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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。
! l- {& X  E6 E' a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。
; t6 C4 [7 s6 e7 Z/ d* x读书笔记•人工智能. v* Q' w9 T3 x* b1 n: ]: w
本文优质度:★★★+口感:拿铁
5 x7 q' G/ T0 p9 r- H3 Y% a阅读前,笔记君邀你思考:
% Z4 G" j) o, |5 s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。
  a/ s% P5 x  {8 H, H5 l' o% A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”。
$ k* X" [6 _* Y  ?) t以下,尽请欣赏~% A- s; p4 c: Q! S
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。  m4 m( F  c. z+ o
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。
& y. P; ^, |/ ?! j6 V7 g1 M% X. @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。1 L# q( Q: N* j5 n2 q4 W- T# _9 O8 \
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。
1 K4 ?, ~$ J9 ?
4 m% g9 x$ O! p6 U. @& q" X2019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。
$ q" v5 p/ D8 P5 u! ]2 x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。7 x) L  K+ e! N% z$ e( S) |
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。
: ]0 ^+ d0 c8 o( Y( [一、神经网络与深度学习2 J- ^0 j8 d. E( e7 b* p% I9 C. f
为什么要了解深度学习?* K8 ^4 s) i: @3 \3 F
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。. a2 ]! z; C- q
( Q2 E# v  z+ ]
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9 K6 Y* \2 S. n1 S+ t
% x! T3 p+ Y6 q8 O" `# J8 w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。, C6 R+ ~  D  `/ _
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。
1 |1 b+ N% M: O8 @" o5 w我将重点使用两份参考资料:3 R- ]  l7 R- ~+ k
& w& }5 W! {8 b$ C( L: O2 U
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)。
) a, d9 j3 T$ m8 _) T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 }5 T: l& B. {8 k
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。! R: d+ Z9 E- k, H% z- n* j
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。6 q0 F1 ]8 s4 U4 P0 [
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?
& G: Z" w# s) g/ @# k. V, `  k1.没有规则的学习
3 O8 N1 G4 l! i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。/ @+ B$ X# ~# v& t2 X6 f& }
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。* i& _7 T  J; y" N3 v2 {" {$ ~
首先来看人是怎么识别猫的。
9 x2 d) k2 w6 P; G. B" n$ y8 [观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
1 Q, P$ H1 K! O3 F
* C- ]2 n% N5 q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?
3 N* f& [0 Q# e* l, M# ]3 t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。
* S! c- J) K& b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。' ~. P" d  E0 n* ^6 P7 [8 ^8 i
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?+ E2 D2 w/ S- U0 I3 a
2 r; s3 N  g4 a- Q7 L4 _
图片来自 design.tutsplus.com" q8 |: R3 P9 z5 k- H8 E0 p

1 D6 A( ]- v  c" t* r' u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?
) f8 f% h4 i" G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。. q! y. D6 I5 q3 Y9 {% o! 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。# T; Y: V/ m! 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?
- `4 C+ X$ {1 V% [2.神经网络
  y5 _2 o, b) e) F$ n8 K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。
* g+ M& Z8 k( c0 L5 W《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。4 \* g1 M+ D7 {" p6 [2 f

7 W, B/ \$ O. r8 v, H1989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。$ y# _$ p2 y3 G+ ?$ R1 X& o
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。
. I7 E9 b" ?6 c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?' h4 u( D# A0 B9 S1 q+ S
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。, G7 |0 L& b& v. T& {
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。! Q4 m" E0 O' p- Q: R2 _  p
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。
! K8 g: \, X; n% Y8 `: M$ D; y8 s- x4 e+ p, O/ d, t' Z
那计算机能不能效法大脑呢?* j( ?( a$ i- H
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 k2 U" ?1 J; ~第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
/ o1 H: u$ r0 I4 y2 t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。
! P2 W* u4 M% U' T第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。! f3 `8 h* y6 E  q, 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。
' e/ p* [; `( \- I* W4 t& u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。3 W  T4 o" M" |
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。
: K% F. }; @/ ?$ C6 W8 R+ {6 ]: K这就是神经网络计算要做的事情。
, n' C3 E, C# _7 H* F+ b3.什么是“深度学习”
) c3 K/ |, j9 L下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 + f/ f, \3 d) M% i' z  N
) c- @% ^. X; w4 v4 e+ _% H% u& y
图片来自 hackernoon.com
8 u5 V9 w: m% H; c: j' e
% w9 {) z: ^# F. s它从左到右分为三层。. q8 w" A3 L7 Q: K6 {) \
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。- w* r  l$ s6 a6 L
第二层叫“隐藏层”。& ]2 W: x7 M- u' R, o6 N: V
第三层是“输出层”。' P! @- _3 A+ {. C% 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。. ~; v! Q" _/ y9 s9 I, b% s, O
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。$ l4 ?' n- M6 X* W; k
+ C+ p) u( q9 I* P1 I& f
图片来自 Analytics India Magazine9 q* x6 ]. A% F
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。) }8 b# |% C7 M- v# m, b/ ^( m
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。
$ t& i" l: V! c3 f9 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。
0 m6 k/ X( p$ K3 ?6 J8 A9 W. n5 @: N" E3 P7 c( M
图片来自 Towards Data Science 网站5 @. n+ ~( n: o% [* y
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 H+ c8 b1 x6 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。
3 P( p9 T. @# H$ |+ X1 Z$ x. c/ E0 _0 r, V1 d+ Q. j
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。
" x1 f1 P* E! O# o' U$ ^
' I7 K* Z0 c# g0 o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。
$ V8 g, l$ \- 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。, _- b: ]& B  e' z$ \
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 o+ I& \& m4 z所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。( P3 Q3 m7 D2 n7 z9 F% G
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”。
. v: ^# s' J: A% S4 s这就是神经元的基本原理。
4 ~* a6 x  c7 ?3 r& ?9 d9 |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。
2 e5 w- }- g& ^# G. K7 r" r2 D1 ~+ T; 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。
1 n- f4 w" l* k' r6 y- F神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。! l2 ?. b4 L4 a. O& b5 I2 C1 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。- ]3 x% e/ ^& _5 \& G9 ]
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。
& {6 P. N" L. f3 E" m二、计算机如何识别手写数字+ N) M' W6 r( R) ]' S, A0 G2 d
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。+ I. D6 w8 J5 t5 M( s: X5 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。; m: j1 ]8 P8 r; c+ s' i- F, Z
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?
: C$ Z+ O0 N" |/ `4 M, c6 [5 Q5 b/ b3 u- F2 \5 i! F- f
1. 简化
+ T  T2 Q$ y' y' r, ?! d  `想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。. l1 x5 v, {& w
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。- X) r( ^' i* A/ {% [# h

4 j6 A9 M1 B2 K1 G' d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?4 v. x$ B: d! d/ m
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。) h) Q: K9 R7 E6 g! b( x$ t: o4 o
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 —— * z. P# G) \8 T# B" U+ A  z

7 [7 P% w  G- ]$ V+ ~. Q9 I5 V! P图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
7 @! X; d+ C% [2 s这就完全是一个数学问题了。  E( ~* R& D6 ~0 L; b* L" s
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。  _' T& i2 Z& a6 c+ ~5 g
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
# M; J; ]( ~) w! @* V$ {  d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。
$ }6 y7 |; K/ }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。4 [, ^$ N7 u" [; t0 U" L
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。/ ?6 I, P9 N8 T/ b6 W6 [, t
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 W: c- ?; x4 Z% ]1 g# C: K
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。0 E# M1 V! p% Q7 {0 X
2. 设定' l# Y8 {% j) M3 X/ A) A
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。/ I2 o5 G9 z$ w* g+ q# d- 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。
! H, X% |  d3 K% s+ W. x9 ~$ l1 H8 C  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。) a! q  g; {# {; l. q8 ^
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
: l7 G( O4 `5 L0 U/ q  a* @& H% i% a第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。" l. P% D: V# g( o: Q
( E  \8 H; f0 ]4 `
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。" ~5 @# Z% t+ H1 ~3 {+ ^6 j
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。
, o6 t5 z; r1 q. x; 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。
" c) U: [& w( F! t+ a8 ?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。& E$ [3 F. ]/ L% E
3. 训练2 c+ K- i, V6 d" ^) i# g
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。
0 C+ ]: O3 V7 J7 b# E' `
- ?  l- h: I* o% F; o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。
3 }* W# f8 D% y8 C% L3 k/ G8 u* p6 N; }
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 a) u) \: K8 G; O2 I
6 X7 H( b! @+ [$ u5 V8 N2 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。! L+ r$ _- {4 o. P, l$ H7 c

) }2 e" i" y+ ~; |8 |6 s% [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。4 C4 d5 N: G# U$ S. X1 a( h
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。( L& `; [% g+ c9 U- p) z4 ~
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。
) }# p& z7 _; V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。" p  S- ]  A- U5 j: 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。" a  \& X5 i$ a  W, F9 c- \
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 S# r$ W6 Y+ u0 s6 R8 Z
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
. {( ^5 z' @9 C& }+ r, L" G
* e2 _- V0 x9 g在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。( x  L4 O* f  K6 ^9 k8 Q; R
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。
% D- @* j3 P$ \: e; D三、卷积网络如何实现图像识别
" n5 E; w  m" L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。- h1 O* A! g1 |" Z- E+ x4 p
1.“笨办法”和人的办法* u3 K" L( ^, D& N7 E
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。
# E3 K7 F( N, ]$ B) x0 _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。1 I8 V; i' r4 ?  X4 n" ~7 m
, B: L) P9 E7 R+ M7 }! C% }8 H' 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。
& l" S- F' K4 F1 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。
' R+ M7 @$ C4 k( O& _  k7 m2 D! 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。! o5 m5 z  \* i# _( C2 w: z  V
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。
5 J3 v5 |  A$ e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 \7 a" y0 Q7 r9 ~这么多训练素材上哪找呢?
. i: ?# K4 X8 c- F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。& _" J! u) V: K! n. 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。' a" F  g  X0 Y
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。/ G! u: n9 m4 a7 J. O# _

  B( m) G. r1 N) h- 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”。
. u) ~1 |: }$ }1 H) H$ n0 a6 p2 H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 s8 p! Z& 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”。2 n$ E0 [  K. _# r" N% z1 G7 j5 j
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
' I  u; [0 C; B, M2.竞赛
8 M. G1 B: y( Z/ }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。, k$ `: o7 }  w8 _! \9 m1 D
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。
1 _% R# u' V4 ^+ R7 l7 C0 S+ {0 s2 v3 ]( k6 U

5 K- _, C: Z3 O( L( D; X% X" {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。
8 u/ r! x0 K- r4 b8 {+ _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。8 G# `8 |  m& i9 P$ ]$ U3 T4 H
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。
5 W: w& w! q! g3 B* V" _1 t
& Y1 R0 U, r, ~6 C! h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。
2 I( l& J! n2 G$ q+ D% H5 F8 P  {那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。9 N8 n% p) G! l) T0 T/ U; l
3.卷积网络
3 i: B- \2 v5 X. T% C' ^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。) _/ v1 W5 [5 d! Q/ H! H) l
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。
* ~7 |/ F% q' \' 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” 。3 |; J) F; O2 I5 j+ b5 X
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”。
  c! n5 n: t! |! p2 S“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。
& ^/ l" O* k( I9 J6 y! C' 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。" o4 E7 _; g4 \& n5 s8 j8 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。8 [( r% e/ p  `  G
& }1 I/ l0 U* p) h; B$ t7 q/ t
图片来自cdn.edureka.co
2 l" z& W. Q% g
9 ^& V, C$ y" Q( J第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
1 c: ?7 D. }3 @! E6 Y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。
7 m, d: B: D+ J1 C8 ?第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。4 d" C3 ?2 v6 k( \8 x
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。4 h( @- D# z- {  W* D. q
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。
( S7 t/ ?. D/ T1 P5 h3 }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。
) t- ^9 t' S) H9 i+ b2 [8 }; N: t. E" Z* O7 c
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。3 T3 w# ]' Y$ N6 l+ k8 @. `' u8 `: f
* p) ?. C) f9 B3 D6 k. m
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。+ W9 A+ h2 U" j9 m1 P: i/ }
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。
( L& n, L" S5 K% b, u1 z4 E. Y+ ]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。% T% I* U% I1 s; f6 M
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。! S+ s1 O" H6 s( 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。% @5 T: I2 T* c" b6 O
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。/ U3 R% s1 e, Y; I1 ~
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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& l/ U# y' g, `图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
* R3 g' _1 f2 K5 L+ O2 I5 R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。% o7 Y' T, l7 n) y$ A) z
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。
* Y. e# R% Q3 Y- s) x0 v( u" [: r/ K# E, W6 Z
图片来自 Machine Learning Blog
; W( }# ]4 M. m3 s  b: R0 J  u( X( h" o! b2 f4 v
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。
$ t/ d/ R; W% f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。  r3 ~4 {2 R) r" y4 R! R! v2 b2 Y

, ?' {) |+ n- ^, v/ o; N5 A9 _$ BAlexNet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。
( n' Y# L7 h: P" V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!8 M7 `; p6 ~3 m  h5 l+ K2 [  j
3 N# [0 w& S) p
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。
$ {, X  ?% X8 m3 J' I. \$ N& B) R) P& k7 j$ f& J
4.深度学习(不)能干什么0 F+ f$ E2 ~5 X3 k7 _
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。7 H' q# |) n' ^/ J* F, n, a! X& _  r
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; Q  O3 u' u( v+ [# |
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。' z& |6 v4 [  R
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。- r/ C, j  s1 D: w6 T& g
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。
# \8 n: ?" p9 Q深度学习能做一些令人赞叹的事情。" o- ~/ N4 l. }& [
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。
8 ]1 l* M; Y- \% l! w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。( ]* o4 A0 h, q
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
; K4 M7 i: L) Y! t6 P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。' A3 }8 z( j- T  ?* y* u! j# Q2 x/ ~
- _7 ~; w( x( \
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。
) K4 L, a0 _  y+ R5 q( t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 S: f! _0 j& M  w  o6 |3 w
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?/ U+ C4 ^3 x$ S1 J% A4 w3 g
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。) s6 g' r, c- i! \9 Y% q& ~% m

1 v2 J) O1 F- }6 u7 K. H. ~1 v. v5 y* K1 A

" O- h! V5 Z0 ]5 V' {嘿,你在看吗?
4 W! l/ o! _! O  O+ a来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
% r$ }" w: y! V. h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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