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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 22:25:16 | 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。
. ~% `9 @4 _+ E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 r( o. I4 C( v/ |# I
读书笔记•人工智能
* ]" I( [& g% ^: Q" L$ P7 b本文优质度:★★★+口感:拿铁1 m% Y8 b0 v- L
阅读前,笔记君邀你思考:
* ?( H1 f& G4 }6 ]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。! @  G: V9 X3 @, g5 |# \$ o- c/ z4 q
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”。
. t$ X6 _! F. r4 k6 C" v以下,尽请欣赏~
! C5 H0 r# V' N1 P" M1956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。
: ~. P: z) t6 T- \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。
2 s% P8 V7 R& Z; f2016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。( K, \) X$ I& G  ]% x, i. z
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。
3 c% c; H9 W" b0 b9 s6 S9 E; y! o
7 m1 ^$ `' x; f) j) x3 c2019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。; a8 i; o% S$ p- F' d7 c0 ?; z7 G% ]
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。
2 V) J: X+ b. o% c( d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。
6 a' H& i# k' \3 S# M9 t5 Z6 q8 Z一、神经网络与深度学习
3 J! U( S4 l6 d" o8 }( c# W3 d0 M0 M' R为什么要了解深度学习?
2 I8 A6 @# m+ [5 K$ z, C# X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。
9 K4 z2 v) g( u8 @4 f/ ?# O3 p) ^+ o( y7 u% c
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈( R* w+ ]. A9 A% }1 G

& G" i2 _4 v2 ]1 Y, X' q# @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。
' J( W; B. ^! Q4 _' C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。( ~  K' C% L( l4 m
我将重点使用两份参考资料:7 A$ U+ y% u2 A) W$ y5 H2 v

* J: {% z) n! m+ @; Q- ?( j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)。0 }" n: _- |: y* w
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。
2 X4 t6 w' _* m- J' F9 m8 P: p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。
: B3 w  p, ?2 R+ K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。2 f9 P% I. @  b1 A
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?) o. G- q$ y4 O
1.没有规则的学习) z( G" ?9 r! f5 d, ]
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。6 L/ S& B7 O7 y8 P8 e
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。
7 O: y# P5 [2 V2 ?& w* L0 i$ T7 U  K首先来看人是怎么识别猫的。
7 y. [/ C- ~; h* _( H( ~, T观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
( U+ V7 F7 p# B* R. Q' [5 P8 Z% ~' n$ F. q1 ]* j3 Z- o
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?
! v: f* L( ]9 a. k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。
6 g; Q# @* K7 S  k9 b& E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。, t) p# U# |$ R
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?2 l- C* n! f% _/ B1 `5 Z+ Q/ o' _

% t" }6 O1 A! F* ]图片来自 design.tutsplus.com
5 R: H: R* r% a2 `7 b) [0 }
# D0 e3 x+ G. f8 z! @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?& G& x( N/ D& y7 @6 R
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。
- h* D1 ^' D" G- l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。
0 `6 u+ t1 p+ S. b+ k. B0 ]0 ]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?" d- `0 T" u+ H) O# j, E4 |1 R
2.神经网络& o9 m% V6 ]& q
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。
& r3 }: x+ n  e+ T( D《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。5 w1 C6 G7 t) j8 c* h6 ^7 S' b
) A) `$ K" A9 p8 _% K+ T# o& p
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。
% i1 I. r+ K3 g2 e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。) G# Q" r1 {( f) g) Q
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?
4 X6 G* m. W7 O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。2 t8 a8 h( l2 b$ e2 x3 Y% R  L& }) n
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。5 ?1 ?; d2 v7 j5 T
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。, U$ I1 r$ f6 e: q# g5 U: K2 D* _
% m. h0 v/ ~: U3 Q4 `: F) b
那计算机能不能效法大脑呢?9 A& \# d( P) j  r
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。' S5 W9 ?; T3 a9 f; D! w" V
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。& D$ |* O, C% ], k7 @1 S+ A
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。* `7 G- o9 |: }6 ^
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
! ~. Z" F& X, a- v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。
' Q# v& i0 R) ^" o. |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。' E' ?; M: E4 |1 L
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。' p9 o1 g0 a  E8 S
这就是神经网络计算要做的事情。) v5 e5 m3 E" m3 u9 G
3.什么是“深度学习”5 S4 M$ [  h, l$ b2 V4 N2 `
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 ' q! h+ Y' J- |, D2 T  i3 m* V$ P
, q; y7 t6 C0 U, _9 K% x; e# R
图片来自 hackernoon.com% q& k, R0 D( w, Y; u# x* h" ]8 j
% f. D' c9 ?9 @2 u  v& m$ `
它从左到右分为三层。! \, l9 V% z4 c* B. q6 X
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。
, A- J, Z8 j- D  L第二层叫“隐藏层”。/ A( m7 W/ ]3 f1 L5 v5 N7 G9 f
第三层是“输出层”。  q( Q$ g: _, @2 k3 G. _0 c" n* E
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。* q; u' E( P4 }( X( Y  p
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。  P+ i+ J$ E) [

+ A3 u2 m( @6 Y3 Q; d3 A. E图片来自 Analytics India Magazine
1 {2 n& U8 u6 _' [. p& 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。
5 r& _- h6 m3 x4 S4 _6 |+ D" ]“深度”的字面意思就是层次比较“深”。' ^; P$ v1 Q  E* n
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。* z1 r5 [4 L6 B: Z" s) F- k

2 D, W9 e9 G* m1 l: h$ ]0 c3 Q' b2 A图片来自 Towards Data Science 网站
! B/ q/ ?( q* [0 H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。! S) D2 k, x5 K3 y: ]
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。6 Y: N. f, t6 h% E
( ?5 u( e& A( A+ G: R% M
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。 5 E# @6 n, U- c) Y

3 z; I" c, {- `# i- _' ]5 v: G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。
% g3 G; W* i# q/ l5 K8 Z, p3 E& K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。
3 K: [( l3 X* u! [4 j" E( |1 h1 C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。
% j5 A- j" y# P所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。3 b( ?/ u+ B9 `4 P8 |
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”。
; F7 b( S' }3 z这就是神经元的基本原理。. J& h" S( S$ O: }  j# R& g
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。 % x$ _% ~2 h: H7 F+ {0 b: j
! G* K9 B& N; P1 K" x! v
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。
% |$ J$ B- k0 v神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
8 \' @7 r/ o- @/ t" b- j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。
7 l8 q, S) v" M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。0 P! r  S0 d; c1 A' C- c! d0 v
二、计算机如何识别手写数字
$ ]" y" ~9 v. i6 t# ~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。
" J, P# C# s0 T& N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。
* d5 r: x! f  v, }+ c3 G/ z8 G* U" e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?9 A. [5 j( e$ i/ X; [8 g4 ], U& t& Y. |+ T

! z- i' `: S8 `, y6 N1. 简化, J: @. E2 G, W% n2 r& e( v6 H& s
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
- f2 ~9 J# e# f- j4 F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。" l+ E4 A5 L/ P

( h6 x& ?! J( F: q3 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: C6 @$ |5 F
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。( ?4 ^+ ^! {  H% _+ p
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 —— 4 ?* O% ]" {# w7 R
  x# b0 K- h- {' K# H& e
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×288 ?7 w  K8 X" p" x9 w: l& H' Y/ W
这就完全是一个数学问题了。
& h* t- y) Z. |8 n" }2 z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。
. J$ [4 ]' U; q( b5 K/ q8 K这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
3 U% D1 w- ~4 r8 j, g- @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 \: m' b2 q& {1 d1 T3 |
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。
7 A+ {+ h' [$ R$ p# u然而,这种人为找规律的思路非常不可行。7 s6 K6 S- z* N: C7 Q9 `
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。
5 H( K; ^, ?0 K& f) L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。
+ j! }1 }" V1 @& Y2 r2. 设定1 L/ a& @2 d" m3 S' f  ]
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。
6 L# z( i$ Q, _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。* F# b2 V, `% ]( s3 Q' R

2 e; r- O- g2 u3 u9 R2 O( o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。( E( E0 \: G* e* F
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
! }& b# L, h. u, Q第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。3 }# g& {9 }8 {: V/ ~

) F& V# |; c* ^) _1 D+ M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。/ o' c( r; V8 r/ e, X
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。
: ?/ F7 p4 A% e( \+ H% a+ |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。8 i% c( E% ?" |1 o; P; K. \; @
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。
! w+ k3 v" i. H& z3. 训练
7 Z* W& H! W* q% i: J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。
( a# Z0 Z5 j) f6 B- B* b
; G: E. u( B. `+ x$ g  \' u1 @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。; I9 i# D" f: v) S% d: A8 O/ r6 ]! L: c2 e

5 x2 o7 m1 `) s0 h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。: @. c+ F. b3 P; I% g. t
1 v8 c1 l9 d7 g8 d' P' @2 D: v
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。  w4 x% N8 h5 P( {5 ?
6 q1 q- K+ e4 w% s, ^2 x
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。5 ?' X4 @7 a1 L! J2 B
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
+ L% l/ g% ~4 {1 f0 q4 v8 E6 P& Z3 {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。
& o  E: s& }8 X2 r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。1 |" b2 v, W% ?4 h/ x+ Z* V: U
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。
( t7 a* R0 @* U& a: S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。+ @! C! f) I$ z, y5 d" ~
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
+ g: S9 A9 H  w( Q4 m
' ]$ D- ]* N, C) c7 [. S/ Z; X5 d在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
6 P. E# S6 O" B3 V1 G% K( r" 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。6 z. _  I9 t5 ^& j0 W2 v
三、卷积网络如何实现图像识别
* X4 ]. p( l0 v7 u5 {' q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。) M6 d) f) U; ]3 ^2 X
1.“笨办法”和人的办法8 F# A+ [% }! v) y+ j$ O
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。
8 g* y( g- a9 E- F2 \6 ]4 c$ y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。6 B6 D0 j$ }( E5 l0 }
+ b  k2 \% N1 e% m) |/ K/ M
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。
" i9 O! ?" ~7 Z- E2 W  ?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  ^! {1 {, A
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。0 A7 ~  V$ x  ~. ?: X- e# U. u
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% A) y  `/ \! y* Y
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。- ]9 O$ I9 ^; `
这么多训练素材上哪找呢?3 Q9 d& P$ ^+ m4 ]. h0 ], `  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。. W+ ^6 J& F* c# O4 s0 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。
" ]) z9 `/ N" Z/ g  ^1 U8 f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。$ q1 j& W6 A: i: \/ p) x! i( g

, M) F3 ^; p9 u  p9 G7 a. I$ R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”。% Q' Z9 d  c" p" E
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。
% d" v7 |: @+ y: \5 K" w: ^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”。- g# B+ M2 [/ B/ T" i6 n
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。; c( Q; u3 \& `  `  s- b
2.竞赛! \8 C8 z. k# n8 m: ]9 U( r
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 n# P- h& G3 w, g! D, O+ g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。
( q# k4 C- `, Z3 S2 F0 h" |! w+ U; z4 H# O! D
8 a* N. S% t& p8 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。# |4 x) l% c8 a/ k( d: o
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。/ w- I6 P# Y- g# C" w
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。
/ H7 p- ?* m' f# u4 K* h# N* g9 G4 I6 n5 y, D
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。7 o' X; Y% H+ n  k; S/ ]
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。. G; ]2 j( ^5 j6 k# R+ J
3.卷积网络  H- L& D/ [. j6 ?" u* }
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" c6 p  y3 g
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。8 }; p! P$ h+ Z
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” 。
2 A3 Z/ N2 g' M8 U# t& L: Y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”。  w: O3 P, H5 q' y5 ^
“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。
6 K6 z7 n( }5 z4 _/ K2 F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。; O) `$ q) i7 N$ 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。
& U8 _: l7 ?0 Z1 {& x/ N  A* w  W
6 W* }) ?9 D. ]  j# o9 y图片来自cdn.edureka.co2 N  y( F3 o3 X, W5 j# O
* k# D, s" C8 X( t, `
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。! b9 L8 Q4 u/ N, B% K9 q9 f
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。# s# k0 F. O& h3 W$ W" B
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
7 E+ W8 s+ q5 }) p; w0 [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。
9 v5 a" O' s4 B  Y1 LAlexNet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。
( w& F( ~0 C$ \- J( I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。, u. O" K) `5 a. d& u* f

- }: d& k4 K& g, T! ]2 J& _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。8 u1 [# Q+ p" u

4 T% c% B' r& ~, c8 t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。
$ A$ I3 W0 h8 T. j5 J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。
; ~$ W& _% D5 k1 x/ m0 M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。. H1 ?! o3 F; B& 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。  b7 H4 w9 L7 P3 x
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& }3 J/ ?' ?. n4 f6 z2 \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。6 L5 W. B6 x: }6 @9 b' @+ x8 V
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)。
4 V8 d# I0 C  a4 ?& @0 ]+ M, _* z
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
7 @9 C; r1 x3 c- W- b9 c4 i1 ^9 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。
& I- i5 q' T3 ?) d. k3 D  L) @2 j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。! s4 U, u6 X' X7 I+ B" x

9 O8 I( ~3 h& l' g2 Y图片来自 Machine Learning Blog7 w+ X( f+ {- ]1 c

2 M# d. D- q3 g+ r/ n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。3 v; h2 \  o; R
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。
5 W& u* [; c/ u; p; I4 e  I1 V1 f: D9 P$ p& F- x! p" k
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。
. e' @1 K" ]( t4 c: M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!( ^% o, o1 v6 X! H, V( M4 @

) K4 a3 ~0 @* q! ]5 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。
3 F- p7 }8 h9 o: x; o7 F
" n5 m) w, V: A8 s4.深度学习(不)能干什么5 M2 X7 ~+ ~* J
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。$ q; E( x/ Z. h1 v+ [
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。' G0 ?) C( Z1 U5 X7 J
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
# `4 T5 b" A. ^/ F- R1 v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。5 Z$ ^5 h; A) L& c' @9 e
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。
* ^# l: D  i6 z& }, Q& j深度学习能做一些令人赞叹的事情。2 p/ Y: A$ u4 J& V2 D" 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。# E, O4 N$ m& Y& B7 @
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 U4 B2 |' [- Q6 |- j4 q9 O1 Y
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。6 [5 r6 a2 H% g5 F+ r  M+ R
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。5 r5 h) g) ]" ]2 ^' L

7 T, S$ t) [' @# R+ z8 h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。, n: F& x4 X( h5 M' N7 j/ ?
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。
6 d5 e2 |1 S: E) i; a- \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?, G) @" r' c0 j
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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嘿,你在看吗?
8 S: w3 s' J+ d来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
: \' E3 I. {( s  I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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