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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。
/ X; J- c' o6 y4 {6 x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。
( p# l: c" r! g2 l+ I* c读书笔记•人工智能
7 R& t( D3 y/ m& h本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
. C Z( K2 H- f& F阅读前,笔记君邀你思考:8 j. P, ]4 k# s& f' u! ]% i, Z7 o
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。
1 r% `; ^/ [8 |+ n' m; t" d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”。* L+ F2 a1 K/ w& U
以下,尽请欣赏~+ O! |8 c0 ^& f. I9 a9 B% k9 R
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 p9 E0 U g) f3 r
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。
9 d; U# U* K" W8 M) }8 J 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。
; F# f- k1 W. G: F# _/ y! P5 ~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。
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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。% D% v" b% k/ e1 N7 S" {
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。
/ U3 C9 [, s( }- g' k; f1 O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。& e# n' D* u0 G8 {: D
一、神经网络与深度学习
; r6 b! q4 B. W7 Z9 j0 p3 G为什么要了解深度学习?* J2 e, a8 z; z/ i4 o' }8 L- J
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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$ ?3 M( w4 q; H1 s: i. S▲ 长按图片保存可分享至朋友圈# p5 s: o0 T# @; j# } W
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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 Y. B3 J& _- H4 G% q, s) x, t
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。
# X! }6 W3 t' @) z+ D# A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)。2 |: M, U3 i' |& Z7 I6 ^- V( w: g
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。
# Q! {- r5 V: {0 c) y0 L1 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。* ?8 R1 v; e- A5 a8 E; B: o. D$ 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。. x- W$ J. z1 u+ 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?8 D0 d o" Y7 _; A D Y
1.没有规则的学习/ p% [2 G7 s+ }* V" L- y
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。# q, G. K8 i, b6 O) W0 U
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。
( Z" C4 v* Y' ^" Z% u首先来看人是怎么识别猫的。* I) V! e1 @+ Y
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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! ~, T7 ^3 C) z. w" R# l. j! y1 B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?
. r* J+ A. s" \% _& S/ K/ E( {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。( z* F3 I9 V$ M6 F: }( ~
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。2 K; \8 R+ @6 e6 j$ D% A+ T' k
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?6 ~, Y b% u7 p2 e" o$ ?, Q( ^

, t! I! ^1 c$ B0 w% o; R! O图片来自 design.tutsplus.com+ T4 U& Q# ?+ z" Q$ f
% v' O! J' Y' p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 N$ C4 b9 F2 _& X) a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。& y/ D3 v8 K( [8 Y& ^
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。( g' ^! G4 I: [7 X* x
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?
) Y* V8 S1 S$ d7 J5 d3 s2.神经网络# Q& ^$ q# |) B9 v/ A0 R+ b
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。! s, d! ]/ c% v8 B) P: Q8 T
《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。; D. M+ y& W: k
0 q- y, m( D' O1 I3 u8 Z1989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。
% e. q& {( ^+ T& Q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。
7 k& }! f) \$ Y) Q$ j% W- 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?$ C/ q: |1 q6 t8 z
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。
9 x7 S! t7 A8 n5 p. Y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。
* W7 b( q D: r: 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。
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那计算机能不能效法大脑呢?- w9 R* d. ^# A+ t7 J e' B
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
8 g, H4 i" j; A6 O第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
! T9 O/ G9 u% u U1 C6 P8 ^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。* ]3 k7 v1 _2 B. A: ~
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
3 h" P' q9 B Q! j' q7 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。
. J' C: e4 y }( f, Q0 b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。
1 [8 S: i' [' s" A1 s* P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。
2 b1 Q* g) K6 R6 h* Z这就是神经网络计算要做的事情。( @# M% U, Z7 N8 \6 P; l
3.什么是“深度学习”6 B+ ]: B6 k; V4 |7 f
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
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$ B, w4 r4 F& E图片来自 hackernoon.com
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它从左到右分为三层。
5 T. x5 @8 R+ A: A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。) w+ J$ `9 H9 Z' b, W
第二层叫“隐藏层”。' j. A! p, U5 s, k! ^
第三层是“输出层”。5 ]% r1 }0 C. h& ]6 v, W0 y
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。
/ D0 _ C' p8 t+ ?从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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# b) e1 U3 T3 i& D& ?$ ` ^! C3 Y图片来自 Analytics India Magazine
0 l$ Q9 H& E d) o4 A9 H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。
7 L! @, w5 M" S6 Y. N/ n“深度”的字面意思就是层次比较“深”。5 n5 X7 }; E! I1 j; Q
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" z% o3 P$ { C) 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。
+ d# ?) I6 p% t) d+ h' v& T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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e5 f& g" e/ x1 a% |: p6 K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。 k) i& s9 `- ]$ s: C! V
W' q) q5 X5 a; c+ [2 h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。
5 E- {+ n2 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 O+ S3 m1 }; r. V/ 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。+ H" f8 W7 A; X: J( N* G* l- R
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。; K6 T& y1 ^- c$ ]" 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”。+ O* b( h# T0 m/ i/ M( y
这就是神经元的基本原理。
" h3 G* m; C' P$ W. K) y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。 6 ?0 `, O' y- [1 D8 \7 ^2 U$ e5 x
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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。" d0 j1 v/ T# B8 d2 k/ `* W& G
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。6 D, b3 R1 q7 c1 [
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。
$ V; j( ]0 T/ }- 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。, ?2 @ E' B2 ~, b& \0 y
二、计算机如何识别手写数字
g: n4 L: i$ s; Q Q: 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。# {2 b6 y F# H5 Y' ^; W
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。4 z" W) N6 p7 J" R* ~9 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?% x9 g/ a. h, L0 q

* n& i- M$ l+ {: E/ M+ E& ^* m6 [1. 简化& y" B) N) {( A* c
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
# w/ ?) _- ?0 _6 N# E$ u! U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?6 a+ |5 L1 ]+ @( }) g
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。
& j4 o3 E/ B( Z) p5 e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 —— 2 q4 A4 z& a+ c+ C. \% I/ ^& u
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×289 v a E" v0 [& ]& Y+ \
这就完全是一个数学问题了。$ z6 g# P' {' t0 K
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。: U# ]; V8 J6 g2 |) ?. z
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
9 p2 v( v& X E( C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。/ {7 @8 D! m! y8 B, y( } _2 w! V
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。$ n% V7 d! Y$ d- e0 v
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
- b/ ]! @8 g; Y1 f6 C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。
/ q$ f& E6 d. y6 k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。
1 J) p1 \0 y: m, ^2. 设定
$ X- F. Q) ^4 m' s' g7 ]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。
# Y1 ?& N2 F4 ~/ Y# 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。
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8 F/ Z/ ^: @" \: j4 h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。; t" j$ ]9 ?# S9 E
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。% `. }- v( m) C7 Z" A
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。% z5 o* E0 K, b! p! G( u
9 `7 ~1 y) ^) M% @) o7 n# F$ Z2 z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。% w& S- ^* R r, x @" a4 M# k
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。
- ~ F5 o) p. D3 j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。
' W7 _* l1 n* _3 @4 \( c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。1 `* o6 G. G! r" h4 W
3. 训练
, s+ k5 X+ t( p4 J+ C( E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 D; n% D% k' a* d+ y' \/ R0 e. F* B
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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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0 G6 g: W( N2 h+ T4 Z5 y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; W5 u3 h; Z/ J7 ^: k, `7 b

8 R" l# B2 y+ k# _4 O! 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。" z5 g" d2 a8 Q
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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。1 g6 @; f+ e. Y5 b3 T- n# Z3 j; |
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
: S/ n1 w: O4 \3 t0 q9 d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。
0 Q1 M% u* I* _" P* G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。' y. o* i( Y; ` F9 I( G
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。: v/ J: u! M: {' E3 O% @0 I) u$ 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。$ s% M- @8 W( W6 j. k4 C t9 B e
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! ( K9 p- F' N6 g* H) u
- z+ h0 b& w* K& w4 Z在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
$ C9 i$ j: |8 H- n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。
8 G7 G5 n' \% p6 D1 |9 l% S; F三、卷积网络如何实现图像识别0 \) F9 P; Y) b
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 w6 R4 x" `* X& H6 i) p% e: \1.“笨办法”和人的办法
: Q6 v. u- }/ C. e! ^1 _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。: w) x+ Z4 [- \; O
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。( N% r; N3 V& N, o# |
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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。
+ D6 L2 o) Z2 {2 U) b4 A0 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。/ G8 Q. s3 L7 P
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。1 B6 H8 V! z, g: ?" p
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。6 K! t) F3 \! J# Z9 i
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。
. W/ ]) }4 a* x" o! z这么多训练素材上哪找呢?" A& N [2 j$ k7 N4 l
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。4 P* Y# S9 n* ~" Z4 o! \' F# A2 d
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。/ M8 j6 r" T. n1 z
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”。
& w' v+ v; A& t! I6 w. [* U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。
6 M4 }/ e, j5 N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”。
( ]1 z) R- V3 |- a% V我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。' V/ X8 F6 f3 S. N& Q1 c
2.竞赛( C, `. {/ X1 g( s
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。+ t- A( e# O+ B/ X* S
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。7 Z9 v* N4 p" U# B
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 \* N0 u6 T( c8 L' z* 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。$ F3 Q6 M* Y3 m3 C2 f

! T6 b) }$ w/ G& m! B) r# z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。6 d' V8 T' Z" u" E: o) M
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。 p9 k+ r3 L+ D, T/ z
3.卷积网络
3 m2 J9 h( t& J0 R4 Z2012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。! r F, d) @4 p2 m. i+ j+ U
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。 w& [, I+ O5 b" r
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” 。4 Z& I) R4 [% h8 ~2 Q+ t0 @% A& 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”。4 j" q4 h) x3 G; D* D$ i
“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) L4 v' G9 X% B/ V; z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。
: D: n- s7 [. e( ]5 B6 a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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图片来自cdn.edureka.co9 z; `- `1 }3 G; ]$ q/ |# @" j
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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。7 z9 k- ~. ]. c2 R" B; {6 p
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。" m6 _2 n+ D, f
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。" s- W7 `" S) _3 ~. p% E
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。
' ]! w) D* @( e8 W/ z2 `! TAlexNet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。
% O* Y2 [& d: j: e& V$ R; 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。
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) y M7 Q8 x6 s9 A5 V3 i* b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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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。! d! ~/ m' [+ f' P' c6 A7 T" [
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。
7 h* W: e2 E" ]8 i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。
i3 n' Z" b* K4 w8 k9 U1 c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。* c7 J) O, ~1 f2 d7 _
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。
, L. [, A+ w9 V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。2 w% M* T" V& n' 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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. V* M/ K9 b& C3 C! A: c" ^图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression: p8 V9 ?6 F: ^
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。
! \, {9 T% u6 ~& t$ P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。3 ^/ S" ?% m& T% k

0 j' p" B# n% u* F+ Z' h) h图片来自 Machine Learning Blog: P7 x) ^- y, P6 V8 c! Z( l/ B! @
2 |, c; i2 n l8 b1 X
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。5 D# R, r- }; c( C4 j2 h
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。* \9 c0 A* o$ c, `. Z

- u2 `9 R+ A. J w: `$ uAlexNet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。
3 W9 N6 R6 w4 [6 ]6 D) v. A( t2 P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!
/ S7 |; s% {1 R' b) v- j2 N& C / M+ S# Z' [" p# ~ o# E3 f6 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。) P: f$ c2 R, N% W* U
) c2 l% u, `9 M: Y! Y! l8 l4.深度学习(不)能干什么# `! f2 C! N0 R8 n
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。
# R9 ~# c% p5 U- ~: Q9 j6 a' z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。8 Q! e ~8 N5 z
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
) z7 {, Z0 e3 x' g8 Z: U0 `. ^, _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。% M3 @% M9 Q1 S3 a2 w$ M( c l
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。" q' ]' Z! ~7 u6 P
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
% L0 C; V' a- [- e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。! K+ D' U' M% [, g3 e# n
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。$ K# L! X% M$ }: R5 S5 F& N
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。, R- V* C8 r6 D3 q
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。" `$ |# [7 g0 `6 I
) b F# M( z" k- g# v; ]
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。) X' T, M7 e2 l! t4 r- ^: {0 W% o
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。# P8 d' [* a- G2 `. @6 e" m6 v6 V- l
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?) j+ P/ V& p- b
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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$ w( f4 u* G% x) l- q) { 嘿,你在看吗? ' b9 ?0 i1 O. O D8 [/ P, R& n0 c) c
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw6 G+ K. z& c* X& _& Y1 k: k
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