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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。
. ^) k# R' _% }2 X: C! T l% ?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。
! A! b. L; M( W0 ] z# v% j读书笔记•人工智能
" \- G8 k3 j% ^, F. f本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
' ]6 M: X: ?5 g% l$ H7 T; [阅读前,笔记君邀你思考:
. |+ W# c/ I4 M5 s. O L* n% D+ {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。
& x7 l# O H, q5 D( R* `0 F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”。
) `% L0 J* t! u以下,尽请欣赏~) M: h4 S. E; g" v3 p
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。5 V( |8 R! J- @
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。5 Z, y6 g# l0 p0 X) f0 l
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。
) z1 C9 M- f+ H4 i9 ~1 K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。/ g5 }6 a) J; ^* l- W0 M& X- V

! M5 ?6 v/ \8 k6 `7 k2019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。7 x! U3 j5 U; a# A& d
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。! L' }4 S9 ~% O6 @. ^% ^) q
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/ Z: z# `1 S/ _
一、神经网络与深度学习) R+ w6 f6 }2 F% _
为什么要了解深度学习?5 R+ }' s3 {9 Y# q
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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/ Z4 T# G1 w# L* I2 P$ p" v▲ 长按图片保存可分享至朋友圈+ J* x# I: D" t7 g
4 u4 z, p' U5 b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 S0 G" o1 b( X. Z5 [6 s# L4 o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。+ k2 a4 X9 F7 V/ O& l. g
我将重点使用两份参考资料:2 E$ x/ l) V# Z4 z) ] S3 S
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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)。
: D9 T' i- Z# x/ A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。
+ {4 I3 o, {% E( Q ?6 }7 ~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。' b1 ?* O" z/ \$ Y
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。
* B" |* ?/ [6 }1 e' h: P% G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?+ P! _8 b- @( k. u5 I- Y( F$ R
1.没有规则的学习
: ~7 O8 ^) p) z% |) C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: N' Q, H7 C; y5 c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。2 f% Y; b9 y7 V' X: L- ~! C
首先来看人是怎么识别猫的。& G' \3 Y% j [0 h
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、- d1 V. l) G( r1 {% j
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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?% t p' f Z1 d6 `
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。
/ A- v& Z7 T: P6 E5 ]) }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。
# H! E8 E4 R4 y" G9 ^# a! D. h再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?. ~$ i/ ~8 X0 F. y
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图片来自 design.tutsplus.com
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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?
6 H- a# D& i1 M/ _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。) j( ~8 e' `2 ]$ G9 q
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。
* e: n( C1 e0 X m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?/ i: v! v3 S' B
2.神经网络
" Z2 U: A% Y& m7 _7 }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。+ o; ^# H8 ~/ @) N# k- z
《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。$ v e4 \' H6 S! U1 ` X
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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。1 r+ b- U7 F0 |1 v: e( ?- m
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。: N0 G( L+ ]4 u& I: J7 ` A; R0 I
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?
5 M% g2 g0 e( S2 F& z- t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。
6 l; M' T, f& P& R! x8 A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。
, ?: q- v6 F0 Z& O" {, w; ?$ o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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* Q' D7 Z5 L: d4 c0 F& e0 q那计算机能不能效法大脑呢?# {$ T0 L) v2 h1 D/ ]& Y
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
$ c) q1 K( c, e+ w: k第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。9 x& b& e$ O; f9 a& c
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 A: j# A& m% y% `. g8 N第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。, ]& e& m9 Q9 v7 N6 Z
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。. F+ B; B+ h- t) h/ l
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。: R: a+ i" r p9 \/ L6 L* I9 |
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。/ L4 t9 M- c4 q! x P
这就是神经网络计算要做的事情。
# Q) T, l' V4 b+ x3 l# @3.什么是“深度学习”
; ]9 q2 Q9 H: g( p u, m9 {( w& M下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
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图片来自 hackernoon.com3 v3 o% b* E' ~ U" |
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它从左到右分为三层。
; \2 Q& b) l: W [$ `; {: ` j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。
' I& o! P# _! ~5 b; b( c1 J第二层叫“隐藏层”。
' N; x* [# A- i* T* I第三层是“输出层”。
: n3 e, G( }( ?: |. {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。
# {4 Q( ?/ j# r! p从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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6 U" d' v5 W+ _6 U, E图片来自 Analytics India Magazine. e* m) @0 ?1 n0 e) i; k
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。
3 Z4 F1 s( B+ g2 I, X“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
3 W3 y( o! E5 e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& G) z" j* S! f
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。
) ~0 ] d) _2 I: a9 `* F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。- o( c8 E! _" ~
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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。 5 P( N- e! r) |( V
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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。0 y5 I. w7 J! j$ x, J
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。) E! N( `6 z7 g8 I( |: R# }2 B% K
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。" V1 z- k5 v0 F+ j+ `9 N# ^
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
( L+ Y0 S @8 Q* D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”。
$ ?- u: T9 j" E2 [( W这就是神经元的基本原理。5 C3 R& J y8 M
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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! [7 ` I# e1 K: l; f6 Q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。
; N1 y2 e0 v" Q3 l2 q& U- w& o神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
- z: M. k" W' N; C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。3 {1 t' ~$ G/ x+ Q6 L+ e0 t
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。
$ w) c9 p% L+ Q. N1 z3 r1 H! B二、计算机如何识别手写数字
) K0 b: ~7 P+ B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。) O6 S/ K( I+ J* K; u0 m# O
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 O! k& c0 }7 M2 \" q1 @
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5 ~4 j7 ^2 @& p" q. c
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
/ }/ K& k$ @: [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。! D# g) G7 h) L2 E
9 m7 h" Q. B7 i, X1 H% L: A, Z4 N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 `8 U9 q B/ \( B1 N
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。
" {* o5 ]0 @& t% t) R. Z: w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 ——
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
9 j+ R) ]! N2 S0 f2 K+ _这就完全是一个数学问题了。
" r" Y* h+ `) _5 V8 K7 P5 }' ]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。; @. o, r5 l/ _" K$ i! r D1 n
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。+ x$ U2 N/ [1 A# M. P7 l
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。
& A4 h. x7 G6 c" |! Z* ]4 G1 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。
1 M% n' ]( R$ t8 m然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
5 z6 A9 y6 l$ o9 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。7 {& n l( Q. ?6 B$ 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。
. R' M0 Y! v4 F5 b9 q2. 设定
' w6 D2 M& q' H9 S* _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。) x" Z& ^1 f& {0 y0 @( o' i
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。3 \& Y! b& S2 e9 w) a7 V
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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。/ K2 V6 @6 q% l& t4 Q! B9 t+ k
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。$ \3 f2 S8 ~ |: v* `
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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/ l4 O$ q8 H% E5 s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。
9 m, O$ Q- W( g; T( V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。( C+ X* l) W' B3 H8 C% D, X5 I \& L
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 Y a4 H3 ^" p' S0 l p
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。
0 c/ H, J) B! [3 W" ?; L: Y3. 训练
. O7 _0 V( Y; Z# J; m% Y7 I' m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。
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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。6 e4 q" B2 W6 `, F7 _
2 B( M& F3 T- `* c* j/ _; 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。' N( ?, c9 I$ b+ e( q! W

1 z F; C2 n2 ?8 D, r+ J2 R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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/ e9 {6 D v" v: E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。* a6 s2 Y5 P u6 K: l8 i
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。. H! V9 |1 Q, z8 L. g" d7 h" ~
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。% ~ t, K8 V" _9 j3 d' D) f5 `6 P. S- A
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。
- X5 }. w& K; G9 l. l) Z4 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。
( o5 \) B/ H4 E. ?& y* D5 ]* l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。( j' F' f% ?# h1 h1 e# z
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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+ h0 L7 m! E" A2 F/ v: ?在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
% y z" @2 o0 b K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。: C0 T& I0 ~$ k5 K' H9 `
三、卷积网络如何实现图像识别
$ E4 Z9 q& Y: J5 Y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。
5 w9 Y5 e5 r/ s. \" _9 F1.“笨办法”和人的办法( S+ {% F+ ~" ?: a& q: R. V4 R$ U
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。 _* I' E; X% Q5 t. ^2 Q3 l
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。& E$ V/ f& v1 l& X

6 p" o5 s/ }* ]& d# B7 U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。4 v2 Q; N6 J, \& Q9 y- ^3 J: b8 S
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。, n- g! O) Z0 |$ O- [4 x
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。: p4 N3 t/ e0 v1 K/ ]1 i; L
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。
# D3 O% W3 o/ K c1 B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。
8 E) Q; ^0 g' ]" `这么多训练素材上哪找呢?4 s) ~9 C0 W9 `) s8 c* z0 h1 E, B
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。2 G+ I# W" |2 o2 e7 H
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。9 v0 q* M y, ^- E) I
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”。
) E# ~* m& O+ p8 L( M% K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。
5 }. P: R- O" {/ Q5 _! X3 s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”。
; m: n: x- E3 Q; j5 o$ {7 b, T/ R我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
( G% S3 _$ R4 K/ K, `2.竞赛
5 t0 v' K* E- Z" K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。% c8 H( y2 w9 T) @
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。
?) o: S9 u( z7 D- A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。
) I% a" ]4 s/ ^4 X+ ]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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0 v! o6 H& o; N5 \" A( b2 _+ S, T+ A$ Q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。
; z( _: \( w T( Z/ x# c- d那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
5 D8 j( Q& D5 U3.卷积网络' h% d; v1 U" e' N
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。
0 g) P" f0 h# `0 t' j1 ]5 n/ Q( k' K9 W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。
0 m% j" ?4 |$ T$ c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” 。
5 I2 ?7 s' `- p, l4 O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 t" X% c7 T/ O5 y* U“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 Z, b" L% k8 r4 A: [# S) M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。: U1 f9 M( h9 }8 f6 ]' `
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.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。# n8 t( _; A/ t) _
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。
5 |* D/ B$ P+ r+ {! X- v0 Z第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
: W. l9 r% Z! j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 D: `% U1 G& ^! Q4 CAlexNet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。" {; n$ X% J; C: N5 C8 x
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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3 |! V9 T$ k0 f% _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。2 W- _. c1 I0 I* v
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。) U1 L1 w/ p" K3 q" V
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。
0 w0 a4 X2 l4 B# L" D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。% G* Z0 w% K" ]( O/ d
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。
' h* c6 ^) |- |! T* E4 {2 R% r. w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。' a- ?1 Z4 Z# Y% l# 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)。/ T9 w! l0 i( t9 I, x8 ^
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression# A% X, d. g: v- F4 {1 G
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。( j: Y/ v, u- B/ O; g4 j. m
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 u" X5 O. g- E- K: J% }
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图片来自 Machine Learning Blog9 h% X: D! g3 R/ u+ z- x% c
5 h" H4 J v( U7 u! Y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。: ?& _( e3 ~# ]( k \4 k
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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- H3 B! g$ I' B" h' ~6 K) pAlexNet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。
0 {6 z! I' P& O. i' F( O8 I3 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!
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8 l; x7 p/ x \. _/ V$ ^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。: V9 D9 P/ {6 i& J" r+ S% x
# S' ~" x$ b" B/ ?; D4.深度学习(不)能干什么5 d6 G6 [: X6 w0 c( R2 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。) g1 U& A+ B0 B* P9 N
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。
% k; K1 j8 G. i% _+ O3 [6 H& u; e- |, @Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
# C& y8 u5 J! B 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。: O/ B D6 z+ N- [
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。
+ E& x& [ F. b8 _! `( d深度学习能做一些令人赞叹的事情。
* J# T8 E; O* H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。7 t L! D+ q$ e) a# k4 g
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。. i! C; m5 Q6 @
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
6 k% B0 M f1 Y! n0 M2 i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。0 }# d* @2 U4 P6 \# X/ f1 W
, U' z. j9 `+ t# y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。
" c, I4 ?, E8 z. d+ O0 v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% N9 h& J/ t; J0 j1 j1 Y9 N
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?' D& [+ A: ]: G7 @: Z
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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: \% {- c' B+ x9 P 嘿,你在看吗?
% W1 B6 ?5 |7 x) @" L; y来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
: J+ |" X! }" b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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