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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。
4 ~0 R8 a7 v( d  {: p, ^/ Z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( I9 Y' `. _* w0 ]读书笔记•人工智能
  Q# i. A7 ?7 j9 k& B本文优质度:★★★+口感:拿铁1 a9 h5 i% V1 k9 ?
阅读前,笔记君邀你思考:+ F1 ]4 b1 Y8 B6 f; @. 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。. L* x6 f' _! m* z# x6 U
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”。( Z7 g$ `- }; V
以下,尽请欣赏~
; K8 a" Y9 I: x5 y1956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 H! Z$ M0 N% n% T# t5 f+ W
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。& Y0 `9 T9 w: {# e
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。& S% E8 ?& q! a+ s6 q( M1 l: U
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。
5 z. L) T" ^2 c! C: a9 W7 Q) l, ~7 ~  K% C) u/ d7 q
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。% O5 n( w0 r, u3 z+ u9 N
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。- p: Q0 L) W' I0 D3 M
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。
  |, S) t1 q( P" A/ a一、神经网络与深度学习
% U) }9 g) T" L6 x! [) Y  S: x为什么要了解深度学习?
6 f# Y1 E/ G( b3 \3 {/ 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。) Y1 Q! }* M5 W6 s

* v* _0 e1 J7 s" O4 W- u: e▲ 长按图片保存可分享至朋友圈1 p6 h: ~! q; C
$ T3 i# E+ N  A
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。
( M+ @2 j) l  L" b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。% ^$ ?. d! w6 |0 U- G7 p4 R2 H: q( e
我将重点使用两份参考资料:
0 P" Q. V) m# o9 M7 p: x; \, ^4 r: C1 M# ]
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)。( @1 a, L- t" T! c& O$ Z7 ]: i
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。' w, q3 Y% ~- C
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。3 @: w* Q3 H$ b# N/ F% z, y5 E
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。
5 c) k. H  j8 s# V& P' r4 ^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?
6 _6 C) R  l, l3 }( Y1.没有规则的学习8 `5 X: L( X5 o5 \% 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。
& m! G1 Y- S; i' `* v: N1 e, S' z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。, a& `% T1 h6 z) W4 @5 c% b! c
首先来看人是怎么识别猫的。
( p3 C6 [8 A/ a: N观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、1 N4 x8 i. D1 q
) f7 z7 y0 M" j
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?8 S$ ]8 r% s  `( X. X; D' i$ M& f$ 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。
" `0 w+ k+ @& y' V  U( s# t2 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。
; A& P4 h( R7 A+ v- S1 l' t/ e再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?. \  ?8 ^2 S  B' v! _
! B8 }. H% M: @$ X& q
图片来自 design.tutsplus.com; P4 x4 k5 S# n$ g6 o! m
$ D: e4 c3 C$ i
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 F1 R  {  H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 ?. `" r# g% M: }
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。9 f" H4 S1 ~( k9 S# _: t  |% q: w
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?$ d5 Q1 h- z7 A
2.神经网络6 t. I- S  B" `! b; _6 H
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  P9 U$ J, U8 P) {《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。0 c: W/ h4 D9 _! d! n
7 z+ i' y( ?# B# f
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。3 m8 \; e- W8 {: ^3 C
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。5 t  F- ^9 T; v# y% F* 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?
/ g6 }' |) |. [& ]6 \, Y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。
8 O8 q0 c7 Q0 G) R1 `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。& N* x$ U5 q  f
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。
% U7 w# ]7 }. \: ~: a; p, p' Y1 }
$ F7 V. ?/ u) K+ ]  [那计算机能不能效法大脑呢?) ~. f2 `0 j5 c# |; 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。2 o1 l$ ^6 K/ l( \
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
% T( ^* I) ?+ C9 c% i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。
( x6 z; x- z) j, L第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。# m4 {) q: Z2 K8 T& R
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。0 `7 S* a2 C8 w9 R$ K$ p/ J6 \
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。
+ M- F% }% a0 m2 p3 E2 z2 e2 o5 S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。
* V) ~+ b; z& _这就是神经网络计算要做的事情。
, b4 d/ \/ g) l& H  p3.什么是“深度学习”7 U4 h8 q9 ], D( L4 l" Q3 M/ x
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
1 F+ E2 f) q& E3 x. a' F% F: V" G7 ~( C$ g
图片来自 hackernoon.com
: ?9 b8 c# l+ H* a
* N. s: |  _" b8 ^它从左到右分为三层。: V( K* W" l/ X6 B) o
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。
3 F' Y! d- F! Q0 e- d" S第二层叫“隐藏层”。) D  G6 J9 ~  m/ ?: \; \
第三层是“输出层”。1 b5 Q3 K0 R. k! I  I- x
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。9 z' G6 _" J$ u0 m
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
/ u/ X/ ?6 v) b, D
5 L1 L0 L# h6 Y. E# @/ b3 Y' N- v图片来自 Analytics India Magazine" n+ r  M0 u5 h( [3 R) 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。
! x" j5 q  ?# E5 Q' B- w( j“深度”的字面意思就是层次比较“深”。: |, D; Y% A) a' o, A1 f2 g
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。
2 r" a7 ^" s2 ]' L& j6 ?  j+ f; t) U  e7 z7 Z- e, D* e  l
图片来自 Towards Data Science 网站1 [/ p8 h5 B" F/ \- G+ a
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 A% }- \0 F, r1 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。
1 u7 y- S7 X. h; r3 a
) M- A6 k* B% h- u( \; f1 w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。
0 H0 M5 ^) L9 c
! m7 o. a4 s+ z4 Q0 N; y5 l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。
4 [% z+ f: I1 v9 L5 v; a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 J7 |! }$ l9 z  Y; n# J  R
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。) l' Y1 l7 j+ \; ]1 D( F8 H
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。  w( ]7 ]9 I, j4 y( T  a
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”。
1 {( h# j5 }. q5 _这就是神经元的基本原理。
/ J  Q0 L1 i1 b) _8 i8 A4 B+ z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。 5 L3 o, z+ X' K; \+ p& n7 A
8 I- m9 `- E' a, a  y7 m& Y
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。
/ Y( }, D4 o3 j% Z+ g神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。6 l0 I6 |& y1 u" o1 J# U
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。
( F5 ~( u& ^2 E4 V- I4 ~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。$ U( n# H6 D* P6 K8 {2 F# f! y
二、计算机如何识别手写数字- b$ d+ o5 n) u! T6 {; [
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。; s2 H1 F& R) W0 z1 e
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。
# y9 k% Y* d7 V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?" s6 S5 F! J: l5 \) V* W. `! u

0 E5 }, f! U. q2 c- s# j1. 简化# P& [' G, C7 d
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
! }; H% V2 m5 S* w) L/ 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。% M8 N4 [! r: K: `9 V' q+ O5 V
' w! [! P& b; _  V  f' Z
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?
8 G. U: D* W7 p# u" A- a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。
6 K% g7 U1 x8 X) {2 U% Z! Z, ^; T; 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 —— ; t4 L( z; F1 G4 X' v9 O" D

' ~# T! q: v5 i7 N- s, y图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28# X4 ?5 [) v" O* N
这就完全是一个数学问题了。
% A9 w/ L/ ]# I2 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。0 X+ B" n0 T- ~8 m
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。* \2 k* M& i+ L* 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。
, @. v$ u- ~( i! k7 D# k+ X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 v: G5 U3 m! z  ~) F然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
" L0 x+ A1 c( h4 B) ]2 K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。) b5 P* V5 c  [$ C- p% Z: X' H, P
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。6 Q% d2 t, Q+ R" |/ U+ ~. a8 B
2. 设定6 i$ L' v% H7 D! G# f' w
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。* ~2 n0 V+ O  i) z  B, h% U/ c( 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。
0 x; ]7 I7 K7 ?& S' s+ K1 z! ^& B) k* J& f8 M0 e% B
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。
; [4 ?0 m# J  x0 Y第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
& L2 F* L8 O) T) s第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
3 L' d2 O8 q' R" R+ \
$ d* D" x, Z+ K7 f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。
# P6 s$ O9 O% O) d9 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。2 F! B/ O1 @* r$ h
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。
% {' l/ ~2 i8 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。* T$ F6 j8 ]3 z! `& H+ _
3. 训练
4 e) L, W0 a& C0 f2 h5 ~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。
1 X. u# t6 _' h$ G
4 h2 C8 Z  z2 K& Q9 w: p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。" d+ S0 `5 y) V8 f4 i' t' \

$ i4 @: w$ L' [) k" r- z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。
8 h& A# J4 h& Q' w' h# V) v% f
' c1 ?; m' J: S1 T9 j! t1 W" U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。
# {9 k" c- R; S" ~0 B) @1 ]6 n
2 X5 e7 S( Z" A- a- U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。
8 B* Z* o( Z& [( s; u% r* z参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。) k) X2 X8 y3 l$ q' B* {- n
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。
" U2 ^, M7 b4 p4 e4 c! P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。
) u* N! _9 g. s2 }0 ]. 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。. E& \# }  g( r: k; I  F. R
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。0 l3 G; D8 T& E0 D) }
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! ) I  m+ z/ n; B' h/ \: [9 {5 b

! Y2 G0 e* g% |; T7 h8 s6 B7 ?: T8 ^在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。# o* q+ t" u2 D- f) W) _$ ^& p/ ?
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 R- m: ^: z/ a1 k
三、卷积网络如何实现图像识别
; z  Y, M: C6 D6 `- E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。( K& I( ~, [8 e$ u  c4 C/ t
1.“笨办法”和人的办法
* Y$ G. ?% m5 d6 c: G$ ~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。4 m  O# N1 b1 W6 ?* r$ U
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。
7 Q$ x) X) q9 j. r1 b
9 T1 g# {. d, `6 f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。
7 @9 q+ ]* V9 W% H& b# o3 \2 i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。
; {5 H- u6 a0 i: P; Q) ~5 G# N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。
& r9 [5 s; f5 b5 V5 X; F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。3 T" @" b& G6 e! J# {) O
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。
& u' A) o: Y+ a这么多训练素材上哪找呢?
4 i3 y3 q3 u% O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。- d3 [0 T5 ?# W0 u3 ~  Q/ ?
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
$ B; I! e& `, y, R* W  b! u, o- 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。
) M, C, A# T0 {* I
, V1 p6 y$ M7 ^0 e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”。9 H, J( C1 B- l
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。
* u* S9 J: H# h6 e4 d) 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”。4 S" `5 e5 a9 s
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
$ e7 v/ P- I: K" [2.竞赛
6 `8 B( W/ e( ?+ b# J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。6 n2 |4 C3 u% m3 a6 ]& c/ H2 h- \! w
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。; G3 {1 ]& I! U3 x* k3 c* H
. `* o; f: m; X# U2 {0 O  I8 L

+ G& a2 Q, T& S' M6 w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。( p9 y& j7 x" c: B: C2 h
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- X5 v9 Y8 y' X# O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 x4 I0 p: ^/ c1 L6 X: x
, M. \. V: e; U
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。+ `5 g- O: Y3 R$ U1 u6 l/ o1 |# _: k2 A
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。" `- p, E5 j3 y1 I$ ]
3.卷积网络
) x2 x* z3 D; R2 I, t! e9 `# R/ s! b2012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。: ]# _7 f+ M( b% h3 p. O( Z& R
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。+ o7 v* t* s2 P) n3 d1 @7 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” 。6 j* ~& ]; E: h6 f  C
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”。
$ u3 W9 u7 Q# L' B8 o“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 t; \' X3 o% N5 E  A2 }
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。: X1 Y4 W& m% Z( j- 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。
3 e) R  |4 h9 H7 \: `/ T" |0 M7 l  }1 c6 Q
图片来自cdn.edureka.co0 ]4 k) ^% z7 ]% }1 q9 p
& L2 o' `- \+ Q0 j8 c& O& F8 T% V
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。1 C% H$ P5 a% \, R' |$ p' B! i% M. c
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。% u) I9 Z: o. I/ w
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
2 |1 p/ b2 k3 _- u  ~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。1 W0 R, L. y: c6 ^9 u$ R
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。. T; q# G& H7 j0 @6 N$ [
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。
0 F% S4 e$ Z9 B7 A" B. K' V2 E* H5 k0 I" e
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。4 p3 d, u1 F+ G# F8 v

, G$ B8 k; ]) T8 w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' W4 p5 U0 ~# I2 M2 H5 H' w  E
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。& h" S: v3 ?) Y/ C' a
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。
* A' I8 H) @/ K9 F' K7 [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。+ H2 k% A: W( _6 ^% @7 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。- Z# n# K! J' [5 q' u& {; @0 ~
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。; C( q# h1 q5 z8 a
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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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression6 M5 X  Q" u) U$ Q0 K' T$ X
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。; T7 {9 k8 \, a" 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。! O: h7 A  [* Y9 z7 H, r  i

8 u/ ^2 w6 J) g1 t" A; S图片来自 Machine Learning Blog
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  ^  s) g4 N3 I* l5 Y2 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。
. |/ F$ v( I7 \5 z- N' l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。
( {3 x& A3 P; N/ y" s
* X2 J% |" s' `6 s  g; ?( X8 \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。
9 E! I9 ]# X3 ~& c3 N4 K: A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!
) |3 F8 D% E$ [9 O  ?
% n2 e1 ]% t6 T8 p0 h% m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。
& U) d1 e( |5 q, u. D( W  ~0 ^! X( U' G/ x/ ]- Y# [
4.深度学习(不)能干什么
/ U1 Z! b: E# k5 q5 s4 e" P% h) d$ v1 PAlexNet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。+ @+ @7 J: |# q! r( 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。
% I- \0 S' r! ~9 }9 JGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。/ C9 q; w0 O$ I3 c
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。
  r2 d/ R0 v) z9 a2012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。
0 J% a- C5 {3 j- V2 m, S; X9 L* ?深度学习能做一些令人赞叹的事情。
! @! x+ U& S0 f0 y& {! R8 d' N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。' P. C+ {. m, M& K$ u
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。) j+ \0 M2 p& P* ?/ n: a5 O4 f
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
( y0 P, H2 `+ ^* {0 H* ?3 {  m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。
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0 X' o. {$ ]$ L2 l' v. g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。, [" v, J% L- V2 y
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。
7 Q; |- ?, X6 u* ^1 k: C( \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?2 g+ [& K  ~, F2 E- X' w
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。" \( r! ~$ s: S* H

8 C5 s* Z; {$ I& G# n. D# \% H, {+ j* x) ?2 y. w# I) q
2 P5 C+ P( K4 d! A- E4 V
嘿,你在看吗?
/ S9 m/ n. }$ x* [6 n  \) F5 [来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
, r$ p3 B9 k" ?# g9 f5 ]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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