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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。
4 {9 N- c1 ~9 }5 w9 S8 h& n; _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。% [: i0 y- N; k  x
读书笔记•人工智能
3 v0 C1 E: z. W; [. z本文优质度:★★★+口感:拿铁
: W+ a( c6 A, z8 V( ~# C( {" g7 `阅读前,笔记君邀你思考:$ H- L9 {  [1 H
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。1 \1 e4 ~, D0 ]" t% D8 A+ t
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”。
+ ?& a3 S+ o& w, R: a4 C3 z8 {以下,尽请欣赏~
) L0 u2 a4 ^% o1956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 N8 P. T  C. p' Z
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。& E' v7 P3 b  H( `1 g0 `* i0 @
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。( q4 ?+ ^6 D$ d3 `5 |9 l. b. c
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。/ f) {# w: m. Z0 y  N  ?3 O
4 A& Z& f* {7 F4 x8 X* \$ E
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。
$ d* O7 Y+ U+ ?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。' }* h$ @. {5 W& D8 ^
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。
* w. h; w/ c6 ?5 m6 D# J9 m7 v1 Y( v一、神经网络与深度学习
6 _" \; C  ?! {& }* Y# w! D* P* X" q4 h为什么要了解深度学习?
, ~0 Y4 ~! j6 s- d( B4 o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。2 G: C" }$ N4 }
' e5 ~5 ^8 j) l
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
- Z, Z7 p, d0 K2 X! C3 s5 I' C( i7 V: V  P+ K8 I* e
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。
. h8 v' J& V6 V  n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。
  |# t6 m) F3 V2 o# z3 d我将重点使用两份参考资料:
9 N/ u% H1 B+ H+ [
8 H! Q" v+ b6 V! ^4 N  ^: `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)。
0 e: ]! J  n  ^& l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。7 M# K( }" l9 K' ]1 g
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。, I1 i6 R8 B3 U( c; s5 p
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。' k  O, m! d- p4 {+ m
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?
4 ]/ s0 H3 v, V/ S( a1.没有规则的学习$ L: t0 C$ Y$ R# ^: J1 x5 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。5 Y6 r; h" C( a9 L9 U3 I; |
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。# [" @( s: Q$ Z* H* a+ o2 P& I
首先来看人是怎么识别猫的。
  }6 I# s) ]( e) r1 F观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
. t# j( b- f' T: n% A
: T8 ~% ^4 e0 X/ {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?
( y3 s( u- X% Q1 g  O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。
8 e; T7 U0 g4 `/ d0 E8 A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。) n7 M2 |% O6 q3 s2 q( v* C
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?( H" B  Z& _0 y3 b- j; Y

8 u) L3 L  \3 P% u( |& K图片来自 design.tutsplus.com
5 X) Z9 R  Z+ O  q+ b6 t& o
# b' e0 `7 _0 n( A" x; ~7 V1 J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?
( Q4 K/ d3 ~" D' p% n) ~4 s' x0 _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。7 m. s& R' ~% v, x7 D+ 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。
: ~2 R; \  C' z+ x# G/ a0 r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?
2 H* o# J6 h; n2.神经网络2 Q  r6 E& Z2 B' ]. k. X( p: Y
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。' Z& s+ o9 l0 M3 j8 u$ {
《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。- I; ?9 f9 M1 [2 z0 A1 n

! y) N# w4 S8 N$ H$ E! ^  R1989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。& ]+ F% N  U6 T+ H- V4 Y; O( w
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。
, k& r" y% F+ n: a$ y7 h7 w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?6 y/ i3 N8 Z+ q% J
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。) O$ v. D, v* Z- P
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。+ j$ `$ Z7 f  j6 R) Q/ ~3 E
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。' n3 i1 \8 U5 d3 V) J

9 S8 V: V: k& N6 H那计算机能不能效法大脑呢?
- O8 V/ }6 B1 X: b9 n4 V. 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。: ~( M0 s" J4 F7 r' ^8 ]$ n  f
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
" p; p0 A3 K+ E5 e' 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。
! o3 `& i1 y8 A4 ^第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
3 s6 S+ y6 I/ Y& U6 q4 n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。) i  e% y, h; R( Y% L& _5 ^3 Q5 [+ Q
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。: K3 O" M, l/ G
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。& |$ P  d* D9 Z4 D, k
这就是神经网络计算要做的事情。9 D) U! {2 F/ A5 d" B& Z. t- }  B
3.什么是“深度学习”
: \- r0 L' _; S6 {( b下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
: }1 l2 T$ P4 }; X9 u( e. K! i& D) F: W. b5 [: G
图片来自 hackernoon.com
* ^& T! l6 X" F
5 I" E( {9 I& f( ?) E它从左到右分为三层。
) g' O% s7 o5 @- @, c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。
- O4 k: r' }+ R) ^! T! v第二层叫“隐藏层”。0 |& V5 x* S. u+ F3 W* M8 b# _
第三层是“输出层”。& k, a8 j6 d& s1 @
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。$ G) X1 k+ X6 C/ ]
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
7 j/ u. v5 ^) c( o
& c1 [* r1 u" m- t0 S3 Y& A" t图片来自 Analytics India Magazine9 l$ P2 K# v, T  _, 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。
+ k- x  |: D; R“深度”的字面意思就是层次比较“深”。' e6 A: @! S7 d# V7 m1 h
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。- h' J- v7 P7 N% v! B" l* O4 h
# l' l' D2 ], }
图片来自 Towards Data Science 网站
* B( h" w4 C4 t- B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。
; ^- h. f& H: V1 @' d8 D; c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( T/ ^) L* k* g! B

0 g0 Q5 t8 `% M! M2 V) a, w9 u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。 + I( n2 k% T( l* F8 G
' v7 Z) g; d# p, c
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% f, Q: t* E) @7 L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。
" @( q) F. @; H( Q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。
; w9 [$ N; v8 m# r/ e( J( u所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。5 c5 g, M9 R( t$ b7 i
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”。
2 z+ X- Z0 e% b  [4 \  U* A这就是神经元的基本原理。9 ^5 F, c- X' x5 G) ^
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。   i& F3 G+ d; p) m7 S9 ]
" a6 F2 m1 N7 [+ x
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。
+ D5 Y6 z$ m3 U" R神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
, |7 n6 a+ k2 q5 }2 n. b& _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。
% d3 C& O4 l6 q" c: Q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。
+ F9 F& O) k( `# O& D. Q8 k二、计算机如何识别手写数字% f2 @/ m  E- Q
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。
2 w/ p: a& |( s" c! _3 X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 s1 k# ~: ^7 w5 n! @; N* d  E2 Q/ T/ W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?
/ B* u9 C" W' F( D, g3 p% [8 T& Q; j& R
1. 简化6 {$ q% Q" T- G
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
2 ]! O) H+ F5 [5 o0 B7 r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。
2 e( R' {9 o% ]* M4 }! p( {
' Z5 |8 ^5 b( }2 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?
5 \8 g/ z( s- t3 X& C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) F5 B* Y4 L1 d6 ]4 L  b8 z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 —— 2 J$ S7 r; j% s. q$ h3 G. c

# U# V0 t# c4 T! q图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
. R7 p$ i1 H6 u/ B7 w8 H+ N这就完全是一个数学问题了。
3 U( E0 l% H1 `5 M+ i( k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。' b. s1 W+ {, J+ _
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
4 C3 G- W: o( h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。) Y" L6 @! i! s# A' ], e
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。
; {* \' Z. \2 Y7 A然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
7 K! z8 d% {: G; E' C' ]( s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。
. \2 l- }5 O3 j& e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 ^/ s9 }4 Y  t: q2. 设定* X! X6 T8 @# Q& t! W1 n* f
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。; N1 K2 ]# f' P
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。
6 {1 t# Z* I- w- A
' A6 ~; N7 `" K4 s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。
$ w0 V' n3 V  L( _4 E  _  L第二层是隐藏层,由15个神经元组成。6 I- J/ |% M% [' z( q/ Y- H6 B( j
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
' R) t2 G% f- X1 o8 _' m- I% f+ j$ v: [  X0 R1 n, R$ ]
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。
& W0 A2 D; p" z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。+ P2 F- f8 `  ?- I  n
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。. z; @# V0 V. |0 Z, N, b( u
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。
! y/ E, }" ^! \+ Z/ O" q3. 训练( Q" m2 n7 v; o0 X
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。: }. r6 v* L2 R( p
) ~' M& I9 J0 I5 Z7 R
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 @( p$ {* b% t+ a" ]/ @* F7 H) E8 v6 e2 R3 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。, z8 Z" \9 _0 w8 i9 Y

4 |* D3 b! t9 l0 L, c- F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。
! a+ ~8 C" @' N8 Z  a/ ]- E' @; p; y; n/ z1 w4 P$ X, n  N
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。
. y& \  g, E1 H; I& V6 V6 [参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。- A8 w0 Z+ d9 E1 ]
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。9 j# n" `$ l& q* c) f9 U5 v% I
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。
) j* j. R. _0 A0 r& r+ V. D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。: }9 ~: d9 s/ I! f& C% g
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。: P/ }# Q) y! `
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
9 ]1 r& c* o. J1 v( q, t/ D3 f) T3 a7 n0 Y
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。7 H' w% f2 ~9 P# p' j
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。
% b; H: k# e0 K6 A, I+ Q$ z' J三、卷积网络如何实现图像识别7 @0 F& G2 R3 j
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。: J) a4 V; f6 F# C6 I. ?- w8 ?6 A5 }
1.“笨办法”和人的办法- L7 ^  t5 H' B* j; q' P" X
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。
8 `$ Z+ S  u/ |, b# G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。: y' s1 u; ?) g; _1 B
* Q' {* E8 l6 g- o, {
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。* l2 @6 B$ \$ y+ a9 K- 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。2 {9 N8 i- C6 f
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。9 r2 j8 Z% p% Z
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 J( V1 T. J9 ?9 w
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。5 ^( H' H3 p3 ^5 s3 w
这么多训练素材上哪找呢?$ s3 D1 Z1 x, d# R
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。
1 e. U0 I: @; T" q1 ?现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。8 p2 l- @8 }" ]1 F1 p4 V$ w* p
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。! u5 [# w0 C4 b  @4 b( y
) r/ i' q* I" p  d) s+ |' P
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”。( L$ D) ]2 y& [
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。+ q- D+ T4 G9 z, o) u
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”。
- F% E0 X; Y/ F; c- ^) _我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。. Z, e% [# i  T- I& V7 K2 r
2.竞赛' O. T1 O5 R* n: a4 m8 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。
" o$ C  t; _# p, z4 m+ 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。8 g7 m) ?# c% @, V, b9 S# A4 y2 G

5 s$ k  a  O4 p# k
- z) i& ~2 D, n6 e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。) j2 E, Z/ @) x  Q
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。
1 j" a" ^) b; r/ T% v  l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。* B0 B: V8 L, n1 n; {1 c

8 \1 ^. K5 m3 l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。
- u% T% I% N; L那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。. Q$ k6 V7 ^& K
3.卷积网络
& ~4 c7 E" e# g; {' u; Z( }  e2012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 Z# q- Q3 B; Z/ S! |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。/ e' Q1 Q! V3 x6 x+ k) 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 _% _0 m# H# g8 @- j3 t: W, i8 ]7 u% ~# ]
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”。6 w. Y, z; X% ^. 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。6 M4 ~7 k3 @, `. d6 G, ~5 T
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。
$ e! v; N6 u; v5 s6 B4 L& P* Q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。
& ^7 L* g3 X& C1 G4 j7 x
: E- A4 R: m; s: ~9 J图片来自cdn.edureka.co
8 a- D' w' L% X0 @7 _! E. \$ S9 p% e8 ~# n
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
2 n9 @' Q8 R7 f9 e+ q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。
  X6 t- O2 W/ v2 J% U( `2 W第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。3 X' W1 ^. o, s( k
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。
% N* N1 ^. C$ y2 P; n& iAlexNet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。
8 `: V% t) K$ U0 J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。
- U) _( \, O- f- ?2 ?" ]: D* ]( e# H$ w0 `; x
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。; X' Q1 o7 K  C( W  x6 o
8 s: h3 ~" u" u; z6 c; V
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。' P4 V- m5 l6 t- Y0 M& ~* s" L
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。
  M; V& x3 I* a  B) a5 t& L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。
6 h- F8 H. ~0 A  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。
, n5 R+ ^) m$ s4 f3 u, F" G" l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。6 [$ H5 }+ Z# m0 q+ M0 g- p0 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。
; Q: @1 I" P8 a4 j2 P% [( l- F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)。4 r0 W% Y$ @1 X+ x  Z

) f8 I3 p4 L; h6 R/ n图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression8 k( F# [1 W: f" K6 v  B1 @
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。2 [3 b; \2 q% L' e( K9 {$ 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。" o1 B. a5 I5 C
$ ^6 z' c1 ^( A0 f
图片来自 Machine Learning Blog& I' C: H% h9 w4 a5 ^" {' ?+ V
6 S% t1 I9 g1 q! Z( Z2 e2 a* N  s! 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。
7 b5 S# Q' ]7 t6 Z! ^! _5 P  A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。0 w) t% t7 u; B' T1 N
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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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。) T1 w; m' a2 m  V4 K
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4.深度学习(不)能干什么
# T& S1 Q+ A* l! b& F( C% E5 bAlexNet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。. M6 x* ?+ b- h3 \8 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。
' E% n9 q7 n3 \/ n$ ^* X0 p" DGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
( X0 M$ q5 P! ?8 I2 b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。0 E/ c! {  T3 h3 M: y( ]$ H3 _
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。
9 l5 o, A8 y0 B* z+ z6 y8 o深度学习能做一些令人赞叹的事情。
% L5 I$ Q& F/ T$ b! v% l1 F& |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。) C, _2 z: T3 Y5 m, o; g$ k
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; X- C9 x4 C! [' l
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。+ ~) j: P; g+ {! N
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。- |" \! D& L2 n! \* w
/ q! p' s& ?, 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。- w9 p9 I  E- Q8 W% 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。4 \& u7 [, e% o
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?
0 U& |' u# `7 [+ G  s- E3 P( v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: ~2 z. p% a# i( G3 H/ I# u# S( d- [( Z
4 b8 n8 \, Y* _0 U# n4 U
* r9 `! p) t1 Q  H% P
嘿,你在看吗?. s/ N4 b4 o) R( _. S
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
8 a9 s& }% L' \; F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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