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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。
8 T# n: b: A" j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。, x9 r3 t! x. `! J; x
读书笔记•人工智能
& H! |2 T* }' p9 H2 e本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
4 ]0 B, @; W# v# S. ?阅读前,笔记君邀你思考:6 `6 A- [# O* X" @0 e" k- m9 }  }
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。. W1 T$ z' A8 \5 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”。7 t' g1 s6 l' a: m; Z$ B
以下,尽请欣赏~* Z6 G" H" g  w2 a) B
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。
3 L4 k' x. T1 v, W; ^: _! E2016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。
" ?* X# L# P( o2016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# g  _: j: G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。9 o2 s6 M3 M; Q
% n5 U" c- K. n
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。
/ j9 J1 w, z8 L6 T$ n' q! j8 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。8 F8 b/ P  \  n5 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。
, Y, I1 I  ~0 S% D' n% |+ s一、神经网络与深度学习8 \2 W- b% {9 `, N
为什么要了解深度学习?1 a; b7 q" @8 f' |* O- U% D" C' A
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。0 H7 P* [! A! n) u

; @: J/ W' O6 y5 d▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
! m( I$ @" r: ?; X3 s+ P
3 `! e1 X; w7 `% b; R3 L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。
# ~: r& I' j9 ?9 O3 T- M( U; W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。& O1 f: L6 `" g" {: |' g, R( w  v
我将重点使用两份参考资料:4 k- z) N  Z3 @: I9 d7 g+ e

( G8 j7 W: @! A7 b: \3 z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)。
+ T3 K6 _. n) y1 Q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。5 }6 N$ i5 C( W' S) ^+ b" R! W& l! 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。# o5 f3 O5 @# `) T9 M$ Y- }, s
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。
8 i, T1 T  u- 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?; w1 ]. q( u% N5 m2 V' a( C% y
1.没有规则的学习
6 l3 X1 u' s' }. f8 P, |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。
2 ?; Q( r, |% M1 O, c+ E- j; g8 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。
! H: c- J- @  B+ `! j: T& S1 s8 W! e4 x首先来看人是怎么识别猫的。/ M* r3 m  [4 b* d+ ?: y# T
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、- K$ A8 H$ u- ?# ~2 J
. z/ |3 O  k, [* S7 Z2 u9 F
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?
/ _0 H8 i8 F; {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。
9 C6 V" {: u' S# ]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。& E! w, A7 t* e' G  C7 g
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?2 @* Q! L0 m% ~! H/ v6 m; V
: w& Y  l$ p- ]* z+ |
图片来自 design.tutsplus.com
9 z* r% Z2 d  a6 `3 T5 Y+ S  d- k% K& B, \3 ?  k1 v  E5 w7 g) }
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?
; \* S5 U- s4 g4 j6 |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。$ d/ U5 T/ t; E, L  f
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。* l) @6 ?  |: v* p4 @3 D" K
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?- u2 q  n! R/ C$ ]) e, m8 g. o
2.神经网络
' p' z+ C0 K) H' {/ g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。
2 x9 Y3 D% t2 ]$ D; j4 m+ o. @《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。8 s& t5 w& j2 r3 L
( E( {0 t/ p% [6 o
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。) M" G3 t4 u0 s( T/ r: {1 G
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。
! ^! q9 T+ U" ?! ]5 N- @* G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?
) `$ K+ L9 @3 a  K) O3 l, o: i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。, ^% S2 Q" C: @6 x
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。) p) ?2 b3 E! y0 {7 K) V
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。. C& d! f5 N( L5 _
5 g* D; z7 v; M6 M$ R% ^
那计算机能不能效法大脑呢?
; f0 T, @# g# L; J谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
+ e' q  U# k: S; T' d$ D第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。0 j/ Y, Z; K, a" e+ O  q% M
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。
. {; ~0 o" ~3 j第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。. ]' Z: l5 ]7 S1 r- M9 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。# A6 p( X$ C# `; 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。: J' `1 p+ O/ u! G2 \/ q% x
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。
* a% G. h  v( a% s2 ]; d  ?0 N这就是神经网络计算要做的事情。, H- i* \$ T6 Q% v. j
3.什么是“深度学习”  h8 K6 S# N( N+ L5 i2 J* k7 U
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 3 ~$ S, r: G; k
/ a/ Q" |& I; @. [- ^; w! m
图片来自 hackernoon.com- d2 {" D; N% c2 H" o% z, p

$ A9 @# k& P. x, d5 a. L+ h它从左到右分为三层。: W( Z/ I$ L! i5 |1 q  {3 e/ C/ q
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。4 m+ d  Y5 f( P2 J) y
第二层叫“隐藏层”。
! t0 W3 x* l: g' G/ o# F2 Z: y# N/ I第三层是“输出层”。
0 a5 {) b# Y  d: E9 \; 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。
: O' w/ e6 x7 X2 \" Z* P! d从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
8 B: O" h1 |* |0 ^. @1 k0 |$ K, P
图片来自 Analytics India Magazine
1 D. l# O; Y% X- Y2 Q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。, t: @/ z. |4 ]; N& E
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。" c# a/ D/ K0 c0 I  ]; f! j
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。8 ]$ b* q. b* a' Y) Y% z
' z$ d) ~$ }, D3 d5 V* ^5 w% r. G
图片来自 Towards Data Science 网站9 j) l* |7 b& s; ?9 [
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。4 ?( X! c9 u: B6 U
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。- S- ]4 v7 l7 W. Y+ G% |
! n2 j& L" v# D, w' q
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。
! P. n6 @/ G: W9 e" x0 k- w' W. H' ]0 r- K
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。1 _  V6 S5 K, t3 o. h
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 r. U  Q: H, ]5 F/ 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。
4 q3 s0 @7 R7 j/ m6 m所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。0 }! U3 S0 w( e) h( Y, N0 {
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”。' P3 |# r: x. N7 Q* o8 D
这就是神经元的基本原理。
: o  Y1 r% L1 l* r5 ^; P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。 $ U! R& k. O( H4 ?; q2 Y# }4 s6 c: B
$ B% i/ |- e3 Q6 O  t* S4 o
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。
, X( V; e" Z$ P2 @% y$ `& z2 I神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。; g" @0 {( t. n5 R
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。/ L& c; e1 R: N  [* K9 y7 A6 W
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。
$ M2 x) l, D4 A, m! ]; ~, k二、计算机如何识别手写数字
$ B( a& i4 j' p' s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。
( z& {! @; l: T/ c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。
0 }6 j: [9 a6 v+ 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?
4 P1 U/ B2 ?1 \/ k& c# n7 ?2 z) z% Y& B% I) d" `5 a, T5 i
1. 简化( J2 J, x* j2 m* w- n; E
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。: b1 d: x7 k7 X7 j* a* c0 Y" J
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。- ?3 j+ q% ]- r* n. B

, a  U( E; s9 t  J( ]+ H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 v% C4 p+ u# ^
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。% u+ i$ f9 r3 _+ D
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 —— + o) ]) t6 c( ?( F
3 \  |; ~* e( Z. |4 U9 r& P
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
, o. X4 y' P7 v' {3 c这就完全是一个数学问题了。9 v7 `: F1 _5 e% 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。
- y4 L% _2 o$ W" f这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。, I4 Z1 \; _3 W
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。
( e3 I: r- ]" S" }* a4 J  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。' q& H7 g( R' B3 M; F9 V/ U
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。% H3 R! P( g2 r2 _" U0 U% d& K5 Y1 L$ o
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。
0 R1 i" E1 M+ t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 {  M- X, o% P- d) H1 q
2. 设定
: n/ G0 ?* g9 ?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。3 c% ~0 _+ u% j
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。
, W  \0 ~- A' E- i- U5 v
8 Q6 V! J  ^) y) Q5 W: ]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。
, V6 s  \6 q6 F/ n, ?- \第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
' B9 ?- p7 l8 q第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
# c2 X( N5 V2 Q. H1 B7 \; A2 c/ R/ K7 D0 }+ Z* X
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。2 `2 K, |( G+ m3 m5 `) ^$ ?
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。% e) c9 @! W% S
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。( Q0 Y; D5 K" `. }6 u1 x1 V3 f( w
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 z# o, B/ r# x/ w
3. 训练$ @3 s# e" X" t# x4 X# f3 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。
" C6 t  H+ V$ n. _
, n" b$ U# h! @' f3 H# P# g) 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。+ @/ H" i9 J6 R  k
6 {- Z% r8 x' }: p' h: h& f
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。
( ~* L1 i5 e( U3 h: T) N4 P2 I* y% K' ]2 g2 E
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。; h" F/ Z8 I5 n0 K
) g  X/ L& b  ^/ P( i1 b8 f$ {
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。
. W( J) a- D' {+ R4 j# c2 p+ a7 B' n参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。- O. Z- Q2 z% W2 x, K2 B% _( c* z+ 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。
6 _$ I5 Q1 R" e3 O% {2 L& [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+ |; t2 v1 G% ]( E' l
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。
) }: X) R: R% g! P# U. s, X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 u" e" z% k" K- o! Z( N/ n
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
; Q! D: F9 |2 A2 h
+ s0 ?  u( @" e8 ^% a在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。( f& N! D% i$ N, B9 ?, H; [7 X" 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。4 K) X+ K4 U4 h
三、卷积网络如何实现图像识别
0 B; Q* o; g, 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。
' M5 L  V3 t2 b) ?2 I6 d/ m1.“笨办法”和人的办法
+ A- C9 r2 x: s! [; l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。( V( t  k/ ]8 P* ~( O0 O$ M1 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。( @3 K5 b0 z8 G4 b/ B

+ u1 d2 G) C: F4 h4 Z- T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。
) u; Z# j2 M9 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。# `: v/ M4 y# J' m$ ?6 T
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。
) Q4 u! u+ s' A1 m) w6 G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。
! U! h5 G) P& }1 I& h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。4 @+ ], h0 q2 R; F+ K3 R6 T
这么多训练素材上哪找呢?; n6 U! h9 n9 w& |& Z
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。
) c1 Y1 D8 O: y. D) c0 G现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。& N; M0 d: x1 _9 X8 h! q
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。
) ~8 R! Q! F* u  f1 f
# s4 s, K" }- I. Q; S% ]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”。. c3 v  C9 g. v4 x! 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。3 _/ F0 `% C' ~) k" X/ r
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”。# A2 y6 x! o7 `* n( |
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
0 n! n2 L0 _: J  u* k$ W5 B2.竞赛
5 i' j- x; j1 d3 D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。8 ~" F( v+ M" x7 e0 L
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+ N. N$ V9 P3 W
' T- ~4 ]7 Y, F$ n4 Q! ]

% V* q8 f5 T; x$ a% h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。
$ ?# k. q6 S# m* 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。+ q0 a3 ?8 _9 T% y1 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 F% J9 I* }1 N% {: A4 _
8 s& ~8 w, Q; g3 _- N; b% M/ y" G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。4 S; d6 F1 K9 f& |+ }; f5 r; E# U
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
& r: P  E5 T" K: h) T. E3.卷积网络
+ l, @+ t4 x4 p2012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。" n' l0 m) d! e0 v
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。
9 z, z/ p) Z, P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” 。
  y2 R* P( S6 _6 U: }$ F2 I) |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 e5 K& `8 z" L* j
“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。
; `5 A" k) O0 Y( I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。6 p* b# \# U. k- w
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。
( ?8 [# G  N9 x/ b* d. x# P- `8 b- F1 R/ o5 f0 J& l" {% n
图片来自cdn.edureka.co
7 J: W- p1 C, {& i+ O* |: S( r- F# M7 o- q! J: A7 J
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。4 o) G0 q& F7 B# T' w% r3 W
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。8 [" a1 E8 G: Q+ z, p
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
& a- B* }5 C6 d: ?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。
  j, e; N. E: j* U# i( D7 JAlexNet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。
, w2 u8 a2 d9 b- L# s6 q$ e+ E* l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。
- s! B: I# P& A. G) c( t/ y% Y8 v/ C6 j' s3 H
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。, B+ B' t2 M4 R6 `4 ~6 k
/ l0 z: h; Z& C
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。6 \; k# N: {$ o  Z$ E3 F( y3 v& q
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。
( D1 e  C% j! Z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。
+ f3 B( W2 Y! Z" l8 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。
" N: J: w5 K9 y. [  M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。* S- q6 s' H5 Q
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。& [, e$ S" D0 R! L% 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)。% p/ Q6 N: i6 K/ \
' m7 b4 N' D. \) M% m! C
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression$ D% W1 l$ `+ h# C5 C; {4 b6 ?
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。
' s/ d3 q% Q! R2 o% K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 Blog4 Y8 j9 b, a3 j# Y
9 ~, O) p& ]" \+ B: a5 R; k$ Q
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。
8 F- O8 H. \8 k. ]! n: t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 ~& u2 K! x' |5 |3 r: X' {  J

& d! j  M, C  S* TAlexNet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。* S' t& H3 h  [. }
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!
( b9 o% k/ H" y1 Q" G8 G
1 o( s. ]+ \% D+ b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。
# S; P, Z' u4 ~$ A; U& @, O9 S1 M: N3 s5 Y: H" W& |
4.深度学习(不)能干什么
* K0 h  z6 N7 J7 b( s/ J0 WAlexNet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。+ {& [5 Y0 E. G" S% C8 h; _
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。  n! E' P% [& i0 w, o! |
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。' E; X) q$ R( u! a) \7 B2 n
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。/ W- j6 Y) s; U1 ?( x  N1 S! I
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。: {/ Z7 u$ Q5 @+ u: m8 L
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
4 O) r$ u0 D, M. U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。
! Q) C8 T% P. J& D8 A" L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。3 d- h: o9 V( x6 \$ P) n4 [
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
9 u* h6 s' ]3 }$ z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。3 Z/ b" h/ @9 _% G3 ~# I- p
3 a, c$ Z" ?0 E- s6 [3 r7 }
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。
" f4 i- r5 {) l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。
* U" N+ V/ v9 q  \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?7 ?# R. k2 o, Q# u( l
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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6 b& N) H: x* D, @9 L
9 ?, [* J1 s4 `/ P9 T
嘿,你在看吗?
7 B+ T; }6 ?! S3 ]/ A来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
) y0 \  |0 J- X. {5 G  u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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