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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。7 Z: G: l) K0 \
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。8 J7 C8 |: J# Q; e( v  w
读书笔记•人工智能
/ h5 [' y" p) V3 `7 E1 L% j本文优质度:★★★+口感:拿铁
8 ?: p7 {: i& |阅读前,笔记君邀你思考:
7 q- ]+ J+ y0 |. 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。
$ z! O0 h+ Y; [" s' r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”。/ X: ~* E7 N7 H% F# ~% E! A! w
以下,尽请欣赏~1 i) N. L( X, E; S/ N
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。
" {4 w3 l" m! N9 ?" f# V2016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 }8 k$ q+ \4 R( y' Q9 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。
9 e8 ?; D# _$ ~4 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。
- t7 ^( D* Q) a! ]3 {" E0 }3 w  j( p7 U/ a" Z3 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。
( i4 J0 J/ |4 [7 |& `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。+ v) X' v+ }4 Q- F% y
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。
8 q$ j% n' |% `5 U一、神经网络与深度学习
* `8 Q3 W$ Q* n) J8 e) }为什么要了解深度学习?9 p5 n( n, a2 e5 W' W
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。
7 M( ]8 {: s) `* Q5 {1 Q, \3 u) V9 F" s
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈: R6 L) p0 J% w. n; }* B

  i5 R% S/ z. O: {' ?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。: f+ b. P8 l/ m3 G, @; N$ X& 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。
/ d/ _% @4 p2 i) s我将重点使用两份参考资料:
5 a1 D8 L, X+ l  I: `' c! u0 y# `6 W- n& p
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)。
! {) Y( X% I; m" p, a& }; H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。
) t  Y. q/ D1 D# Q9 M# r# S! F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。
- {0 f% K% e0 K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。' ~4 \' }; Q) g( U
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?: C) ~5 Y: p: Z& N% H5 e
1.没有规则的学习
; J$ n0 _7 b+ [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。
( n4 T% U: C1 V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。
8 K* `5 M/ ]9 U1 k; D4 ?. k5 @首先来看人是怎么识别猫的。
/ ?7 P1 Q$ X/ k# w4 R" C观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
3 L; \$ J7 S) |& z3 H% j% S7 }# p
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?8 E. m; Y( b, d4 L, c3 T% W
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。
, T: A6 ~0 u. 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。& u' k8 ?: z2 r# D8 P+ V
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
0 [9 C. [# T- S3 @0 G7 v( q; C- [2 Q1 |, R- x3 I' k
图片来自 design.tutsplus.com/ L( l  L. P2 K$ Q% A0 N5 Z
6 P4 @" ]& S3 t, P: 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?
: N, I7 B0 _5 B! _0 w' [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。3 D/ W. i# l* I. s/ d1 Z6 Z
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。
6 ]9 [0 g( ~7 ?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?
1 j  X2 x$ ]* x8 @! g7 q2.神经网络
5 ]6 R0 L; H" n- |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 c# i" n( _/ F0 a# {# `2 v, 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。
; c0 e+ R6 j, |, M3 N# D2 k7 a2 O) P7 W/ t
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。
2 e# h$ [5 D9 \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; |9 \  H6 R1 i2 o$ L8 s. I# a7 ~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?
( e' c- g8 T- B* U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。% I3 r) I# S6 a0 ^! ]1 w3 d
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。! U. `, q( T( R1 p/ S1 q* e/ H2 B
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。9 u/ h- N1 y4 N3 q: a
. Y) O7 W+ ]" c4 O
那计算机能不能效法大脑呢?
7 e& B( B+ z4 I' I谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。9 @; d# U: [: C
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
1 w# w: h; l/ y0 H( P( 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。( a# _9 z1 T; n2 T+ y0 b2 O. K
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
7 ]8 T% c1 q5 `" Y# A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- m6 {8 a  T2 L. U0 t+ e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。# E" ]2 G+ U: W: B
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。
) C" B2 c8 [  v1 T) w: y这就是神经网络计算要做的事情。
" f0 k; t3 H6 ?" e% D3.什么是“深度学习”
% @( y8 q5 M& O下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 ! g/ \8 a) o* @5 U4 A
( p  [+ ]$ p- ]
图片来自 hackernoon.com% H$ `: m: n+ o7 Z! y

  H; I# P. r- ]# ]0 d它从左到右分为三层。8 `4 M+ F7 Z/ L3 e
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。
/ {% J  [& F1 i# g! K% j" Z第二层叫“隐藏层”。
+ `7 c- z  P' F. v3 p0 n! n第三层是“输出层”。; G" }$ a0 c+ J; T
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$ x  Z8 I) H& n从下面这张图,你可以看到它的运行过程。8 H8 c8 B( I  p8 f' H/ P

% S% H9 S( U  {& O; H* t图片来自 Analytics India Magazine/ y7 V8 M* C- H! W4 l4 T
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。% y2 c$ D7 u" c
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。/ I# S, ?* J- ]+ C6 s  \
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。" `  y1 X& M* M0 t

( u$ f5 I& F" l8 H2 W1 {( h图片来自 Towards Data Science 网站' n  q  Q* n! l. d8 h/ d  x8 d
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。6 m% I  v5 V( n6 k" [
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。
/ C7 U  Y: U- L: R( ]' q
( H0 O9 v4 m4 J9 g7 }6 h+ `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。 " B0 J3 }# l+ c# S4 F
4 A, }# L7 `- M. U9 X7 H
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。
( W# Q5 X+ h5 N2 H" e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。
" d  u* ~* h% t" |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。
! _7 J# I/ g2 I# {, _7 t4 g  m2 I所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。8 ]4 C( i" T5 _. Y: ~
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”。3 K$ ]2 L' v5 a3 C9 A7 Y& z
这就是神经元的基本原理。
: I" S+ g8 |& h* _$ d+ j( j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。
1 |" y1 f7 Z0 L' I2 [; \* T  |$ O9 A" r$ ~2 r
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 F. {9 d- B1 y% m
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
8 ^! _& ]* U( ?5 t# E/ F( ?7 Y! i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。# Z. F+ J) d& ]' a# I
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。
4 S) [3 Z+ C8 I: p% E; v( H二、计算机如何识别手写数字
- o' u& J$ F) H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。
' Q. ]- Z3 ?2 }" c3 D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。
& J. z- }, ]# h# 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?9 y+ ?- P2 R% \4 h/ M: m8 x1 }/ Z
, m- c! L2 q) F) h( A+ k! D( A
1. 简化; c: D# v6 d3 `, n$ F$ `
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。' F: G& ?- S& X4 a0 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。9 Y4 ~8 s9 o2 f9 ?% j1 T# i9 ~

' k. r1 e+ n$ Z; t; v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?+ B1 a% {+ a. |8 n: y% v  l# B
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。
% V) \# U0 p5 }9 F- z. H& 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 —— & [; |8 \$ A- C: `) W' P' }
$ a2 c! k; u  W# b
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
' V' d7 A" z' a. |这就完全是一个数学问题了。
2 t+ F  D5 ~( a0 p: ^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。
$ {; f3 _, I5 Y3 W* a: E( }, ]这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。8 ]8 M, R2 d% t
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: }5 a1 ^2 E4 m4 j6 X! |) j
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( ]5 S/ U0 w' |
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。8 n; t7 M" T0 o7 Q2 C5 X6 S( x
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。" T  V- |, _0 H/ x% q
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。% g: |) P4 S2 ^
2. 设定1 P$ S9 D% p; t- |* ]( F9 G) C
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。
, R4 P4 h9 }* `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。
; ?$ ]4 t: j- K2 S& A7 |& }1 ?$ S7 C( G! U% h) {) q; N9 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。
, l4 h& J& f, |* u/ R第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
3 J! h) M8 ~  V7 s+ Z9 A! c" i2 ^; C, ?第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
  m! ]6 l" H- ^) k* v- a3 ~8 O8 t$ f* F  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。) }+ O8 C4 {: C+ d
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。
) V% z. z: \; J1 X+ W: C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。# Y9 F; z) V* ], {
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。
+ V1 E2 b) ~* H  m1 A7 _- o3. 训练5 A4 M7 z' _: q& q; L
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。2 l5 ]4 Z6 b. [& ?+ x& X9 Z
$ _+ Y* @8 h* g+ `( c
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 E/ z7 n8 }1 x" X% I& e) f! i
/ N+ r( H2 x3 H$ L5 q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。
: g3 o3 l6 k1 y) ^8 s
" o8 e# X4 i6 p" _  l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。: t; n; b" \7 E6 Z- _7 q

$ n' \% i5 N% G% ?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。/ V) ~; Z4 l9 `
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。5 |4 f* Y! Z1 W
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。
3 g) S# ~' S; \0 t" E5 {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。4 W( n, ]5 T. }) f+ ~
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。$ V, D- v( N6 F! V5 f
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。
% n, y, r* ]0 W) h9 Q$ K! r. Z$ |% d事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! " U* X' _. S% u
4 ~7 p( N4 i7 W# z4 n9 \
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。0 ?8 Q( ^% \5 F& \5 w" u9 |( ]
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。9 @/ y6 M% N  I+ I+ I5 S
三、卷积网络如何实现图像识别
! @7 o/ _# a: A1 Q4 u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。
& e! J  K) h2 R5 g- n  X6 ?" e1.“笨办法”和人的办法1 S. R- z1 m8 R# @; N: l% y' d
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。
! @; M, y. p$ Q- Q7 C, e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 R, X( B& P8 z( b! A5 O+ A& l2 ~4 o3 l: e1 J" X! b# G
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。
+ e% D7 T7 `0 U& X" b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。* g8 B- ?- J' Z
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。
7 u' Y6 o5 Z+ `8 i$ ^5 W2 ]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 S- j! A# |( U( @, [4 g
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。
+ {3 q3 T) y, m7 x/ g& @+ j这么多训练素材上哪找呢?
. x; A0 ]4 ]& ^2 L* |1 b! d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。
  g+ J0 I- x% C, r0 {现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。1 d& r% c$ U5 p$ o
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。5 D# m0 F! @" d

. o0 c& ~: V- \7 C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”。
( Q1 j& Q2 T; {# Q0 [& c5 I% M( L: z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。
% I9 R- s  [8 Z0 c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”。
. {( e0 V% C/ m我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
( t2 N' d9 o" g2 f; g2.竞赛
7 Q+ I% P# m! X" K1 C- 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。0 }. ~! ^% ^# n
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。. U" H/ s9 G, X- x

; |6 G9 v+ \& D0 x; ^$ D* }. \) E- k" i- v8 ]
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。/ B9 H4 P0 J) i+ Z7 ]( E: n
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。
2 i$ q' ]/ w. d0 q, u" `9 c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。
3 g' N) U, b6 B; `! M/ r; C
9 ~2 }# l. x, Y9 e: z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% l* t  q" K/ S  R那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
( s6 W/ V$ i& V& |1 X3.卷积网络
2 A! N$ _9 `2 {6 v9 |" y/ p: ~% O; A2012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 Y' i0 W) F* D( H" k5 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 N( J& C9 V5 G) F, o" u  S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 E1 z) m! c7 B" T. F, N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”。
& L( I! V3 }8 M“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。4 L9 R6 a7 S  z" i2 s/ V8 z
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 @4 v' W  M, H( m8 A  i$ p0 D
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! u, p; B4 M. V+ U) L: p* u0 j8 G9 N' O
图片来自cdn.edureka.co5 N4 N) K3 G+ c% I0 C+ d" K
, |  B8 f* f; W* I+ F" |0 C3 n) q1 \
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。! u! t& {5 D* U, R. x6 e9 ]2 h4 n
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 A0 B7 P* F) V' O7 W" `! p第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。9 D" H$ s& n; P' 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。/ `. M* k4 u1 r* c2 z* P
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。
+ M. [9 i# b1 k" I# F3 ^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。/ R- B1 @$ j! r/ y8 N

# e1 Q, W; G6 l0 j9 ]( e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。
7 _$ Z3 t- S( \/ `1 L# G
& O; [& N& P3 d0 ]4 ^% K; H! c) v+ u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。
7 j, k# d3 ^; u) r; f# R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。
3 m* T! q; W7 q" u4 K4 _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。
% F: M6 J/ \* _) D+ ]& B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。3 r% p' e: Y$ R' E# x5 J2 H
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。: Z9 y8 V' X; g& ?6 d. s+ e
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。
2 W4 F/ o: f- \  M, H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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4 X& i9 u1 x, V9 ?% j7 ]图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
2 ~1 D4 x8 p/ m  b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 G, n/ a7 H' f5 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。& E2 b4 f: Q" S. N2 O1 j* J) o$ p
, M7 w, x% t: m
图片来自 Machine Learning Blog
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( _( q* `8 L! r) i) D1 r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。$ K. ]) l0 b. c& q! }
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。9 A3 |" g1 Z6 I4 s) J6 d; D& Q: M% j

9 u. V8 q' g2 r- a0 yAlexNet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。# }5 }  D, O5 h3 s5 X
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!- v/ N5 \# y; h" ]9 ~" O: D$ R0 G
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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。
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4.深度学习(不)能干什么
* M6 }$ W0 L, w& P) IAlexNet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 J2 G' h+ T9 |" i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。
7 w$ N: O; p+ q( S' RGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
4 m9 E# W9 s8 r3 E; t; V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。$ |% C# r, o7 K+ h
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。
5 @2 P% F" l) X( z0 `深度学习能做一些令人赞叹的事情。
: n, t) e1 I. ?- C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. z0 y0 o6 T  Z: `" z' Q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。' r. a' X) }9 o
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
3 a4 j" Y, u9 p7 R5 a3 @) G3 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。2 b3 `2 y+ K2 S3 G: l

( S8 I7 O$ }4 j+ G; H) k8 z4 h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。
  w6 T# a6 X! C) Z- y$ m- Z/ z9 d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( Y+ `6 f# {. [$ m/ e# t5 W% p
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?$ j8 e' Y8 x- [
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。7 h& L5 ^% @. j) w& }' U

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" K# a- D! V8 r, \7 R1 s! E$ w# Z/ N/ Y8 }2 E! k# T
嘿,你在看吗?
& _4 U6 w6 ]' z4 Y5 q' C; G来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw" Q( L* d' u" n
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