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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。
# g n6 J; e2 S1 k) b- t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。
* N9 A% k9 Z% C) o- H' f- K读书笔记•人工智能/ N: ~8 o* h/ |) @, C. m
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
$ N( H5 }& O1 y) `/ _; U' K阅读前,笔记君邀你思考:
% A& o/ a j3 D+ x, 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 V4 b* j3 r) t- E% c
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”。
/ m3 T1 D0 ?- \% f+ X以下,尽请欣赏~. o' c- ?$ a- n7 H
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。- Y; z+ W3 [) ^" v
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。/ f* G' o4 n9 h4 ~( \& i2 f+ l
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。
) N1 `9 V7 Q9 @$ Y9 J; f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。+ x/ t: q; f, u) L7 r0 b
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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。$ k4 p& a G" ~! j8 x% i1 s9 Z
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。
, C; F+ }- U' X# l/ |% m) J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。$ m( [+ l$ _ V n7 J( M/ ]8 S( L
一、神经网络与深度学习" e# Q3 r( X# s! ?
为什么要了解深度学习?
w" g, x7 ]% I, 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。* ~, ^; e4 m; y0 [$ a
( x/ V( n6 R! f# I( {9 m X; j▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
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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。
* b7 T1 [4 k! 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。
" H1 T( U7 Z6 X9 _/ [我将重点使用两份参考资料:
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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)。
! P5 }* t+ S* H' ?% t6 f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。
6 u- O& H! w1 P$ ~1 E: S. ]# ]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。
6 f) K) U6 y5 I* S" d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。7 r1 }+ X" k7 z- q, g& p
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?
+ z, L0 ~6 F7 \$ J3 x0 a1.没有规则的学习- l& ~' t# ?3 \ {' S6 C
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。
: ~/ B+ ^: T4 h) E; y# 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。
: _& X: v X, f1 T* i0 a( j首先来看人是怎么识别猫的。
$ M0 V) t6 e6 L观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、$ }1 t# `1 ?1 |4 v
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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?
; e6 ~* k6 t, w: a- C2 g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。; r8 ]: @. d; K5 V
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。& u9 F8 C. {! _2 z8 e
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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: ~ K- N1 O6 ?1 h/ O图片来自 design.tutsplus.com
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' H( Z! F1 e5 N: j. Y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?# ?0 r7 W- M* j9 k2 x
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。' w3 q; |+ j( d, n6 G# F3 A
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。
; Q4 N2 Y1 M: F e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?
4 t+ _. S, j4 \8 K; ^7 _2.神经网络7 t' {7 `' T h+ \
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。
* Q9 x# v E$ C' ~% @2 r, `! 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。- v8 W5 y x5 R1 P# C. P: t' @0 |
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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。
* n. ^% D) F7 h( y! s) Z( 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。
4 ]8 ^: `+ ]4 j2 c; y* v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? y& E/ A1 c6 k! b
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。
y2 S G* V& Z4 D. | 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。/ k5 s) W/ `' m8 L& P: a
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 |" ?: M- ~' R) _" w5 I/ ~+ X
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那计算机能不能效法大脑呢? r! g' Z4 v& |3 s7 _ w9 D
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
" k5 u8 H. P3 g( Y n3 {第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。% @( h, N/ `1 H( `3 J; ?$ A5 W# J
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。- S" z+ u: M6 g# A, k) z
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
) ~) B. Z! b- f# @: E8 y" _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。
) b/ }# w- l6 V$ U1 N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。
, I3 C8 g6 d; q/ `& y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。
. O1 h) q# g, T. i- u这就是神经网络计算要做的事情。7 y$ Q0 L, t4 B/ T
3.什么是“深度学习”! T! e+ ?2 a U+ f' p
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
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图片来自 hackernoon.com- f( a9 J9 W) b) R
, `4 @8 a3 J! E4 P0 l它从左到右分为三层。* E4 c! b {* W3 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。! @4 \ Z+ e) H3 O
第二层叫“隐藏层”。
) C+ i" I/ C8 E4 p5 r第三层是“输出层”。
; e4 Z& M4 V' s4 _6 w/ j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。. B& b8 W* K6 x' ~) c
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。3 ?2 p j1 d: H9 Z7 W. x

- p/ o& E& O" {图片来自 Analytics India Magazine/ |# x9 u; o+ j& K% e. u6 N
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。/ h2 \8 s0 {9 e$ D% P6 `
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。" @6 B* I$ n7 m8 l2 p- z# O0 e$ y& A/ ~
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 [1 ?9 i9 X5 |% Y7 r
! Q' j6 X0 Y- x( L/ e1 C图片来自 Towards Data Science 网站5 s, x6 v% p! m6 M' W4 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。
8 h# H) k# B K/ }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。9 w1 N j& E/ E8 R* `

" q3 W- Z* y+ U/ b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。 9 N9 I7 j1 k9 B2 j
5 j5 v+ n- I$ l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。
/ z( p+ p3 O. ]3 n6 \# @& ~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。6 {2 z' c7 {! N8 ?* f
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。
4 i$ ^4 |5 n4 ]% j @' E所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。5 d y& i( C% }3 o
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”。/ V ^1 N. u# f# U- F. n9 G$ p
这就是神经元的基本原理。# k/ H# a+ f* z- ]9 C; W
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。 - [& e( Z! K6 f
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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 z8 v, o ?% P' t
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
( Z6 @& R0 C2 ~6 G5 q& ?2 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。
% M7 y5 P$ i- {& J7 i. w @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% ^9 |2 u7 M1 x8 Z/ L2 J8 E二、计算机如何识别手写数字 ?/ @* J0 ?5 ^" G( D5 Q
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。: `5 f' j- j5 V" G
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。* q2 Z5 ~* l/ ?7 X" u2 G
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 H8 w% i7 n7 _

4 W! [5 ]) D p: C1. 简化
% ?* B) j8 B9 f0 h+ a想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。: X( W- w! \1 K7 E1 E. q+ T* L
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。% X& h5 |9 N% y8 t/ d9 n2 p, m; l
) p0 A1 w- J: Y, I" Z: X% C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?
~* P& _, [) }+ 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。
; g7 J* T6 }" k- z3 j2 H% g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 —— . i) c( R0 e; W- x3 m4 P
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
$ H |: e8 Q. F0 T# U2 h这就完全是一个数学问题了。9 a$ {$ d6 b: C c- j8 C: J: s
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。
: m7 H. I* s, [* R# ~这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。9 ~ X+ o3 L) [% m& Q
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。
% n! [( ?/ M! ~( \5 V- L5 E' v* L n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。( i" ~6 }; [9 C- X
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
1 l5 l- g0 J; U2 X# w; k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。8 J' @) g+ y; O! J% `8 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。" z: O4 U# E- h% Y
2. 设定
( |- W. L/ A+ T i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。 L( J( E0 |5 \; e
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。) x8 g4 G9 B( L8 I$ h) s

+ J5 P+ X1 q2 N3 ?3 X# Y* a' i' ^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。8 [' ~9 S% Y8 y4 y
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。 D) b5 @! M) ^% O
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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3 N- S2 z1 A1 N. [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。
, m" y# A! W0 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。
$ V; J1 H8 r8 h; `9 B1 f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。
$ ?" G9 O# b9 ~) w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。
5 `3 q3 L6 y I3. 训练
) @1 H7 k+ q. |# W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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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。
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' w# g4 f* R, _9 {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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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。
% k3 w4 q2 g1 z: e. C参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
- F9 q1 f: s) w' x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。
6 a Z; W4 ]+ z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。
0 T% r! c- @; y5 y0 X3 H* 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。
T* e: j+ d- o) a) ~: A) _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 O! u3 m9 q( k2 v# h5 w
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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' {' w+ r5 Z8 f' R b3 p% O+ I. B& \在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
* G+ \+ y9 B- J P5 [7 B5 c% o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。- t8 s# [6 S1 ]! ^7 r9 n4 e
三、卷积网络如何实现图像识别
+ ]1 x$ x6 M4 q. a) f! 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。
4 k* @- s' a- d1.“笨办法”和人的办法! e+ r- n6 A Z! K/ U
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。
' }2 a) a+ s( `9 x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。: u( \; n& ^+ R
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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 H0 J) O/ e/ Q( g& I6 n9 q- L
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。' k( Z! @% I- U9 x/ x9 C
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。
* O# v- B; T9 t, I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。" I/ ~" y }/ A6 a1 t# f, M, ]$ K- M3 E
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。
. T" P) f& E5 ^# V( N这么多训练素材上哪找呢?$ {3 e$ v- ]/ D5 f6 g# N
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。
3 F* A4 k; @+ M3 s% M现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
9 X4 x0 l; ^; U1 @" t3 w, r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。8 g q M* Q8 G- W0 v2 O

) L: h' L7 x' @% ]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”。. @; S& x% W. r. K
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。
4 ]5 ]" B; L( {# G! O7 }7 L: |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”。! r: h: W! Z" o& G/ u& ?, m! u% p
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
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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。! W) u( ?6 p8 W
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。
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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。- t6 F$ I7 o1 Y0 S2 r
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。
5 R) |* }; C0 f9 X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。5 {; T# j7 Z0 z/ q
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
. m* k% T; V" M; z9 d- f% }3 E. c3.卷积网络
" Q* g; N( ^' S8 B A% G- S2012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。
1 B2 T9 T- G$ t9 O& O! r" p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。
2 m, ?+ @& M% p5 g% T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” 。, r+ k; q5 Z ~: M* y& u
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”。- `* n1 |" B6 m8 l1 b; ]& w
“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。0 J8 o! s" m, _ S) r8 G9 b: _
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 c' z; Z$ G) V# {% a Y6 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。
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1 C' D/ W1 c# R5 o. T' K' Q! g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。6 n- ?' ^- K' j; }
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。2 l& z' g2 c, i# j2 ?5 X
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
) @# K9 } a- ?' W4 q# u6 ^7 H( L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。
6 U% _& m2 B7 V5 ]' PAlexNet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。: D* f" j1 Y) e0 x# t
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。) H( d: J; G2 C/ m* Z0 W
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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。4 l9 l. l( K: c& v5 i

2 z3 w: s+ Q/ G+ s) g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。6 Q8 v3 M! {$ H1 O
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。
% h8 n! P% I' D2 ~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。% X/ Q/ d7 o" M- F+ b8 V6 a
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。" t; I+ ?" Y8 ^/ z
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。. ~- S7 W; Y' u c- X
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。
1 j$ s7 _+ k( W) {# Q) b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)。! S+ o" \0 p5 j
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
; J4 J! [; W, @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。
6 d0 |( Z+ y. m: {9 q; ^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。/ b' `: U" ^$ H3 |' @
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图片来自 Machine Learning Blog
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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。+ C+ L$ t: s- M1 J
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。& i1 }! A% F3 [% l
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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。+ O8 O. e7 t3 C' m7 }5 U
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!' J/ d$ I; P8 n; a3 G
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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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" c4 d4 j' h$ y% ] K, u4.深度学习(不)能干什么
" G* m% [# A0 y1 R: Q- cAlexNet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。+ s* g \) }% a; J! c+ ^
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。9 `4 ~* s t% z$ w; B J; ]
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
# D E3 p5 }: g' A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。( P+ ~9 h% F. s* l+ U
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。
* d( H6 g. K7 O3 r深度学习能做一些令人赞叹的事情。
7 s- d; }$ U7 a0 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。
! f, A# d9 ?7 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。* i: E4 |# _. t( T2 e
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
- z3 v" O4 D3 X5 Y$ k6 p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 z0 h# V8 B; |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。
3 F( m2 \; i1 Q- R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。
) b0 T) A! I+ c: e% z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?
# \! E4 }( |* ?- m( @6 o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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. h' B& J0 G2 ]4 o3 c 嘿,你在看吗? 8 w l1 X- T+ X$ |: A& I, d
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
/ D" @* q& T" v* ^6 I3 p# t, l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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