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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。
) |2 }! O+ Y3 \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。
' |& ]! a: e" b( l/ ]读书笔记•人工智能
7 s7 ~/ H2 D3 Q/ r本文优质度:★★★★★+口感:拿铁! {2 v$ O: v7 ^
阅读前,笔记君邀你思考:
& [6 V) m# M8 a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。
5 K: {: @( x5 z6 e/ _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”。) s; h2 s& ?$ R
以下,尽请欣赏~
# ^" c- h+ U T$ _! T8 j: l1956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。
7 Y7 ]! y* v" e: ?+ H# k2016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。1 {% k+ b9 C3 g, y& l* Z- 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。
/ E; @& s! K- y' N% C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。) j; I" n3 p c! k5 T9 c! M5 T
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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。3 t! {2 O, P1 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 z! b2 {6 `$ d) f. ]) \, H: }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。
$ D4 N8 K. V5 l0 m" d( P4 _! \' K一、神经网络与深度学习
- @& c$ U& x6 T7 F, |9 D4 M为什么要了解深度学习?
; @, e& j: Z+ @. N, `* e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。! \" x2 D. ^5 x% t
# }3 l) K M& b▲ 长按图片保存可分享至朋友圈' s8 ^+ D6 `: z) \8 n7 @# R
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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 y, ?0 l3 W! D$ U7 d
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。
8 s7 ~* D( H1 a6 G% s7 U我将重点使用两份参考资料:6 q6 B" ?: _5 D, u! a
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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)。
+ f5 @3 Q) B/ z2 n1 b" z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。
. C+ a1 w0 N2 c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。8 R* \% P4 E0 n
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。
+ Z# a. ]* z5 D8 \, ?& W) b! ?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?
: o `, Z$ x+ n7 S$ e7 y1.没有规则的学习
$ B4 [& e3 h! s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。
* ?2 c8 R( g# F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。
/ j8 W$ L8 \* I# ?; x) E8 l首先来看人是怎么识别猫的。/ {3 @6 q9 b; `+ k
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、5 v1 X: P% R5 L! F5 y5 ~: z

R" g/ c; }( G& G2 w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?- t2 @$ U2 G7 `/ ^; p% d
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。9 k# ~, m2 D; |
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。& A4 h7 u# ]0 U8 N
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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) a- H1 [8 k" `; f图片来自 design.tutsplus.com! T0 n) I( l5 L: ^+ `8 \+ g
: b/ n- d5 @4 I( x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?$ _3 t3 r0 V4 F/ x; \4 S+ r& `
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 l) q$ z. B S! x6 M& L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。, n1 u6 ?9 G$ Q/ W# b" L- o7 K! @
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?. v7 B" {- W. b
2.神经网络
; ~$ A0 Y) H( o' [. r2 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。; c9 J( ^4 U$ ]: `
《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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" s. o8 o1 ^$ j+ n4 V: T1989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。
7 w0 i m. ], @0 R5 r2 ?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。) O/ r+ W c4 @, h
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?
- V4 a) e: q; C5 v* D' E( w. Q0 I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。$ l5 b+ u# Q7 j% i- C
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。8 T1 p6 h0 P" O8 g
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。% i3 `5 Q: z& s8 Y8 B, ]5 [4 E

' E3 `) y0 h5 t" J那计算机能不能效法大脑呢?& {8 D6 A, t. d: U+ c! R. \. m
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
: F5 W' ~9 G4 o; U! }9 Q! W* D) X第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
' r9 I; Q7 F9 [7 F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。
5 s* M9 ~, n2 r+ t* |: S第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。3 w: D) _( I9 G! d2 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。! h" Z- K6 P4 N- _& j; c
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。% A' f9 o9 x9 [
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。; I, q( Q8 Y- {# A
这就是神经网络计算要做的事情。' n" n4 x: |+ H& L
3.什么是“深度学习”: q5 V% P9 ^3 h V: I
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 # g: e0 F ~- m! a+ {

1 s# y) \% C; y6 k7 f8 F C0 [图片来自 hackernoon.com
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它从左到右分为三层。
, y6 m0 x. M% k& x9 t! N7 |% k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 Z2 a3 R2 e% k
第二层叫“隐藏层”。
) n' S6 `& O, W) [: D f* l' Q, Z第三层是“输出层”。, L4 \& a t! b2 q. c
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。; T8 T2 }3 k0 l6 l1 q
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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图片来自 Analytics India Magazine' t4 s5 _4 U; r3 ^1 u$ T
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 g- d* h# C( d. @
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。! ]3 j. V8 d5 G5 z% Z$ |) P- w- E
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。; Q8 |- O. q" q
. V2 D! x4 @# K! o0 o( K图片来自 Towards Data Science 网站7 V: K4 _4 v3 d
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 `. r( L+ W( e. 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。, `( f# h. H8 }6 N9 D

. r6 K* u, Y3 y& h# C! B1 n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。 & H& Q' U, O; ], W- Q$ b
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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。
( W$ V8 B+ ^3 y6 X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。) ^( N* }6 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。, c- x. ^+ X# Z* _( z) n
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
" u5 Y. e" p1 q! e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- p5 X4 e7 k2 K8 U' n5 v9 t% P这就是神经元的基本原理。. i/ B2 R2 e3 ^3 A
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。 # C8 r" d' g, G! z
, f2 G$ q- X# k% ?) A3 S1 e* 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。
& a* a- O! ?2 n: n j' ~神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。+ F7 a# D4 j( ~4 a$ x) q1 U
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。% w6 `* m$ z. D, ~: q( O
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。
! M y) g9 A) l6 i& Y! L* V二、计算机如何识别手写数字7 I4 t) T6 ~* r( O/ W- 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。
4 p. N1 }$ y: ]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。
/ C: Q$ f, A& K! M: v$ Y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?* V: t* V, ]2 [; E" @
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1. 简化3 H/ u3 H4 \1 H: k' j1 Z& v
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
6 V0 g6 _8 p. C9 W2 @ p% V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。
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2 w3 X+ v& j/ ^- G- Z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?
$ X6 N' n: w3 O' p6 q9 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。* n0 u u; M, s# C7 a, C
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 M; Q- O" F0 x4 @图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28% n1 h2 ~* h5 I9 j
这就完全是一个数学问题了。' o3 u& g8 n" o$ M$ ?
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。
$ X9 f. b9 a$ @, q3 u/ k3 N/ M这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
. e6 X# C+ k5 {6 l+ I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。
% C& ?9 Y2 a, C4 J# G" R* v8 Q* @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。
6 q+ K J( X3 d$ r! G0 ~然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
( A+ T, I0 t$ V, k1 q- j2 |' p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。
4 \; Q) u1 U% v2 `2 l6 R. T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。
' h7 G$ O5 k: X# P9 Y2. 设定
" M4 V8 l! x# z" S+ U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。
$ i- \6 d9 k* F- p+ i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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3 C3 z) n. Y- p3 x5 M5 o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。6 P# P, A. f, D! m4 ^* G6 z3 r
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。+ i2 b( M. g& J, b6 i. k
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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# A% M8 _! N ~0 D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。" t: w8 v& ^7 W' s5 k# 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。: @8 {" B& m6 i: z
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。 r* e/ L d; _5 G) t# `8 Z) `! K
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。
/ h$ n1 [# z8 o0 { z3 m m+ a3. 训练
* C/ T( A* ^* O! u: l0 ^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。; I3 \5 _* I( m. C: h& T2 H* }; R( y) O
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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。. ?1 o" |9 w3 w5 h& Z6 q( S) P
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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。2 [4 t# x# a9 Y* Z; S8 }

1 f2 `% t) I$ D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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- V' q; @: L( J7 M0 _0 l$ W7 W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。
$ ]( a2 k& h! u% R: O0 M参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
5 ~0 c1 e1 p0 |( r$ f9 h" y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。
( R* `8 R" D, q# a$ c9 t3 x1 X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。
' X1 F2 G5 ~' [+ B! [0 g( V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。
! p3 N; j1 {8 W( C, Q1 H; T9 w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。
2 h5 z3 Z. T' B. X事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! 2 i" R1 f5 P: T H
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。" Z5 [# \! D5 `3 J) l
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。) C# F% p4 t3 |% `6 e
三、卷积网络如何实现图像识别# K3 J0 M4 ?1 |" i4 F4 V
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。3 h+ ? d9 r1 P- e9 l' l) X
1.“笨办法”和人的办法
4 o, C1 ?" L6 O0 R9 f7 S2 g3 r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。# D8 y! A7 w+ b. P1 N! \5 ^- o/ 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。- M% D; N& e- F+ I+ H! }

6 k; q1 G( x) {% o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。
0 n6 L2 T% t X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。( C& |2 W! a0 w) Z- 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。- y4 ?- t5 q. x/ N' A
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。
" G: a6 y& B* y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( g; K! E$ f9 U4 p% h
这么多训练素材上哪找呢?
3 _2 F; B: F) ?+ s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。$ T: M. G& A6 K9 X( N4 c; V
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。3 w/ M7 m1 v. r0 }3 f
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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2 W: w0 T# h6 A) k& ~- e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”。
6 W# N& G! P, r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。
+ I0 f8 ^6 ]0 d) ^- 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”。
7 ^6 O; P) Y4 L7 D) x0 t8 b+ Y, E我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。9 @0 [% P. ^' j- {) W0 ~3 b
2.竞赛
% h, X6 J; o# t8 r) |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。7 m' j/ ?& `/ g
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。5 L- O2 ~0 F; ?
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8 V/ U6 _* z, d; z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。) R( H q( L3 |* K' M
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。
$ k- o" G5 `6 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。! Q% S( ^8 \% E+ X4 l# y

/ p2 N! U( L& ~: M6 X8 |- H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。/ Q, y7 W7 D% ~$ p
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
8 O9 f8 m& O$ u1 b" X w3 k8 U _3.卷积网络
" |! ~0 i/ a* e" |8 [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。
+ O6 h$ E! V1 W. u, P& U b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。
6 R$ Q R3 ?( R2 ?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” 。3 |* R1 z, b5 Q4 h' e6 ?
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”。
5 [0 i. y# d( M5 j$ |“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。
) R$ C6 h& }* f# m- X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。) [' u& _( m7 g6 o' y
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。* `# o) z6 M- z& u
0 C' l/ B( |+ g; T$ ^图片来自cdn.edureka.co
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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。
& f2 R% b- J2 S0 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。
, V* N4 F/ Q6 S: A1 ?7 J9 g! h/ z! f第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
/ h8 L/ G6 _- N3 l1 b I6 A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。1 t! V; V w0 x! x- d; \, B0 y
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。
& u) ~% g! E+ p. d* H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。+ a6 L9 u9 ~8 ` g

8 f1 i3 T$ l. r) a- z" G) B& a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。0 b3 u f; J8 ~3 C5 j+ I

# r2 Q w' d0 }/ r. \7 J0 M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。9 x2 Y& j- a" R- a7 x, 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。. ]( K* w; u" R( j: w
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。" v; |3 X( ]' r2 J
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。: z' W$ L3 {& u- T$ t0 b/ p) _& [
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。0 r; J: K9 G% 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。6 `( V P; I0 i! L. d; \# V) @3 F
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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$ P }# y) U8 A, I. B5 R图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression# b- M" F( i" [9 f& E
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。7 r$ C# ?& m% V. R i; M
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。
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9 h/ k3 g0 A! s6 g5 F图片来自 Machine Learning Blog
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9 q' a; d: c- M& [" u" P3 a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。
2 w3 _6 c; x# C; 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。. ~2 u7 A! M$ @( \" U! H
6 h/ W0 H8 @0 I/ J+ @3 a
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。9 X2 \5 S1 j M+ Z" f
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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: y8 V7 Z X9 i4 G& 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。+ `; G- l' W/ ]& {
& u9 Z3 F6 U& l# G( @2 M
4.深度学习(不)能干什么6 Z. `: K7 O% P/ u& M
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。3 d, s( S( |3 \$ Q- |7 a
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。
3 [9 u* |+ d! G- g( W; AGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。/ y' S# A9 L8 l: O
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。2 \: O8 t" y: h, r$ I
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。
0 ~7 n2 g4 _4 B; ]深度学习能做一些令人赞叹的事情。( U. @8 T5 E1 c6 h) r: Z
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。1 J) q/ g7 N+ F9 \
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。6 d- ^6 h2 K: |6 z2 z7 K, e
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。/ `! k% ^- `0 W4 h* X6 I
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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8 l; h2 |/ r0 _5 i. D0 {( t, _1 D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。
# e! d5 _, C* k# E" J6 y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。
$ o1 ~8 o3 o! J0 S; O% s0 Y7 q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 |% y7 @- ]4 r- Y! 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。
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0 \, q7 R" q" S g) o * }/ P2 J' d3 ^6 I% z. ^
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嘿,你在看吗?
4 r! m6 f+ _$ z5 z, @" f" U来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
) ^, M0 T3 x! b/ g1 ?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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