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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 22:24:13 | 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。
1 C. W: ?2 B# A0 d+ ~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。
& t# e9 X& n! I0 S6 P4 ?* A% a: ]读书笔记•人工智能
; D; t- s. A# n3 M1 i! @$ v本文优质度:★★★+口感:拿铁5 ~! r( D$ c6 J; {8 c6 Q7 O
阅读前,笔记君邀你思考:1 {4 K( _6 q+ Y+ O$ e, X' t
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。
- @7 |2 w9 T) ]+ B; W6 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”。
7 q+ \' C) L& b1 t7 ~9 y; B. y以下,尽请欣赏~: d, Y" N" C4 G* P7 M% @/ x
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。- z* G& ~8 [1 W. H% H6 r; M
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。1 N* S- ~+ y: S! J; {
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。) x4 o' k4 ~, l0 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。- p+ \+ t! Y+ c( @% `; l: R2 y

. `, h3 F- ]/ e: _0 M0 e5 J6 b2019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。
* t- _, T6 T% n" b7 T2 f+ 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。3 ~5 o) d: G6 c2 T0 O! U
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。
' Z8 {. d- \' S5 Z4 q8 y4 E( [一、神经网络与深度学习( ~7 B" M7 O1 n( f/ O9 ?- X
为什么要了解深度学习?
9 z/ \2 [9 K' ^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。
5 }5 O4 X- H9 ~9 ~* _9 V; Z2 f8 X: o- p9 s2 W9 N/ T( g6 L; G
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈  b; d. v( e2 ~& ]" q, i
( V8 O/ ~3 [+ g# d4 o. d; M
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。
  b4 y; ~. R8 g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。
, x: ~: E2 i7 a4 R/ ]我将重点使用两份参考资料:7 i1 X* w5 {; l3 |

1 H; X" \9 \& \6 z6 `1 z, A) h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)。
5 W* b1 r% }# n- [8 M$ C! j( u* G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 M* S* p$ c$ ]$ I! P2 J
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。
& j& l& c) u7 s" ?( q: z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。
* {$ g3 ?9 N, V0 d; q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?
& ~8 X) j6 z  {& s* E1.没有规则的学习1 B- m3 Y" }2 k4 B$ F, O
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。9 w. D$ S1 a* R+ w
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。
' A0 r) P" S& \- Q* a! x! @/ b% _$ K" N首先来看人是怎么识别猫的。
  B  w$ ]6 G! m3 L, A观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
* p% R# ^+ s0 E; n3 w& C" @1 n" I1 x  A$ 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?  z! ^- Q1 \. S+ M
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。; u8 a9 r$ ?& E) s5 y
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。9 ?) c+ P- b. m' K, p. k1 k! |
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?+ }4 M8 @8 @( w. p+ X* U. Q- A
# l, u9 r1 H" q# O3 H
图片来自 design.tutsplus.com/ E4 w, D; e' x* B# v

1 S4 B! h- u4 k9 R  Y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?
. u& X, l6 B% [: G# _& P, B4 l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。
! t: q6 x" p( l0 Q, e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。
$ n$ D7 F2 C/ j3 T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?
3 F: R- d& d2 T. }# \" [2.神经网络
+ O+ ]' s/ G) u. x4 ?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。( ^1 a; ?  y1 m* r! |; k
《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。
* R, M' M0 r' T7 j& t( W: E' T; \$ u" }7 y8 s) E" M. Y1 s
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。( I2 r% b  k0 b+ w6 L8 {
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 z- K* H+ m  f3 y9 N
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?% \# [: v" C, Y8 l' l& c" _
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。
5 i! q1 c: G9 i  r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。' f$ s8 J2 m- g/ z1 n+ b6 _4 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。
+ q! S5 A; }2 b! s' w( Z
' p7 F! C# F. U' _那计算机能不能效法大脑呢?: X; Z7 R" x) ~9 j3 M) J2 a! {) 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。
4 C; e& Q/ i' @  ^# P' f第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
9 u: o: U1 E4 A) @; S- p& F, B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。
4 y, U6 n9 B4 L# ~0 U& D0 ~7 `" E1 M第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。6 H: K  {* Q9 S+ M/ o
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。) [. C7 p' V0 y, `/ H
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。
- q9 F5 S. H) S7 a) R# c- 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。
+ u( C) p- J( a这就是神经网络计算要做的事情。
0 v6 y$ n+ z8 U) V1 O  q3.什么是“深度学习”9 Y$ {' s/ \" \9 {
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 + g4 l9 G% t/ K1 d* ]- [) ~8 M

. d0 W! }, C) R* E6 a图片来自 hackernoon.com
% N1 c8 m4 q3 f  g
) R( }1 {$ S; t* K$ j# K* _" J它从左到右分为三层。5 |1 S/ s* A+ R7 e3 {
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。5 K, x- H9 J5 H$ e( z6 ?
第二层叫“隐藏层”。
7 T7 P8 j/ L4 r5 [8 @第三层是“输出层”。4 j8 }* x, S: j. z: u! R
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。
6 T3 b5 O% r) p- _3 _8 |& F1 p& D. s从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
" z* u$ j: ^& Y, e9 Y& g7 W8 @% F! ^
图片来自 Analytics India Magazine; `  d% k# K6 E# N7 B4 x2 V/ W
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 L: q; d4 U/ ~* x0 x2 d“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
0 q9 ]! H# ~9 C7 s# c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。
! x# E- h: ^7 U1 R# x. k, m
2 [5 J& k* m& x; x9 D& n图片来自 Towards Data Science 网站- n" d& Z# L( ~# 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。
( v$ p. w5 _3 q; x# W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。7 N$ n, s7 s& q

  j( m/ D5 i, K2 K1 g7 R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。
* u+ Z1 ~# a2 _1 P# g
, R4 n4 j. P( _% v1 p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。( i; v: E6 J0 M1 R' ]0 W
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。$ P+ t8 _5 i( `4 q5 `: H9 `
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。
1 y2 Z' B5 ~: s/ a4 _所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。. v/ W: c: f, N: t/ }, [/ r- 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”。
- P' ]! B3 h, O; A这就是神经元的基本原理。
, E( S3 ]+ K% {* u2 q/ e- b! V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。 . l# k; L! P. k% e8 s2 _9 ]: _
. z% b% |  e) T0 l  j  p
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。
8 ?  V6 z$ D0 Z  o神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
# F5 l: W, D/ S' W6 H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。# p! Z  Q2 X% G3 t/ d
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。( k. U" V7 A$ D1 N: L1 V
二、计算机如何识别手写数字
  n% f8 ~1 ]0 K7 l$ F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。: T. x( f  `$ y1 T
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。
: N1 J& h* h5 f! I4 @2 k0 s' n, |. ]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?  W: L; f5 g  j8 G' Y; O9 B

& f4 c% }! \" W/ W7 L/ G, I  e1. 简化
2 |4 h8 l( N% |1 I想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。' _6 Q" m! ]7 w1 g7 U$ 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。
# p+ i; p+ l2 t) ?4 K8 w/ Q4 Z- U2 [5 s- M  \- r
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?
% L1 g& Y* `1 s7 t5 R5 a3 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。
5 f2 S. j- s2 {. h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 —— + A9 m( Y" u  H9 C5 x
8 G2 ^4 D4 r& [6 J8 Y  D( f' a$ L
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28) F" b: a9 O' v* M1 B
这就完全是一个数学问题了。
9 Z% Z5 d6 `' W) z  r6 c" t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。
& L7 e4 q& M/ O1 b( y这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
/ H3 @/ n) L0 G8 ?: g, P* T1 o  Z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。
- A: }, q6 ~- Q$ j; y/ ^' o: T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。8 M1 @/ f) R' H' `9 R
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
, c6 b& y* o/ N* f+ {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 B+ i. C, Y. E, [: b. E" D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。
( L  C+ m. t& H& f) {8 i& q9 l& Q+ _2. 设定) h' g3 H# g$ R; S8 |$ ]7 E4 T! y
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。
: i8 U$ e) G3 w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。
8 ~$ S5 Y* s5 [  K% E
6 W4 E, o; x/ H, \% ]" x9 \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。! Q+ B5 H, o. \2 C  o: s( }  r+ c
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
: j& G( G- E$ @- b1 m. d( l( K第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。2 f. S+ ]. n* Y% V  V/ f/ p' k% ^

8 x* p' L5 j4 _) K3 r6 ]0 ~( V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。! }& E5 `' L- I% f. X! C0 U
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。" R# H) Q0 ?3 A- y2 N$ I
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。
: T7 A3 }; f* _- I  k- q/ N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。8 f& f; v0 o4 o1 N+ F; c
3. 训练: u3 p5 v' \% `" E1 N# c
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。
' D- |  d5 M+ E* T; r
& f: k! N9 }: ?, B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。
8 i' k9 a2 Z: j' G2 I  J, E: r; S" X1 x* Q# x; V
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。5 \( r5 @6 t. _0 _) H: P! b
# ~( ~/ ]+ P5 G2 T* E# E7 |  \9 g
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。8 C5 {& b% }5 N% m' {* o

+ z4 f- r) C: K' o$ z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。
( r. Z5 k+ p" N; z参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
  g7 L* x3 u/ X  ]2 E, A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。1 i& Z% V+ ~3 ^2 D
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。
* y) J- n. L/ {0 F* M( N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。
* m7 h2 t  M1 m* g5 q8 C. p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。
7 h- X! O/ X( v) \$ P$ }事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
4 z# J/ Z7 s* T( n# h8 ?$ D* E" x: e8 b" c" M1 `6 t
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。/ H/ x- J2 I4 W3 z
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。" ^0 ~; Y5 V+ K+ E. L, r, b
三、卷积网络如何实现图像识别! b8 m# p/ o4 X6 t8 }
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。
' }. c* i* f' h" P1.“笨办法”和人的办法4 o& {8 |7 U1 R' 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。
; E( M5 M7 J$ i/ A; s0 C1 Q3 h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 i: e6 W) D' T4 g

  g& k1 w# q9 o' O% z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。# }+ h2 o' N7 x9 _: V. z' Y
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 l2 K' E; Y$ l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。- n" `" m( x2 F) g7 d2 T- x! O
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。6 v' `0 p- q* B# l3 d0 ~
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。) G( c/ i* b1 e& W: y. e
这么多训练素材上哪找呢?+ C2 e  v: s& D. K8 c
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 t( M2 g+ O- c  l9 V8 ]
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
3 \4 V7 h6 C7 a$ S& B. R- `6 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。
/ q0 v8 w# Z3 [  d5 \4 f1 l9 X
: H) f% N' h& G5 W5 U& J' U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”。- P& C. {" D7 }9 E. 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。
! S0 l5 {  x! v6 K0 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”。, {9 \  w* V3 r$ i5 O% Z$ k( Z
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。/ i, t; t7 r0 k8 F
2.竞赛. F1 y" w# [) y. @3 N* t( q
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。5 H0 D8 x5 k7 ^" E1 c
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。: j# Z. p" n) Z7 A; r

% [8 _* X& {& s  O7 ^: W; ]0 u; r$ @" q6 K
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。* b$ Z' M7 K; h. s' E4 f
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。
% P# k- a+ N/ Z' _0 k0 G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。
* U+ O" H  c! {  T6 `% u
) R# a2 H9 [5 @+ ~( y6 D) e( P3 o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。! n' {  a! H0 f. J0 z* m, [& ?& E* _
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
1 }! j; L" i( S$ L" L3.卷积网络
1 ~( W/ K" b: }8 y6 m$ W2012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。
- {: \- H9 d- q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。) m& B6 s$ \1 ?
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” 。4 |: T8 ?$ O9 E1 {% T$ G# r
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”。
/ S1 F/ a* y- P! X“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。
* ^' ?' b! C0 [8 j9 k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。
5 v5 f8 T: {7 m4 G6 y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。' j" i1 ?+ M, l! u1 E7 w0 C
6 ?0 ]$ W0 f+ b; r& d# |
图片来自cdn.edureka.co
1 M- P2 U7 v! W1 F# _( n: I; b* i2 R* n- q
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
# ]" [+ q4 _1 Q& Z4 R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。
0 ~$ g; F. n, ?/ I4 v7 l第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
# I* [3 j: L! [  _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。
* e, i2 [% k& U6 c) B  XAlexNet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。  }) K# R6 N/ ?) u
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。
; e% s; l% ?7 u# o/ M5 I* d% Q3 r9 Q3 a7 a$ s8 T4 ^
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。+ g: l' G% N( H8 j+ B# n% N
+ h8 L: V3 x( C6 C, f( I! g
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。
+ N: O( V: S/ S+ M; w- ^$ V" _" ~2 {# H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。
+ i0 d/ N0 e* r/ r6 Q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。, G1 `0 h1 ]# n4 J: _$ J
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。8 r) M! O$ l6 u
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。& o5 `/ j( ~- ]) u8 ?& |5 I
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。
$ w( i" o; U, y: m* H+ F# F. _9 _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-progression- k+ n0 A8 Q# 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。1 F$ p; n8 N! p' B2 v* c" f- r
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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5 N' X  a  k8 x4 }图片来自 Machine Learning Blog
" r0 q+ T& \% C/ F2 h3 x+ K
, c  y+ ^  z5 \& N4 u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。9 ]) B( h4 H! B) _# D
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。7 {+ H) i0 H" i$ a$ a* r, }
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!9 V+ Z4 l1 O: {* k+ r# v3 q
  m. L" x/ ^7 K
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。* Y( `( |* \+ H1 X

4 K' g& v$ O  r$ i% n1 |2 t  W  W4.深度学习(不)能干什么
: j9 [" Q! g' z! jAlexNet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。4 z3 P+ h+ w/ P
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。
% M1 y7 y3 G- n  Y# G; D6 z+ S% C( BGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。- h6 |' }" e: [. _' b. Z
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。- u( \9 _( J+ Z: W( c$ d' q& ^
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。
3 |. N+ }- V0 h7 v8 l2 ~* V深度学习能做一些令人赞叹的事情。* w9 P, B% |1 N0 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。
# w! o& G& ^& G$ B5 ^" L; K& J: ?8 t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 D1 y$ G5 W! v  o/ u" Z# d' B但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
) f2 ?( {0 n$ n6 `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。8 K6 Y# ^' u" ]! u$ j* L1 n3 @

: I4 f; O1 M! |& J2 u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。
$ W( u) O0 W5 M; ?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。
, e% p( C+ g; |3 `+ N4 k& 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?
6 `/ o* J* g0 ~9 x# N7 B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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7 x- ?0 X, E5 t. @/ t1 U+ x" ?) M
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嘿,你在看吗?
( M% x) C% F% K  j+ I来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw2 h6 p' m8 u# r( K! Y2 I) ^
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