+ a# J
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。
( I6 H+ z8 G+ \' U; a% [+ v6 D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。
- a8 X; I% x" g7 [$ s! b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。# [( t1 t$ Z& ^1 }
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。6 O! G1 i% [4 Q: Z+ L) X, c: O) z
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。7 \: m4 V0 c8 R# l/ n; `. M
这么多训练素材上哪找呢?
6 m, Q1 p. O6 ^4 B. X* v) F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。
: Q7 H3 i9 a: A' J! a3 i/ o& i现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
) [# V; s7 Y1 Z- l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。
" q( f/ s; V2 G; q2 _1 S, k1 _% r# J. x5 b" X+ v6 c4 s; R5 O9 G
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 J. I6 A' v7 E& t3 \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。5 {$ n& h5 K( s" f2 [! n; u
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”。" ]" z+ a1 y+ P# p* ]/ K0 D
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
) i9 x/ y2 \, F0 D2.竞赛0 n) I& r* j: ~- ]9 i
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。4 z+ [! Q5 ]/ t
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。' V3 ?) y: h" W2 l
7 H. Z6 o5 P! [3 N# h
+ |- U* D% T7 Z7 ^
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 O! U1 Y$ Q5 y3 {
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。* B7 k% E: M; 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。9 Y# P/ J/ y4 o* |- X

' b/ S* o) [. u- R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。6 L% Q8 y1 p) u' a, z
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。0 ~; d1 ?" H& E; f6 b; |" j
3.卷积网络( k- G7 v$ s) w+ e1 s% U( C
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。
" A# C& n* y+ Q- o, Q- [% _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 v* x4 ?/ u) c, d- i
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” 。
( @# Z+ p4 ^- E2 p- C5 ~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”。
/ @0 B9 g/ h$ r! R  V8 p5 L“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。& A* x) Z" V( f  U
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。8 \+ ]# k5 h' Z8 O9 y2 ?
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。
# ^2 k! W  r. q, e# F0 L7 b
: e  m2 @$ x% K8 U$ U2 M& _3 ]图片来自cdn.edureka.co6 y* s/ g! g) V, @
7 v. Z9 @1 K% D1 u3 ^4 A
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。! C! C( p- i4 Y
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。
' E4 X* K/ a) C4 [第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。1 l$ @9 S3 M9 F! x6 _% ?
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。
- F$ ]# E5 l' P3 ~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。
  c! q7 B' m; j6 M6 z" |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。
1 ]* h0 w3 F8 W4 S! d* _$ `' _+ H
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。
$ q: n+ V: v6 H" ^8 K( L5 x  d& v3 \4 Y: ]0 s9 H" V# R
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。
  c9 T9 ]  R& I1 }& E* ~0 J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。3 s- Z, Q/ h4 [- y) x, 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。+ f0 F# j8 O' M( D
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。
. F( {7 R% y0 T* p1 L5 ^  Q9 W6 m; J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。) h1 s' k2 L- B; V) r# v! N
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。, A' D+ B+ x: ?7 X' R" }
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)。' P/ U3 h* o3 N$ H8 a
/ \6 U8 b) S; q0 s- \' S1 E
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
/ B2 h* Z: _- _7 ^; \- F7 @, I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。8 |5 d5 X4 d5 R4 o2 B; Q2 _4 j) b
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。
4 L; A9 c( R4 M4 K+ ?# l9 _: D" ?# H/ H
图片来自 Machine Learning Blog
( A& G( i% W: \( j1 H/ N7 y4 Z4 y! E3 r% E' {. l
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。; J' }6 J5 r2 a# W, d/ ?5 t
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。
) {+ U0 H. N* X" q( X& P! ~: {/ z
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。) Q2 Y1 ?# p# {( N5 C
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!) o  A) c$ t$ h' b. l

$ P2 {3 `) r+ e' A; \, m4 O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。
+ I$ D; E* q/ S: d5 r
4 E; ]9 H5 h% |7 G4.深度学习(不)能干什么& C8 h0 Z8 F* w7 d, h  u
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。9 |7 |% b! @/ L7 \& ~( Q( P! 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。
, [0 ~) \2 }+ @3 t+ EGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。& I! j- @  ]8 e. k/ }" h
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 z, f  E. e/ E' p0 E2012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。$ ^* j2 I8 \) f. w1 p: E: H' M0 S" m
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
0 \3 [1 x0 c$ F. |/ [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。# d  W+ z0 _8 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。+ p4 M2 e4 U$ @" p8 ~! a4 r
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
, |4 a1 ~( ~# d( R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。6 Q- n8 j' U0 V6 b. i) a
# f6 J6 K1 }4 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。
1 ~6 k! G' J4 T# S, c. T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。
: c, h( Y& c) h8 g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?
4 {* C! l2 S7 H- O1 u7 ~. l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。- f% o+ H# N! O% r& a' {

* X" o# i( u! x6 P, U7 [
. x3 a& R9 }: X
( \" [$ I  H5 q# o9 R嘿,你在看吗?5 x3 C: e. _' Z$ x2 w3 k9 e3 ~
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw+ y: C* W, }; o5 O; m" ~
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!

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?立即注册

×

帖子地址: 

梦想之都-俊月星空 优酷自频道欢迎您 http://i.youku.com/zhaojun917
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

QQ|手机版|小黑屋|梦想之都-俊月星空 ( 粤ICP备18056059号 )|网站地图

GMT+8, 2026-4-18 13:00 , Processed in 0.070498 second(s), 24 queries .

Powered by Mxzdjyxk! X3.5

© 2001-2026 Discuz! Team.

快速回复 返回顶部 返回列表