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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。
4 [+ M$ W0 t0 ^, k$ {; ]% r9 |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。
- W" U5 q( h2 }; U读书笔记•人工智能3 |  W! m* S5 t4 M
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
; d% n! f  k9 s" w- f9 g! V阅读前,笔记君邀你思考:3 Z* s/ g7 D% {$ I4 s" k
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。8 J) v# _" \7 {# m
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”。, Z6 k3 |9 @, u  V# G5 `
以下,尽请欣赏~
; S- {' r1 }: `5 P, m+ D5 V1956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。+ p* m7 v% {* w4 h& |' Y
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。' b2 L& b. [/ 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。
: I& D$ k$ e" k! @- I, ?9 z$ z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。- F" \  j- u. u+ T
7 B) r5 l% X8 Z6 M1 d* a: z4 @
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。
9 O. t* f- W8 N# ?# }( I1 x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。
) k( ^2 i0 G( J9 U! Q; N0 _6 p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。9 u! Z; `/ d" N( l9 i: ^
一、神经网络与深度学习! X+ p1 u2 Y1 S
为什么要了解深度学习?! c+ K" T! S* P. `
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。
5 u% q5 }: n# p6 Y. S( ]9 Z+ N5 _
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
. t8 O/ E3 {8 e, S
( p& k7 _; o+ Q' S8 H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。
; B4 }4 n/ b8 p. r- J8 ]( X3 B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- {  t8 b* k* t! ~4 X我将重点使用两份参考资料:$ [( J$ W& d& N% d
: n2 G. c8 V# d1 ~3 E! 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)。! q* G$ n4 X  z( r7 W: l; q
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。+ h: F& R) K+ s+ l( R
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。: Q  f: r+ v, i  P6 x. I/ Q
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。0 Q, J, d5 b7 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?
* }' d3 j/ h6 i5 d1.没有规则的学习1 V! |1 _7 A3 q
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。4 Z7 K8 B2 P1 u' [3 T  h$ I$ {  m9 ?
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。) [' ]% c- U7 L2 O
首先来看人是怎么识别猫的。, S; M8 i# u# h: ~8 L  i
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、" @5 Q( g3 F! B! Q; p. J
& N" C+ d% X4 q: ]5 O6 W: T( _$ 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?
- b! g+ f2 e# I; b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。* o: h. l; M3 d: L
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。
: \# }7 d2 v0 q# J8 ?0 [/ c2 N  s, u再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?0 I' B- q1 V7 H0 a- t) F1 F8 w8 P- y

& G) x' W* h7 z! X图片来自 design.tutsplus.com
5 N! V, C6 D9 ^" n! t  F
$ z* W  n' p( A/ E) l- l& d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?( s4 H' D1 o6 l
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。
" d% c4 Q1 R. C: ?" i7 Q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。
% }; \& ~; K1 E/ F' o9 b1 \- b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?% M- O0 Y+ d( R/ C
2.神经网络
4 ^7 S' J! Q$ X* k5 C  S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。
/ n" N$ H7 m( {4 o《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。
" V: ?. ?6 w1 S2 Q0 r3 r. i( x# l
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。1 U2 {7 F6 N1 J" \; e# ^
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。* u; t& b& i4 _7 X* V1 a7 U
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 m. E$ R4 o, E4 X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。
! j0 z6 q# z: e$ w' P1 t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。' k( n4 n- U3 Y$ Q8 i3 X
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。
  g  R# n( P9 b$ P
/ _- P1 R- C* ~4 L2 [+ W7 p那计算机能不能效法大脑呢?
/ v  a: t( g0 t' U: ?6 u. m9 C谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
' c( P/ q$ L+ K# A7 \  n第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。  r# l/ v. i8 t4 v. b
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。" N! v2 G+ d" g( M$ |
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
/ ^" {: X& V5 H, P1 H" k$ Q1 M) R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。
# D) q% O. ^! Y/ I2 m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 m5 z1 H4 o# ~, E% B4 |2 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。
* V4 u. t5 ], g( R* @" c2 r( n6 ?这就是神经网络计算要做的事情。$ u6 e  Z+ Z" U- P  C4 W0 [9 M% A
3.什么是“深度学习”
  O9 w! f5 n( F. d6 g$ d$ F: A) C下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 + ~" Q3 J  [( u

3 P# `' u' O5 P图片来自 hackernoon.com8 R: f" V7 ~7 ~2 F& P
' g" e. k7 Z2 T7 O; [1 u3 P1 S
它从左到右分为三层。
0 X( v. x$ A( ?' ]; i; J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。
4 e. ~2 a( P( e. h& S% b" {第二层叫“隐藏层”。* k( Z! R; h: J2 y) c" z4 C! w
第三层是“输出层”。! L8 R& m# K# Y! E; F5 W; `1 S
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。
- D) }1 e) Y+ }; q) D' n8 q. C# N8 v从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
8 b& P$ O  Y& n3 u3 D% F1 z* I- y! e$ Q  m) @4 W
图片来自 Analytics India Magazine9 r# ]& d3 y9 D
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。
2 o/ s( |$ m3 E$ W“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
& X1 z& i" ^7 J1 Y; N: [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。; s- `0 t- A" b, m" O. B) M

: m; i( c5 v$ [0 r1 M图片来自 Towards Data Science 网站- @. D3 e( f  G" F% U4 W
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& A! Y+ ?$ B8 A) n; V0 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。& n' ^/ P1 B! r6 O: o8 k: p/ y
5 i( o. N- e- Q" g4 L9 Z& f
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。 0 G' F' B' |4 N( n
8 `$ I) P6 G8 q2 l: Q/ H/ Z
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。9 z5 s% B9 m  g# s
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。
+ x1 i. k( T5 c3 H) ]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。- e' X; E9 R: M% E
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
& Y5 i* l: ~" ^2 s  a% Z7 D3 c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”。+ j/ i' ]8 @: {$ l( ~
这就是神经元的基本原理。
+ d+ k% d& r6 x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。
) f6 q: _) \& U" E7 c
  t% T+ h1 F( G1 w, g0 V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 r2 F# ]7 z, e神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
# o: _! @+ e6 x% e9 z% j  V( y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/ V5 U9 G, g0 |4 r( [
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。
" H/ z+ L7 N" P二、计算机如何识别手写数字1 {# w; \4 V, R  c
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。
; H# I+ g  b) }; m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 n5 G0 Y4 \5 ~# s  F( u5 R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?
$ _0 j3 j- f( k2 {: s3 j$ N
1 n% l+ r4 k1 G  M8 r2 d1. 简化
4 p# Q6 b4 T( N5 b3 h  v想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
5 @' \7 u% |, L3 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。
) E# v8 Y0 Y& W2 a; N' X& C
- B9 N5 _" g. H+ m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?
1 a& R. B* ~' ^# G2 y7 H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。+ n% e5 y' B- [1 _
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 ——
  g/ a4 ~2 m1 `& U4 r- P$ l3 b
" m) c4 G( ?& a2 Y图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×288 ^0 {7 u1 L1 H+ P+ R* W! V4 K- T1 e7 A
这就完全是一个数学问题了。4 D6 k  g; Z3 A9 p: I! {
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。: T7 y6 h  z! x6 d
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。! [0 A( k" q* k" Q) ^# e3 }
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。6 l) ], e- o9 ~, z; O; F
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。
* ~8 U9 a! i/ T, X! s然而,这种人为找规律的思路非常不可行。5 F5 p; V/ N  H& o8 k! U2 m- r
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。% W5 k5 n" _: z5 N8 H5 H
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。% _$ R% I) L  H7 S$ M8 T
2. 设定* I% @* m$ u" s" D
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。/ |6 D0 @  Z6 Q% p
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。" F2 }# G9 _5 y% n2 @' ~
! N/ r/ j- w( i$ L8 d' c4 K
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。
) x) ]7 r5 m: u$ E& G( Z第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
+ V& [& c9 W5 z第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。# _% U9 `" z% p  `& Z4 q/ Q; P- l! ?

$ D" n7 p! x1 `/ n0 e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。
" d" C7 N6 {9 o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。3 K' E8 N- v" _2 L3 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。! n- m5 W5 \. r
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。
/ v8 |9 G* n6 i+ n9 |0 c( b: M3. 训练
6 M% s8 L. j) K9 B; \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。
2 H* J! B0 F; o( Z( ^% n( ?! D( {) w/ c3 d2 S  _
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。
0 g$ M0 P3 f8 y. M$ m+ ]  S$ @% B# w0 c, J
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。. v  X) }) U- e7 d% M

6 m; b7 ~$ K& W2 P0 Y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。
5 u6 x  I0 \% N) M" ^" V% H5 I/ a
" E. g/ t/ Q' B0 C2 D" m- 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。
% z1 B7 n: _  |7 e" R  e参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。! _  |2 g- u% x* E$ K
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。
! E/ D$ l5 _$ \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。
: J* M. p, U' H+ I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。& b$ H4 }; s2 b5 [) D) m, c' `
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。
+ s1 ~% w2 E9 b. e/ w事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! $ s& Q% c; ?; V3 q3 }4 D

% H7 Y+ @4 }$ [" V$ F% n; _在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
- P% H" }7 w0 o, D, G  L4 Q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。" ^" D+ _+ d& D9 h! j4 |
三、卷积网络如何实现图像识别
8 ]* @  \% m4 Q1 J/ A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。
, L2 R6 s! W* h1.“笨办法”和人的办法, p' {0 p0 ~' O7 h4 m: B
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。
5 F4 M# f( g+ g0 o8 _/ \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。
; M) P. W1 I8 m, u  C5 N/ a* t# T7 D! Q7 u, _
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。
+ K8 \) Q+ G# S6 ]* g8 b" k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。
7 |7 r; r! T' ?5 x2 D( W( F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。
9 ?6 l' x3 y. }  }/ t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。4 _$ d7 u3 m6 M" }2 H
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。
( d& B* F1 y7 G. K% G3 [9 Z3 h" m. H这么多训练素材上哪找呢?
4 i' G8 Z5 G$ C( ~6 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。
5 {5 D$ q3 l3 I: l, z  u) \1 H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! C, I: A& m  ~1 |
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。+ \6 {( f9 ?) m% X# N

! \$ q  _1 }" O0 T: F- G( m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”。
% v$ |  e! b2 U7 h; T% `" v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。
' R: x- ~/ V* V) P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; E5 e4 L3 o9 {, W
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
9 j, R( j" K+ u2 }6 `2.竞赛1 b3 E' k% |4 N1 O! T2 Z) g
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。9 L* z, P4 O* Y2 z5 O
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。! j6 Y4 ]; ~; u- v" V( ?

# f  r$ u# q7 I( H7 Z6 V
# a; r" S. E. N% I4 V( u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。6 H. I3 y& O: [7 v2 ~# N
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。+ O% A; L5 ~: \% K
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。
' F- g0 E2 V8 m
5 Q; B: L& X& d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。
8 d5 b8 c9 Q: L; U: S那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
8 R: g" C% h, S  c" {% y  a8 O3.卷积网络
& ~( f: [3 i/ O* v2012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。; Y, Z7 ]( x5 E% F$ x
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 E0 N: t% h7 c, A1 q
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” 。
5 e* ~. a* u3 r1 G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”。2 t1 t- r( \# K- D/ Z
“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。2 Z2 C& V0 ]) u; y+ I
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。7 M8 V! S- A) _0 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。' t9 D/ F' B7 u! |
; L/ @0 l; r+ [. ~$ R
图片来自cdn.edureka.co& C+ P( P% l6 [# o3 d
1 q" j/ j: k6 \% B" a( R( [
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
. l; ^3 n6 I# l9 H; }& s7 H6 O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。. {/ X& T/ u# x$ F. C
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
. R: W. V7 P2 ?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。+ s7 B: E* p9 W* a
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。
) @$ i1 e' {# G7 `( ^! u# Z% b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。# t; V3 W  W6 v1 l5 K

0 o5 C4 D  q( L& z8 D- J. u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。) r0 }/ ~- {' H& |, L5 M5 z5 E
: J' }) Y2 X2 a4 F0 {
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。" g3 L6 N( q$ X3 x
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  k& }4 \: R2 @* Y
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。. p& S: f1 |$ {! `
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。5 A9 S9 @( b1 F$ f1 C0 h1 t7 d2 q
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。
7 {( }; q$ M  _/ i* m0 D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。. Q% \% t) R* C& 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)。
/ ^( p( B& a( @( B% {! e- e3 I# F* G) w
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression& K% G1 a6 |- W) c" `
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。4 ~- [' t: @- @4 ~7 h* J9 [6 k
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。
  B0 l( `+ D' f) x* o% L& E, l. x5 S$ L9 V% Q* q- I
图片来自 Machine Learning Blog
4 W) X% v* k+ y2 ~) A7 A! F
, u% C* H5 e" k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。8 G: C% H# C( j; A2 V3 @; O
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。: P- l  {2 Q! a% O& x4 y8 f
# H5 p0 t9 k2 y9 b1 N1 V
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。
' Y7 S2 S8 ~" \- S4 {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 A" S. S, p* `% E& f# T1 g, j

' s6 M6 h: s; Z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。9 r" |7 d+ N8 h9 K' z& w2 p
' [2 }7 U8 ?4 i! z  F# d
4.深度学习(不)能干什么
$ z' W7 G% d' w$ N$ z* A3 u/ H1 AAlexNet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 m5 O( \. g' n3 ?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。; ^  v- a6 R: |+ V" m
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
- W1 s7 Q2 t# t; Q; p4 S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。; m  w- E# {/ ?8 i" y
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。8 T0 A; F( d& d/ j% [
深度学习能做一些令人赞叹的事情。$ M2 l* }  Z- |3 ^! D* d& W
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。* @4 E3 X; n$ r! N# h
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。) x/ [( Z' V3 ^( q% c# M/ U: Z- `
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
4 o) m% Z# T0 V/ S* D- B' 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。
9 F: o$ g7 I7 z
9 \9 M4 p& t9 {3 N& Y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。
( I# X; t- p1 z% G' J* i8 g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。
& ^5 K' i$ j% f% @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?2 ~% C) q/ y+ g, S( 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。  T3 O. V. m, c) h

6 g/ s( j+ o/ v0 Z/ r7 _9 H1 [6 m3 Q/ w& M" L0 ~! N8 a2 G

! g: ^, I" D3 r: r嘿,你在看吗?. R! B- z2 k, z0 |. l! @
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw. R# z7 C# f3 a5 \9 X. Q4 f* m
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