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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。- H% Z0 a* _% q# I
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。7 b2 l! T2 O9 A
读书笔记•人工智能
7 v7 H0 b5 n: ~7 ]4 t6 v本文优质度:★★★★★+口感:拿铁1 t. H5 W) Q; C0 v6 } z8 O
阅读前,笔记君邀你思考:2 r8 F7 L& }2 B! {" B( ?) [
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。* L( b& v! C8 f1 r) f( J8 N
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”。8 u+ u8 q A/ d; [# S G/ m x
以下,尽请欣赏~
7 {8 g8 r0 r5 F; \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。6 m/ R8 Z5 q$ v6 S8 z! b! Z
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。 N9 E( ^ ^( ^8 H# [2 E# `! z1 T
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。& z; ~2 V3 M) r: A5 t' E
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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! U* K. t2 N8 }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。$ b& C' z0 s+ n% G6 ]1 ?$ I+ Q
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。
6 @$ a" e; P& P9 O5 r k) [2 K( |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。
% x- `5 n# ~1 I* x5 C$ n$ P一、神经网络与深度学习
8 a6 ^* g. Z! r9 O为什么要了解深度学习?
$ B& j9 R0 J( ^7 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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\6 {6 B3 D/ V/ X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。1 k6 ~1 j; X4 C) C- I6 z% P
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。
' S3 R% }( B- m+ T' K( f我将重点使用两份参考资料:
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( I4 |" a5 V2 t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)。
$ }+ x9 J8 h2 N7 a/ X% j* e* X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。 N8 D5 F5 ?: B2 Q* }
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。' N' y8 m) N3 G; Q# H0 X( S* G
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。: |4 S' d# n' z. [# y
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. @) y, p5 C; V2 v3 V
1.没有规则的学习( t. G" d2 g* s1 `1 ?
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。5 V+ M6 s" t5 M0 _. `
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。
, C2 [+ |8 R* [: X( [3 @7 q首先来看人是怎么识别猫的。
7 Y; B. C3 d+ P4 W8 ^) c8 |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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( z# f0 ?( s7 f4 [' } }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?: S% Y! G; p3 @0 H6 `/ N4 H
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。; p7 v% r: ]8 Z; V l3 T% J
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。
$ ~4 [2 ]/ o) n) p( C5 y再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?' h+ l3 f6 c# Q- M" E: b9 d

6 d% H& f5 ?! `2 U9 |$ `! ]图片来自 design.tutsplus.com4 a8 c& f* w" V
6 Y" g- ?4 I& g; 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?6 j! C+ a2 M- R P) |
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。. u+ {& x& J& n
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。( S! |+ E1 h# T4 J3 j$ y! u- v' {9 Q
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?
: n. I+ e: L1 d$ k2.神经网络
2 @- S# b! [& G3 @6 M# w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。8 l- ~* z0 q5 g6 o. G" q
《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。- i+ |' P8 u6 I, m! P. N
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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。
% v* z* M' ?/ k3 a% Y5 Y/ ^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。
; y/ L& T) l: ?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?( i) [; F- F; i3 ^1 |
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。% f+ Z) K! R- F- t5 O+ L
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 o" `' R5 D' 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。
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G+ U; t3 `% a8 b) P4 j8 j0 B那计算机能不能效法大脑呢?
4 S" L/ l0 L$ F谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。! J2 [7 t1 h- M4 p# G0 ?
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
3 C' w( H6 o7 V$ I: ^9 g t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。
?1 E" u; d6 R r7 A" k j第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
" @1 t! F7 v1 U6 e% X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。4 I G9 X5 b* ^5 P- ?, D2 b+ x
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。; j2 n& f. g: G
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。# e" M9 m# L* d; m6 q
这就是神经网络计算要做的事情。2 p6 A* B( f9 c# s2 `. S* x; T
3.什么是“深度学习”7 g9 @$ G/ B2 F! {" W0 `
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 + S7 a, i6 V) J, f8 c
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图片来自 hackernoon.com4 r" m& {& K+ n: J+ \) v4 G
1 z" N2 F( e4 B! V" f1 ^它从左到右分为三层。
8 z, R2 I t' p0 C7 O8 B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 q6 |6 f9 H+ w% t! _9 n' i第二层叫“隐藏层”。
. U' p" w% P0 k第三层是“输出层”。
+ w# f* \5 G# J+ }, U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。* p+ l8 W6 ~4 r
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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" V9 x7 B; {) [5 `图片来自 Analytics India Magazine( d4 o S7 Y, R1 M( z* Z7 v4 P
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。% v, l# k$ o+ A
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
$ V) q3 t. ^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。" y% C& c( e+ j k& `
6 G. m1 e8 w( B, c# Y( `图片来自 Towards Data Science 网站" W- i) a) s' D7 Y
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。
& y D4 {/ f/ d; 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。2 E8 T3 q, i9 u
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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。 / {4 i- t f+ f; y/ [- q% ?
2 b) z g/ a/ | p4 Q8 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。
) |& Q4 t$ y2 D3 K8 \* D6 c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。
- Q% r( d- [2 q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。6 l( Y( g6 Z# y2 Y- q- `
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。# K- O# c U( r I- C
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”。
7 S" y8 `8 d9 u/ d这就是神经元的基本原理。8 e6 A2 o9 P/ G& z. O
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。 ; t4 r5 k+ `+ l5 _2 I( H
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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。" f5 Y6 k% j- W3 [; ]6 K
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。9 i! c/ j/ q# L9 h4 v- O. h0 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。5 o9 H, D# Y; |. l& t- L/ Z# x
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。
5 r3 M3 K7 L* F二、计算机如何识别手写数字% O3 y5 l: A+ N, ?
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。* F; i8 V) L% c) _9 `& `
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$ P+ @6 l3 a0 ]. D. N8 u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?8 d* p& P* O0 g4 `/ D% C, L# V
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1. 简化
( v1 Z$ b" v% i6 {想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
' b2 ~/ o" C2 u6 N3 q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。$ S* _/ q2 K! E% q: y8 f! v& W
. d) U; U# d8 o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?
0 D) B" \& w/ }% Q1 P1 N" z8 v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。
3 G' j; g/ i% O" u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 —— * P- P. V3 r2 ~* f# K G0 H
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
/ _$ C6 I% Z* d# W- m这就完全是一个数学问题了。" V- k! ?( f' d& ~. 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。
" r: Z/ x9 d! X# P8 c这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。) y2 M6 j0 W) F- X5 O2 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。7 w/ I, y" M) P {, Z1 T, F) ]
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。
& D9 L& ~/ C9 B* {5 ~9 L然而,这种人为找规律的思路非常不可行。4 z5 {) Z7 ?' E! A1 _
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。. U6 e2 t% N: w, s+ F' ]
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。: n0 P/ ?8 _( e* x+ N% e
2. 设定
) [0 |* I0 {. P* ]( m; \: 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。
- v0 ]- Q# [8 x4 x# {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。 |, b6 w- P1 h) I
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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。
+ Y/ z9 [6 a5 D/ a第二层是隐藏层,由15个神经元组成。+ h" E& s# H6 G/ c' W
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。6 |7 M/ N* H' C2 }1 G( g$ {- v2 Q
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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。
) d) f9 D3 S! \) F. ]3 \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。4 D( U. x! ~% i0 [9 _3 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。
3 V3 v2 W* O: g) Y0 x7 m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。
; t0 b2 g& ]+ t5 k3. 训练
! l8 r' W4 p1 A* B( k- K9 O, o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。& b1 B% Y/ l) b, i7 o! A. n, T& _1 q
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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。- j8 ]7 s3 E. D* q5 Q2 ^
5 b {* G3 @; O2 Z" a. x/ b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。: T) s) Z* I2 r. }
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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。, Z: X- A) i, Y8 K4 J6 `
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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。' j& j, `' z, |% K+ m8 @' B4 W
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
- \. V ], ~! n) y5 e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。
' ~! r2 _8 v4 A# J1 `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。
( ] E3 m) k3 N' E* W8 e7 |1 b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。
4 a3 @/ N5 d1 m: s- t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。 V% d; J( ?+ l8 S {9 S
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! + i4 y! e: C$ L
@: ?1 L: [7 n' s+ ^在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。: q( u' B2 E9 Y/ 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。
\3 q7 N8 i$ ]8 z; d三、卷积网络如何实现图像识别
9 N" S+ z0 _. r( y% O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。! X$ d0 V% @: p+ ]6 {
1.“笨办法”和人的办法3 Z9 T) f) [! }+ |2 {5 s
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。+ F2 B5 y% ]4 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。# |- M' i$ `# _+ q4 c7 Y

f9 V8 C+ S- ~2 v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。
& C- p2 n3 s1 `8 W, W. e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。
1 R5 ^! h8 N0 _& z7 `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。7 O" f5 I1 K' z8 K
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。
7 }9 v1 C+ }8 |- x( e# P1 _2 z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。
, Q" e% P' o6 W) r# G这么多训练素材上哪找呢?8 m( |5 x9 B2 I- U6 l v
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。! J- F/ d0 O- g V3 d/ U/ ~$ K
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
7 w: I+ |! O" t$ P- D. M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。5 b. ]- m9 _8 x1 u9 @6 T- o% y
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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”。
) `0 v+ ~ }! T& e 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。" M) d$ p7 n$ ?& B4 C- d/ ^5 k" }
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”。% a8 ]- ~3 y D
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。5 i, [7 t: m. _- V0 R
2.竞赛
' T4 \2 L( L7 ?3 x( 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。; }2 o f7 W- 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。
5 R/ M( p1 ?5 B' ~; u) R) _% u# ~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 a3 Q0 R3 F3 d; g) ]7 Y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。1 {! `. p9 {* Y5 M

+ ^0 c) N/ k2 R% O7 s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。; F7 U# ~1 B7 M5 F0 F
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。+ z. k# g/ T; T! |- S
3.卷积网络! I% C" f& I/ E+ D0 ^7 k
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。
9 y% x$ ?! B8 J! w, d9 Z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。
s( P% z3 y7 B6 j/ n+ d5 _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” 。
& C; e4 v$ F# g. C h+ D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”。
9 b; Y& E: K: o! n( G“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 }( }0 I. T7 _$ {7 _- d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。
. C/ |, q2 p, a' d/ Y/ X% v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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- A+ e0 s/ O* K4 O$ \' F" a! z( n- M图片来自cdn.edureka.co
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) A2 G. g% F2 h% w) a第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
( g+ F1 E% L0 S4 R4 S6 \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。$ p- e6 F' P" N5 J S5 H
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
# m7 |# X6 B ]% B) T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。
0 E" m; x* @& y) H! m5 t' ^/ }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。
4 i* K9 {* t- D' `+ T1 C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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- P5 R [4 h, o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。$ W. k. j" p! o1 w

& r$ W5 i6 d3 n3 j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。
& p$ }% T) N, \6 m m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。& F6 C7 W ^6 I+ N M1 i7 {/ N6 {3 D
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。
& I# v) l9 o" e( |1 t1 P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$ q1 Y% f1 [/ P8 e* Y* 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。
J2 {: c* W1 o( ~; l# 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。) x! H9 _# I* q |
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)。/ c* ^& O3 M6 I+ i/ U) n5 s; O* O+ r
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression1 \0 T& T% y; E! B4 h7 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。
7 Y5 L7 ^# G! w" \5 v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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图片来自 Machine Learning Blog9 I: U& r/ t) _4 W) v6 d! d% {
) j s9 z) k9 u4 |7 s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。
1 f6 C2 `+ d" f/ ~# f) U5 F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。+ ^2 J/ A* B3 L1 a- W
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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' q C4 o2 V) L# l. h3 R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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4.深度学习(不)能干什么: C8 m* ?( H' B {# [
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。! ~; D S. M( C9 z4 e
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。
5 d U* Z+ f0 F) }) f& b" _Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。& f/ `4 r5 H2 P' q" y$ N6 g3 _5 q
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。9 B4 }7 m9 p! K! X
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。
2 E: } E# ]* O' j/ K深度学习能做一些令人赞叹的事情。' X* D- V3 y" l2 ?8 `
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。
" L- s; ]6 N. a3 N% ~8 d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。
4 C& y) Y: N/ ]" W, s% q# Y: U* r7 `但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。/ H- X W: Q; d
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。& C% d' h# g( \5 \
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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。- L8 x/ _) @7 M0 w9 D- S9 }
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。
$ k# w8 V- Y, s& R* o1 b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?
0 w6 N6 A/ _( y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 X" [4 D) j" h9 @- G 嘿,你在看吗? ; H. c( s$ c- a5 c4 S3 |- e$ k
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
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