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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。8 y8 j3 w5 K! V
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。
6 c& ?% K3 |/ ?" s8 A! l `/ S读书笔记•人工智能6 [ }) C Z( b$ a* M
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
+ \# O/ F+ G9 ~' d, r0 Y9 d阅读前,笔记君邀你思考:
$ Q4 b$ H; k* N K4 k9 i& H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( R' Z, r1 S* j# C: s" C' j4 R
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”。
5 w1 F* j7 z* t. M* x以下,尽请欣赏~( Z$ Q# e" o. P2 W& h5 B* f* P9 i
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 h& F$ I' I* s2016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。
& L( \! U/ @. V) s" 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 y: L5 `" L. t 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。, r/ N4 W# O) e' I: Z

# M. M. @% p9 f) U1 q6 U0 U2019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。
' V6 L) v4 F) D% P Z8 c0 R# @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; Y- T6 i# Q! w& ^
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。
! t- P, X, ~1 g0 }8 f' h一、神经网络与深度学习
. r u6 W& y3 b5 l为什么要了解深度学习?3 H" f1 y8 V! P; B) c: D
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。
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▲ 长按图片保存可分享至朋友圈' }% `; H, t5 z' Z F+ p' L
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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。
7 \" b6 Z$ p' f' l/ @, z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。
( C0 c- } G" E我将重点使用两份参考资料:
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. T1 H6 U3 n4 I" T# S* H5 R% k' n v4 \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)。( T. `7 n1 W; j2 S
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。' l$ z' d3 ]$ R4 \& b% }: ^) @* Y
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。9 |+ t3 O5 P# X$ P8 _
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。
+ X, Y# x) @+ m9 H0 k7 {" B& H9 E* X- x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?, `7 \% d O9 w2 b- P
1.没有规则的学习
( x9 ?, H5 P% }8 P, q( l; W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。
( f( z- v( \$ q; S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。. S# V, J7 ]* J" T4 N( I! c% M+ u
首先来看人是怎么识别猫的。
0 F7 s+ I3 T& x" t# ]8 Z4 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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$ B! N: c! d! M3 l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?4 ? a2 h" }- r* M" u, I
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。
& L3 b# o& H$ l% C- 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。) p! z3 G+ `8 T! i6 v) k. s& J
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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6 R: b" \# n- P9 r6 B7 {图片来自 design.tutsplus.com t: s0 K; p/ ^ T3 h
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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?
' ` [5 Z N0 D 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。8 l5 Y6 x" `, R: ^5 c: 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。( \% z; V3 c" W- \5 ^, V
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?
% ~6 u, W+ X/ y$ E" w2.神经网络
4 x7 ]% E( I/ q% X& ~6 n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。
4 S( z% t3 c6 @" ?+ A6 t. h9 y《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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2 c9 p% _# y6 W K( t& |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。, x$ y7 t9 \2 Q: K3 ~
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。
# k5 ~6 d9 R7 \0 d. F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?
' |; S* n& Z/ n! K a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。$ N, p8 `2 w8 d+ }- s, r$ |
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。# b a s+ J5 n. Z3 W
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。
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那计算机能不能效法大脑呢?
6 I; {, D- c, r; b: o H$ 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。
& S/ w8 v% A- K: c, X第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
8 Y: t \6 ~ E/ ]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。
, d* P6 u! U( o0 m4 p" ?2 K0 @第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。# f$ f# K2 [3 m3 ?
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。
& n! f4 J# r; b: P& a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。
- `# y7 {! 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。
; t4 O# p& P& D8 F这就是神经网络计算要做的事情。
2 T. w- S0 _' v S' D8 e3.什么是“深度学习”) E3 F1 m$ E" A
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 g6 u% t/ ]2 B) G. ?0 H' }( J

/ Q9 W5 K1 y( v图片来自 hackernoon.com
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它从左到右分为三层。
) m1 f; Q) ~' q/ F) ~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。
+ ^" d( o, O! O+ Q; o3 g( o第二层叫“隐藏层”。
4 g; r4 V) Z: q" `第三层是“输出层”。2 V. D3 B/ L2 ?# z5 a) n
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。
: @5 O/ z! ]( O; p从下面这张图,你可以看到它的运行过程。, E% }3 h. `! H3 k% j; \

8 o" q: R# t3 A; H8 B# @图片来自 Analytics India Magazine
1 A$ B. N/ r p) `- i( Q0 i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。
9 ^( N/ x+ o/ b" d“深度”的字面意思就是层次比较“深”。( g+ F1 n! D- O
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。
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图片来自 Towards Data Science 网站
* u) B6 d! p4 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。3 u8 L; B+ g2 h* W, B, ^! B4 z
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。
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* @) V* n2 W3 E+ u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。
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8 Z7 f/ z0 g) l5 G' O5 A1 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。! j2 u& s+ V0 D) w
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 y/ s" n5 x* U6 Z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。, K E3 c# m9 |6 F8 p7 U& x
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。% [4 k) I1 b: \7 t# g
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”。3 r9 n. G& V$ g( S; y, }
这就是神经元的基本原理。$ D: Z# i' b) d! u/ ~- d
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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5 w' U; i5 i5 p: R" a% w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。( u* p, J X3 P( r: M6 i' \& I; z
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。$ C1 w, z! @6 _8 p: _ k
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。# `2 ]/ S: o4 P2 h4 ?/ o, k0 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。
; O/ u: D* a" k$ ?8 v8 s二、计算机如何识别手写数字% b6 I$ p' E) A9 h2 e+ z& A
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。. S% [( C- ]# V, H
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。
" W O7 a* }' {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?
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1. 简化
" I/ h7 d' {6 X5 q4 w+ X- O想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
! j6 l: c, _0 g5 c* z8 c+ e: r: W. s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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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?! _: B5 g3 W: ?( I( r# `/ Y7 c
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。
|1 s: P9 E* G3 y2 [, h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 —— , w3 n# w& Z' u8 R9 A
2 @2 H! Q& G! F/ {; E0 y图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28( O% S- \- B8 L; W1 G, Y
这就完全是一个数学问题了。% |0 _6 x$ K1 y
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。
( e6 |' C5 T: Y: X& j) F5 R. b这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
! r3 D$ o$ g+ a' e" y% 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。6 F( J% c" I5 f3 V4 ?! 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。4 h7 d" z7 m2 V; _% w: z# i
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
: t5 H4 s0 N* E+ _) h& I& m, I, o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。
, c7 k! G# P$ k# 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。& A" J1 b' E; M; h6 S" l
2. 设定0 J4 |6 S, ]9 D# Q( @, i) X
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。8 f2 Y4 D. g* T0 P1 z4 v
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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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。/ ^! |0 ?1 u8 @# z# l& S8 `1 w6 C& G; q3 n
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
* r5 c. s$ @3 W: M: |1 f' |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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H6 k8 J# D: [1 X4 x" p0 k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。* E# w) `+ V' `8 m, k' k, E
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。
+ ^. t2 p/ H+ ^ T8 d7 k2 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。; e7 i) g8 \( Y& \0 O+ w, l& [/ O
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。! n% S/ f1 X: j, W' ~! e
3. 训练
C1 K* [* L$ _2 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。8 p! r6 H( ^1 z/ s

- I" U, T$ f) ]8 f0 C+ q. `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。) y+ H$ S( n' u/ r1 p+ n: n$ O
) W& k( v3 [; U: i- [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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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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$ X) I3 k' C: n* B V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。
* | U* u7 ]& ]( D6 c% U参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。: d! u0 w9 ^2 z6 b, o' |& \% T2 d0 b
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。% T1 i M+ f5 M5 M- 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。8 z3 z" M: Q) ~0 K% T9 x6 e
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。
/ g7 C- [5 w- N S8 u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。: h! [, Y5 L3 _" `* V* B& v6 N
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。
' h1 U2 r* B! i5 F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。
+ e& s: `: w, W& a三、卷积网络如何实现图像识别
. m8 e; [5 S* H& T4 ?8 T; 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。
9 K2 Z1 z: v4 D* D8 o+ V1.“笨办法”和人的办法
* A+ w/ R5 r+ m2 T5 {+ B. h l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 B/ ~ v* H8 x, w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。3 z: q( Y9 h2 G" u% z- N
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。% I" _: [ f, W$ Z# e& W
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。; U1 ^. A% x" q8 @: S
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: ]0 Q4 G7 C% v- i5 w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。4 m. ?3 Q, e; x6 Z" x& @; n3 U
这么多训练素材上哪找呢?
5 Z6 h- R) Y! i& {! I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。
9 D( f) C) _% y1 i3 N; T现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
/ m9 h% W$ ?" Z: G0 }8 |8 W# A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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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 a( ?( U5 d& M* 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。
; Q' k4 {1 m& b; ~2 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”。
( K5 v: |, x) ?$ `' O我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
3 q: h, ]$ Q2 z2 B" e* r2.竞赛
4 c( p: T7 @* e4 t5 H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。" m# [' F, K0 }3 m% l$ R
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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$ d! p* w8 u" O+ n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。2 t, _6 \& ]8 S
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。. M8 X! J0 }+ c( f
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。3 y* n' g, C( y3 D* l P l: {' n
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
7 c( W/ T) v# o! Z. Y2 `3.卷积网络
# G! ^9 K, v: R3 `; G4 t6 e2012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+ ~( S: H3 a0 ^1 d
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。1 W5 {& k7 e& o
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” 。7 z- Z0 W; |( R$ Q; A! Q. T
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 \" i5 Z" \# C4 C+ m2 t“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。7 u4 U2 K L9 _9 t! K1 e& V
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。& i& `8 h% f3 F$ i/ s5 [# O6 ^& U
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。% R- C' r3 \& G! v5 p
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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。. k7 r: K$ L- a% e) Z# _
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。/ z! L- X* {% m+ S: f
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
@# x" M! A6 D7 b$ ^4 }0 w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。
8 o) R; i v7 W7 W* P8 V- KAlexNet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。
- i9 _! `! M$ v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。
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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。
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- b& B) a2 ^' N0 ?! N' N1 ?2 u$ u: e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。
. _) e, \+ {8 s( X. I; {, H+ [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。
) o+ A/ @5 A V# X) K1 f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。
9 H0 Z9 f% ^; I+ K% l/ ~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。
" W; B9 a7 k. x" J' 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。
% y! A: F1 r; R$ ?' U# `/ s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。/ ^0 U( M) u- e0 T1 i
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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2 N8 c3 B3 K% ^$ w! |& s图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression* ]$ P4 u. g# I8 U; T
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。* S5 ]% |6 h7 N+ D3 N" b9 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。
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8 l; \) m( W5 P! h m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。. D# o, y+ K+ V9 m* b
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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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。4 L+ g# T) u+ a( ~/ e! 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!* \# a% R' ?2 @# I: R

4 v2 k& g; M& B3 Z, I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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+ G% ^; e3 |" o4.深度学习(不)能干什么0 U( U1 X" j' L0 E2 l( I. Z
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。' p+ c8 j( U7 _
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( U# |* J' l& w4 uGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
' y0 H# ~' g% e) T& c! ]. h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 f: u+ x& V+ [; c
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。
/ J/ C9 w% Q( J2 [7 u; F* V/ j4 n深度学习能做一些令人赞叹的事情。
. K$ j2 I7 O) |4 u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。2 Y& `* R6 H7 a
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。
; H/ F% f: u; U( J* }: B但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。2 @- ^/ O# a. v' U
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。1 F8 d' P j% R6 T; l3 K
- u3 k) e7 [* ]! ]; N9 u$ V. Q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。
4 F4 s) H5 {0 O+ B _) ?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。$ V) r6 a! ~+ I4 d& d
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?+ b8 p' v7 Y* ~- N( ~* }) g9 C. k
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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9 u2 m. {/ i! Q8 e _/ Y 嘿,你在看吗? . y4 g: Y- Z* x: ?* _6 l. U# \$ W
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
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