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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。* I) l* K4 d0 D/ x& p% n$ z0 Z% E
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。
% L" U8 J7 p' A5 a: j+ s9 W读书笔记•人工智能2 N) {; ]6 E+ e! k+ ~' c' l+ E
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁$ w: e; u0 G$ ^8 o+ g$ k9 X* {; B' @
阅读前,笔记君邀你思考:) F3 |1 L- ?% Q
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。: F/ W- t; U7 P! 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”。
1 f* I' ]( w( \: {% K3 P% Q以下,尽请欣赏~4 ?, J \9 c! P, V
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。
1 a# z+ x$ y: A6 k; K4 c2016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。
* X8 j# r+ `- y. o5 V- O1 u2016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。
0 W4 P) y. l' _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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" O1 n' ?. M& _6 \9 w9 B/ x2019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。% R* s* }$ \9 @' V+ d
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。
% D/ e3 M7 ? [1 ]4 T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。3 z @+ }& W+ x2 D+ x- ~! s
一、神经网络与深度学习
$ m) U% @4 D- `, T为什么要了解深度学习?
* ?' A% G7 @+ [5 u; @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。" W) n# g/ ?7 w# v0 R5 i0 _' t
, l( t5 \1 d- O) b) e# r0 `▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
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& m0 F( N4 ?3 \; g" ~$ l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。
: o8 h; j6 @: i% U2 y" `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。
- C3 V9 H% k: F% D1 }我将重点使用两份参考资料:, f2 S+ j; B' j
& n! _" B( p3 L9 V' h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)。+ p/ Q& b. e4 S& G. R+ 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。
7 v' R4 ~7 A. Z9 W: \% z; O1 K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。; `: i. B* @+ t1 t% 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。
2 p- q5 R2 J% p M1 m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?
) m8 f0 n7 O1 |4 a0 I/ W+ L1.没有规则的学习
9 L# c# E) n( k8 c& x& V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。
; t& z# ?8 }) e: B. 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。
" W4 {" I P# x/ Y7 V& `* r' Q# ?; a& Q首先来看人是怎么识别猫的。
' c9 X2 R/ g% {- ~6 F I8 V观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
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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?
/ d. @' O6 Q, L9 X3 o* \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。% B& b, S L+ n: Z) z
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。- I$ o) D) |: l: v
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?" K% m4 A% L6 o3 e
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图片来自 design.tutsplus.com' b, f* n2 n* C5 Q- C
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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?9 T/ i! o( I% Z5 e. a3 z/ ^
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。. j; E% Q1 _" r0 j& ?
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。6 x$ Y) I0 D$ V, 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?
. I" {' `0 F: n, B8 O2 J2.神经网络
7 u: C/ c- `' V4 w; d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。
( J/ w# ?- J6 L8 [( N( 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。 N6 B- @6 D8 a U$ t X' f& f
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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 r9 s" C3 ^ v) n$ p8 V4 [7 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。 Q; z8 Z$ ~' S
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?# u+ F: l& z+ F7 s) o
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。1 }' z2 R! D( Z! O4 [ ~9 H2 E
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。
5 n6 J9 B7 q9 Q M2 z7 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。9 j0 K% c$ C! i3 Z( W

! M' {4 Y8 p+ v那计算机能不能效法大脑呢?
. V& Y9 W8 c) P谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。$ d- r6 W1 x/ z* `1 u" \' ?! R
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
2 |# r) q3 ]1 F7 z! ]+ M1 m- [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。
! R8 W u" D) e+ ?+ Y: m& @第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。. t' \, M9 t2 \* d: R; X
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。
0 `, U: R. Z/ J# 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。9 e& G- ^ g5 j z% N0 _
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。
% X: s8 i% m) n% z6 h这就是神经网络计算要做的事情。
7 k: _* k, e9 |* _- \' U1 t3 x5 j3.什么是“深度学习”
9 T' X& K8 K1 p+ G1 @# B, ~3 b下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 " g n% E( x* o$ A- M8 ^9 Q

! [5 |9 y# f3 N' B: h+ S6 i图片来自 hackernoon.com3 q2 _7 ?& h, E2 V
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它从左到右分为三层。
3 C* ]$ |4 }* W" S) 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。$ ^6 b& {# X2 g
第二层叫“隐藏层”。5 Z+ {3 A+ U: q6 u: L; i
第三层是“输出层”。
* z+ P6 {0 e4 k$ p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。
1 ~0 i$ x; R$ C- e% F# E6 {从下面这张图,你可以看到它的运行过程。, r1 Z% s# E& s A+ F7 B
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图片来自 Analytics India Magazine8 ?* |& q. k" w* _; f# {1 j
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。$ P7 O5 ]: R% g2 ?+ k1 {* B
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
' f0 O) G/ W# M2 a+ t# Z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。# | w" [; m6 o# ^
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图片来自 Towards Data Science 网站
) O5 g, Q3 `2 e- k, I2 [$ r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 v* b# N/ _; O5 i+ e3 l/ G/ M, O4 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。 C3 K& n$ u5 e* o0 c: H8 N! Y
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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。 . n7 u, Z& D, g, Q9 J% n1 i
1 `, l; \$ `' b) f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。% L( k+ l0 s5 N" 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。9 e: P; B- l3 X2 W2 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。( p- y" ]* r! F: C
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
% y _) Z0 c5 o# P# x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”。# p7 ~' b( H( V
这就是神经元的基本原理。& } u- c. z( h2 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。
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: N" A/ R9 O' F" m1 K$ J* A/ g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。! e: K0 _6 ^: e: U, G: _' j* E
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
3 c" I4 ]9 f/ y% f$ z/ i0 [+ }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。) f; Q4 e! O; y
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。# x0 H3 c1 C1 E3 G" k @) I# z
二、计算机如何识别手写数字
1 ^( w1 W1 u7 x8 h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。
' J( d( ]/ |: Y; G9 k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。7 B O# b; H9 X8 Z
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?' [8 `) `/ Z1 _' |. n& Y

0 [! P7 ^/ N% w1 i; X* i1. 简化" q6 J9 @( C3 z# a8 T
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
% Z9 k% T, _8 H2 f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。; T/ Y5 e5 X+ X. 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?
( F3 Q. l1 ~* p0 R1 H9 |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。( e) b/ a+ ? p2 ^; ]! K6 L
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 x% _3 p4 [3 v' r9 k7 Z
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
' e* B$ Y$ Z+ r3 H& L' n* k这就完全是一个数学问题了。+ U5 ^/ f0 Q5 T. U, e
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。* S* T' j, I# l w2 Y# a* q
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
4 i2 L; [& i/ P7 V; ~# P. J4 u" C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。
- ~/ v: t2 ^1 v1 I. G* }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$ A) I) w0 o: V( z" p然而,这种人为找规律的思路非常不可行。( {3 f9 F5 A2 T+ A7 ?
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。1 ?, X; {* |" v/ S: \
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。
- F' B( ]2 o" U9 [* H- R1 ~2. 设定
0 l& U+ Y* B. n3 u D3 `1 V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。
, w7 D8 [+ `7 U, s; V6 m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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4 W) P( t& i4 Y& K6 z0 z3 T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。
# ~! h0 J/ N# I, Z. ?0 p1 A5 ?) J6 y第二层是隐藏层,由15个神经元组成。! e- Q- [3 P4 W9 Z
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
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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。
' h+ \, ^$ U3 `7 j1 O( U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。( l0 E/ c a5 W+ I
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。
; }) t! X# k* ]0 W7 L: X/ h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。
+ s$ |1 B6 i% s+ ?9 G3. 训练
; q/ b7 z3 w* o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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- t3 |! F. U/ S3 |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。7 E+ n7 r: _7 o( I' w+ b

6 v' N- l5 W# w% [7 O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。
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2 c$ ]' o" A& t& T4 F8 f5 z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 G' P5 K& v q8 D
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
5 j3 @( _. u# b4 i, L) u- 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。
/ G, s+ T2 i; Q4 ]5 V. w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。, \# {8 a$ A# o# ~% j
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。! E# V! k5 [9 w' j" n
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。
& Q( I/ C; D' `$ o1 l5 p事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。: B2 @ n8 [0 @9 V; x
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。
. y4 g& u' c" c三、卷积网络如何实现图像识别
4 \5 P6 c& K& `6 L; i4 S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。' g8 a% K4 F: D% E4 l+ W/ z
1.“笨办法”和人的办法
* s" \6 B' o# U& f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。
$ q5 U. H7 S% ?( V4 q- Z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。
, [1 i. C7 T9 ]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。
! Q6 |5 j1 M- j/ g. 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。
. e; m/ v u) Z" F7 S5 l4 ?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。& n! L% r% U8 S6 X/ s/ t7 N; S# t
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。
. {, R, g! P* ]1 }( b. X这么多训练素材上哪找呢?4 P7 ?* I' E/ s# D) V- \
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。
: S: q# |4 Y: h: y1 C0 x* s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 b) {: E5 C! K$ ?2 b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。9 e0 c/ y% W9 ]8 D* B/ k# `5 Z
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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”。7 S7 p: }4 E( ?
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。 R0 g$ m: F9 s1 @2 J
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”。
; P& _! c! G8 [- y$ M5 V1 f我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。9 g. R0 J- y7 z1 n8 [) `
2.竞赛5 M2 L. {: c2 ?. 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。
6 s1 d: z' _4 I9 \' v V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。% q! I! z y2 L2 a }

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( f( ~, E5 @5 p) i8 t9 w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。( F- I2 j2 K2 o0 m) `- T4 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。) q; `- B8 V& ]
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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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。% f1 N4 E/ \& I2 y( e; a, h
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
) h: ]5 ~6 k8 i: C3.卷积网络9 r2 |# p( _: [& F$ r3 d
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。
; t, R5 @' S) z' E# d) `: I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。
- u1 ?& [! `4 k) t: j8 S4 [- m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 y% A% p; N" O$ [ O8 E- v& i' a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”。
$ H& f2 M' A& _( k7 o) y# t, U“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。
, d5 E) c+ b2 P, B& c) _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。
/ m8 V" {7 x1 T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。+ P6 {) M$ t/ c4 g# K C
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图片来自cdn.edureka.co Y# e7 N% l4 Z9 s2 Z: Y, v/ z
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第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
/ b4 Y- ~; w% u/ Y$ ]' w 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。
( S. ~8 P; B# ]0 C+ ]7 \, a5 {第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。& m) A( n; m, c1 ^
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。
& U2 |3 m, f: h1 }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 V5 O! O( \8 P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 s, e, ^" V3 c: T) V
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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。
1 ^, s0 A- a5 \9 g, C0 ?% d
+ o$ l1 J" ?3 R6 K& H( I8 w. P7 B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。( w2 }; r6 K2 l& o, G4 X* ?- C7 G
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。
: g& }, y8 Q/ a. O. }% A1 e! j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。) x9 h, s$ D/ R4 t: q
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。
- E6 Q2 G* p. B4 o! 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。
& F0 ?8 A8 V9 O% h0 w% B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。& R( o7 q2 F$ c2 a2 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)。
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
) J8 R3 F. N: v8 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。
# O, f' G1 `( w1 {5 K9 L1 {# ^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。% J4 @8 s w' N' ~5 d& ~' h4 I4 ~
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图片来自 Machine Learning Blog
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: T' y3 Y. e9 |% ]( ~5 o1 f' D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。
. s8 \; k& P( q7 D2 r8 u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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% _2 x2 W( R) x' ~) OAlexNet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。2 d% d5 q8 d- {) e) n- X) s: P6 O
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!
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, e( b' L. O4 q5 G, V, v0 `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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- R5 L7 f1 E$ ^0 P7 }' C# C3 c4.深度学习(不)能干什么" ^ [& C% n! ?% D4 R& K
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 p8 v6 z7 c; ]6 p* s- N/ o+ V9 T
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。1 s3 V) h+ [& i% O: F
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。; \+ a9 ?' ]0 }5 V
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。* c! J. |$ Q1 H
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。
( ~' g J4 V1 y0 n1 o& r深度学习能做一些令人赞叹的事情。
: x a) U% h2 f$ x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。
# v* K3 \) U* r" a0 u u- G6 g; x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。; k5 S# `: E$ A# {0 i
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
. e8 t( `- _) 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。. D6 U4 v) x3 g4 C8 q! j- |
1 t* n A' X0 M6 x" v9 c/ Z0 |+ \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。8 y+ u- m' t6 d( f2 Z. s
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。1 E, F+ g7 E; U, j; Q5 B
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?
3 P% ~! b% Z: { h2 o, f+ d* U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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( w# \$ y3 j' |- N ' _8 O# D8 e' q. k/ l( R
2 {( [( r5 Z; J5 i; _ 嘿,你在看吗?
: u; p7 H# y* c! X& t6 P6 u4 R来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
4 d( I2 V) ]4 z, t2 z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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