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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。
* z) g! j* i6 O# M; s+ F( c7 q1 ?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。2 ~4 t& M; b; g& Y
读书笔记•人工智能
9 O1 b. e3 Q$ g! v: J本文优质度:★★★+口感:拿铁% _" ^3 _, ~. }0 M: r+ o
阅读前,笔记君邀你思考:
% H; k  M( H/ p8 m2 p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。  h- T% k. n1 ?
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”。
6 a5 H' F5 }: D8 I) N( j  Q4 o1 X- a- S以下,尽请欣赏~" P6 [2 c; G2 k
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。0 r" r5 L" R+ G2 I+ H: K
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。
% e: i6 |6 e  v( D( `" V- m2016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。) n6 L. o# D% P* H" V  m
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。
* H7 e, O8 |# W) {7 z& I' h1 Q' r2 ~# Q4 B  T
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。8 Q  b' V/ V! }* u, u, |
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。' E+ m, P% D$ G
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。, U. e; ^$ L: U2 i
一、神经网络与深度学习4 Q8 H) z6 p- h$ ?( y4 T5 d" q7 \
为什么要了解深度学习?2 Z. F6 W: V' Y  {6 a3 X0 L4 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。' Q! |3 u4 |! v; m" [1 j5 v, C' X
0 A% Y, g3 R$ y( l! s' u
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
. T: F( w' z8 O/ j7 J4 T4 q" q8 ]! K4 z3 s: D
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。+ O# n- o% K0 ~" p1 x0 n
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。5 T, b8 F8 ^" B- |( u. H2 U% L1 |$ U
我将重点使用两份参考资料:
  b( }! a, o5 t  {- W% ?0 b+ x8 [7 A. C' I) M* q
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)。# o# H2 r+ c3 e. ?
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。5 `1 z* I! X" c2 h9 k5 ]7 e. d/ _
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。, `2 b* R$ d0 q, g% _& x) i% `  F
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* l. C- T- C  F" E( a( I9 Q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 ]" C1 o) m. t1.没有规则的学习
( H4 I5 D2 ?, s$ @  l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。0 i' e% y7 P/ F0 H/ k; \
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。
( V8 W1 H/ o- [9 \8 }; F. g+ L首先来看人是怎么识别猫的。1 M2 p- C# M  s4 K
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、5 A* }2 @* y2 _7 E

/ r. Z9 `8 n2 n7 k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?
9 y1 n1 t% Z) \9 d( m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。2 ]% o5 ]! l/ r# @* a
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。- h7 J$ _' K9 m& l/ z! C& R
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
6 S+ ~; E2 H* a5 y. d/ P5 W: d/ n$ C
图片来自 design.tutsplus.com
3 E) `5 ]4 a* B% k( o* f' o$ d' a* v: s* x( @& ?5 {
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?
" T  g5 I6 A' N! ^' P6 t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。
6 I$ B( w  _; ~; d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。, X1 J9 U" ?- v* Y" q! e! \: t/ v& N- ^
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?
' r. @" {6 G7 ~6 ^% R1 l1 ]7 t9 L8 v2.神经网络
3 Y8 u+ p  L1 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。( _- c4 N; c* o9 ~( }
《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。+ j2 x, R' a! R6 f% z

, `% f: t* 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。9 ^) ]  J9 N( |* T; }
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。3 v  D3 b+ Z/ ~2 n0 J  d
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?+ G! l' m: w1 t% e
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。
7 a3 y$ `0 c3 b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。
6 L; c) ]- N5 G$ x9 d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。4 R# E% _: {5 ^
( |7 }% l* q2 T. d9 `) q" L$ H2 N
那计算机能不能效法大脑呢?8 K4 B' W8 \9 U6 w3 z/ v6 s
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
# `# G$ X8 l0 l& Y4 E. s* b# i# [第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
0 G( @4 k% s& ~/ q% J3 u4 @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。
! U, Z% U( u3 m$ o' \第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
- k+ \4 J% N6 w+ L6 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。
. x- I- X) L, i/ I. |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。
/ J, o, U6 ~9 E# c+ t' u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。. u5 S5 l% n" ^0 y  s2 u3 M" o
这就是神经网络计算要做的事情。
, x: U6 e8 O6 @, l5 L7 r! }3.什么是“深度学习”
% Z1 Z  B' H2 H# \9 w6 W下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
. X; Z' ]/ [+ d! T( J$ y
5 U1 a  v% W( P6 X! X; J  @8 k/ y& P图片来自 hackernoon.com
& Y3 O1 k/ |6 s, y0 M& y- ^
0 U+ }$ A0 U5 Y) p% w' {1 R# R它从左到右分为三层。+ _7 ~' T2 H  K, J& F/ F: d
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。
# ^' I2 `! O6 l$ _9 f第二层叫“隐藏层”。
5 [0 b8 k8 k1 s第三层是“输出层”。! f) W6 L' u  \# p* C! j) i
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。
# L: Z" ^: F* K. s从下面这张图,你可以看到它的运行过程。, G! u: \2 v: e) j/ N/ R+ C1 @

( p  K2 W6 V& s' a" v, l图片来自 Analytics India Magazine- d. k* t& `) d4 X& {
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。1 Z4 }8 s9 Y7 U9 E) S
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
* G- m; c& T+ Z+ {2 M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。
4 _5 l/ ^. v; k. Y: H) H1 F3 T- f3 Q8 n# Y1 [0 R' _& s( g
图片来自 Towards Data Science 网站
) y, Q- F5 B2 T0 o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。
5 [4 T1 _% E+ c5 `# d5 }& X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。
. s, ], |4 K1 @$ N* a8 i* Z
9 H: }+ j& t/ Q- c3 O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。 + Y. |- Z; G  p6 K  ~
/ t% E3 y( k  R
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。- i0 K2 h( p% ?/ R6 u8 z2 \
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 x' e# P7 S  P- U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 `% D+ H7 \+ u( O
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。# X/ H5 i. o. O6 T5 R$ g! H6 s
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”。& _& z) V9 o5 Y3 y" S/ n
这就是神经元的基本原理。7 r# h0 O! k3 Y5 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。 ) h6 c7 [3 q7 C6 B

' n9 N9 I- S; h& m# E: n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。5 I1 {* I. F1 u# D& M3 b
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。7 R1 z! _% r! {1 N
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。6 A0 Q6 J/ U! 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。, C; c/ B$ G- {7 D8 r2 Y: }
二、计算机如何识别手写数字* Y7 [8 M. S& A  s6 D8 S. p1 c" n* j
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。
' z# X) ?+ [2 s0 A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 ?+ _5 I, h( E. 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?4 F# g$ b1 H( m6 w

( @, T. J: G; ]0 j1 G/ d! _9 q* b1. 简化- R2 n+ B2 P0 Q2 N! e( w: M$ Q
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
1 `" O0 b9 W- N; D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。
; u7 u" u! k2 P3 {0 Y
  q- v1 J7 j+ e  {# l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 P; }. S! u2 W$ f+ Y6 g8 `- ?; Z
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。: z3 J# q$ Z  |5 o! l! j5 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 ——
% M. @7 R/ U6 H; j" x5 a6 F7 P( ]2 k4 V6 {. h% h
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
0 O& V- Y: j' K& r1 V这就完全是一个数学问题了。; i% Z, q3 ~7 s" `2 B6 x% 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。3 N7 f+ ^6 e: G
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。4 ~2 c; k2 j9 [* N) d7 t- B
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。
3 r( n7 {- W+ H: _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。
1 B& h4 m! i& I: e" C然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
2 ^: a& k9 V  S" F8 c+ }# g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。
" L' }) ?( X0 R- m5 w$ 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。0 Q, q+ y, K& p0 r0 Y" g% ~
2. 设定$ _0 P3 G% w1 ?6 V  M, 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。
+ T* f! M" B' I# W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。
. L# U5 k! ~( c  D' s& P4 o
% ~% ]) f% W# W& J' \) \' ~4 m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 B2 h' D2 K! S* B# a第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
) o: u1 s3 a, e, [第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
" ^! T9 m' J0 ^' Q! C! t6 n, k- V& R# o
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。
) `/ L( k: ~& H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。
9 `& ^; a! F4 L1 L+ G( E8 t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。
! U4 L& Y; J+ d/ s  u! }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 T! K, u" Z" X  n0 o' n3. 训练' [2 f8 k8 i: P* t
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。  S" s$ v- Z4 J# }4 f! `. k5 r
6 S9 C2 V7 P) D
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。" `+ S0 {4 f5 Q4 o7 K3 v6 K% h
: z' s8 i/ \0 W  Z' w
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。- Z' S$ c5 S# @2 I$ M

4 _: p% c# ]4 m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。  g5 j) L) m- }& K9 S& }
: H) b" z) u+ i4 E' d# t& |  n
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 t3 p2 g7 Y, L& I
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
8 J2 t& E$ y6 e7 G6 V9 L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。4 T  F- k+ I1 h. R) m
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。- K$ T0 {1 E  {* w% C
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。. j& z& W" U" E+ @4 `5 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。
& Z! P. `/ L( j1 e/ s事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
+ l- U( M3 _/ I- H. V4 b: I$ G, S4 v3 g8 \
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。+ _( G, y$ l9 W! H
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。$ _& C5 i  j8 x- S
三、卷积网络如何实现图像识别
( l0 B7 |& _+ M' M. L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。
/ Q! O4 V7 n4 q- N) n8 S: ?% }1.“笨办法”和人的办法
: ^5 z! R6 n1 s+ 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。, ]) u% a* {8 [6 n, S3 J
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。
/ Q' ]& I5 k4 S' d5 D
- o" |  [  r( l9 P: `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。
% z7 V1 ~. h% U! [8 l5 B/ {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。& b; i" M" T3 l
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。, V, X2 k( k4 c/ n3 c3 D5 r/ O
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。* W" e9 S7 e& P1 W* 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。
: w1 r) C2 h- Q& g这么多训练素材上哪找呢?
; B& C; x3 l0 N6 K* C# y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$ V: U+ M, A1 M, W' R* _现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
4 K% n1 {2 A# k- r( o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 t3 P) U0 }; ^5 e$ m

& S8 p0 l2 B8 ~$ N; W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”。/ d3 u, L# W- X& q0 ~0 ?% n
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。. k. d" L# r, Z+ B) z3 A% }# D
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”。
5 r* O" Y) a5 b- N, d3 `我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。9 o, [% i$ s6 e1 ?
2.竞赛
. a: e9 ~0 x& u" l9 k# n, m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。
2 W* D7 ?( V: M1 s7 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。9 |6 v8 o4 ]: a. ?

5 m- G# o6 F: n  F
' [, X9 C; `! {7 `$ i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。
' f6 M8 B) v' _( 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。
; x+ d& V( f: x7 f& M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。' Y( l0 ~) o4 C# K7 S% u/ w$ P
3 ~0 I* R3 _- E: s3 L
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。
- e+ y( E- d. J/ O; a$ w那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。9 B: u$ h; p$ h
3.卷积网络
+ P: C7 q( h& `4 X0 N5 Y2012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。
5 E% V( r) n1 s4 K8 @' C6 k4 ]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。* j) ~8 e7 o; |# B' U
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” 。: K! P1 v2 R/ D8 P2 F
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”。" U4 b, F4 a) ]; ]1 }: L  x5 p
“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。
: \& E- M9 q. W( E4 w1 h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。2 W" k6 E4 {& I
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。, G) R# u- A. K7 n
6 `- ^$ a4 Q' M+ u! ^
图片来自cdn.edureka.co, c: [0 h1 [  C" A# c* d
  r& G7 H( g# H$ w% y, R) k* ~
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
0 Q7 n! m, B0 N9 @; j' b& v+ L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。9 f, e! b  f! i2 E
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。1 C, n7 q. h/ I) ^1 j1 L4 J# x& h
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。
3 v) S3 [! K2 Y% a' Z5 dAlexNet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。7 h, I2 A. `) B. B5 W$ S
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。8 f6 ]6 a4 `& J( [% q# \) L
3 n% _$ H, j; I! D; }+ ~+ p
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。+ [& M2 T( f! N! C: s
0 Q6 n5 E9 {6 \) Y- }* a1 P* X
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 d- E1 ^6 u5 y% A7 ^( A+ ?+ ?
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。
) V/ W, {  Z: V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。5 e) {7 A6 Y1 I4 P- R$ J" E5 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。
* F, I9 G& Y& o$ R- x* _- u( i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 a; P# P" C6 [5 g6 e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。
$ e% L1 [0 O2 y% k- \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)。
2 F/ K5 W5 K" c  @& a4 H: x7 }) f+ a# M2 Q# ]$ H. D
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression2 X+ S. a- S! K$ 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。4 y+ A8 f8 q" P) g
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。# M$ f- z5 C5 {0 m( c$ k, W  R7 B; |* {

% K, L0 }+ y% K# f, H- c图片来自 Machine Learning Blog
" C9 d9 m" [6 b% j+ d( r5 S
9 ?1 M* D# X$ b/ R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。# w6 B. s- a) R' k+ `
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。
! ]7 H: \, Q/ R' z$ ]; }3 q, s3 d" k0 \" N; C
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。
/ C( T$ V! c2 G/ N1 c' X1 _1 z, V2 T! y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!  D2 L# ~" ^  C' n0 o9 i7 ]2 Q

! z& W, }, V0 V' D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。
& d) C" l# s1 T0 ~8 B" k& J! @0 v' ]- F9 D# g
4.深度学习(不)能干什么) ?7 I( M% m# Y) ~  o
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。. i  D+ c1 R% W" x$ |& Q1 S1 h
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。) g. a8 @  ]( h& w& E6 z! J$ x
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
9 q, N; S# p& M  A/ L, 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。1 Z) x# v; Z5 X% G7 P) z7 `
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。+ y: K0 T, v6 p! h+ Y
深度学习能做一些令人赞叹的事情。7 Q- G& e. C0 f! W$ H6 l; @
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。
' G& d8 T. K2 P7 v5 ?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。! ~0 [5 S. {4 s/ Q6 i/ Z
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。% C# }7 b8 k# @; u$ L& L
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。; X+ T" I$ S% M8 R9 m; G4 P8 k4 z

1 o5 F/ i: z8 A2 p6 ~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。' h7 L" j; l5 n( `% Y  s, P  ~
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。* X9 m; J9 a0 |1 e" X( h8 q6 v- J
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?
. B1 s. D! g7 |0 p2 A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。+ J  g* b7 u% O( p3 \
. V$ W5 l- M6 `, b
" f8 b; R8 W4 C4 }- {
. X! @; P7 U6 c: G% s4 G- K2 T
嘿,你在看吗?
2 ]% v% ]5 Q; L( j来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw8 K/ t$ ~, M/ j* R# G6 I3 h
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