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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。& p! ~+ x) H0 o
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。- j# `2 x- b% T, K$ b6 O( y+ j
读书笔记•人工智能- m% X9 x9 i% ]/ y
本文优质度:★★★+口感:拿铁
4 ?8 q& Q2 Q4 p" ]# C7 ?1 |阅读前,笔记君邀你思考:
8 e2 D8 r9 K% j2 E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。
# x0 `2 Y* N4 [! M9 y2 e0 @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”。: j, x( k! t+ B/ T, l
以下,尽请欣赏~" }& p" A+ L  q# t9 k  Q6 p
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。
: H$ U* U5 @2 I% A& S8 {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。( }) {8 }) }9 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。( h  Y6 {" ^. j' b$ U
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。: Q- c1 ?$ B6 \3 c3 u  ?. D

! U6 k% [" t- D- o8 e( N  k# X1 Z2019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。
# ?7 z: I2 i5 n# S: F' e4 V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。
/ l3 X+ j4 z0 N  A  ^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。
& Q$ E* A2 _- s9 p一、神经网络与深度学习
! F5 P* g* D- t为什么要了解深度学习?& G# a& P9 r, n- p
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 ^9 |# M7 Y& S5 g" o( h3 F, J/ x* I0 W7 S! T: H! ^
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈) J/ ~5 I: ^0 U

7 f) T* `. ]. j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。
6 M+ i, ^) O9 @- d- R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。
8 K+ E! w: I8 q$ K我将重点使用两份参考资料:
( ]2 I6 b) {0 q: x* ?3 R- b  r4 `% \+ w' ?9 E) B
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)。8 V. {- D. H3 J) B
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。
1 X7 ]6 c" l$ {; u3 |4 Z% 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。
3 A( j1 L6 h- p4 s& A. F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。( Y- k2 A8 c, 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?6 }' [) m% `0 _9 T+ v! f
1.没有规则的学习
3 R. T5 b/ i7 M: K& ~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。+ u# E4 e7 p1 x- u# s& A* K! 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。
) q# T0 h) P. i% \1 `首先来看人是怎么识别猫的。
$ h7 W- h/ G* Y- I' D1 K3 }# f观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、0 f% k1 a4 A% B5 y' n9 y( U& B* q

2 s; b: w) d$ O. g% E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?) I( e; B7 u/ _, q6 x' m# F9 z' G
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。* u( P+ M: R5 I8 \5 I, \% D# 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。
8 z' U. B2 b$ ]- `) y9 }2 ]* r再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
8 v1 n- |5 m$ F) |& W5 O) Y0 m, W4 h% s) w
图片来自 design.tutsplus.com
! |$ K$ U# @6 I1 S/ e! t/ V/ O
& b( N. y6 {7 l7 |! e! p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?
5 i, t+ I+ K: @1 ?/ l8 U8 F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。
( _0 j2 j4 I  x9 B7 g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。/ x( _' I6 t( \. 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 f, ~! R! \7 G  Y* P8 V! D0 A
2.神经网络# ?! p! O& E3 Q. S; ^
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。6 k: @: I6 f- F) s1 z' d
《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。
, E' r6 h0 W. z. ?( E& K: b4 A
1 [* h3 l' i" ~6 t9 g# A( 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。$ L4 D0 N4 d# s4 z, s+ I: J
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。. s1 j5 h- A3 _+ w* S" \
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?0 b( n) Y% v# @- Y) a3 D2 Y
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 u/ u1 H$ K( C; 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。
% i. k1 M! i  n3 v9 R" 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。
) p+ H2 X  o. `7 T- @! ?/ z! }6 [3 n0 l8 P
那计算机能不能效法大脑呢?
) o7 u/ z6 v8 k4 S. @9 M. l% 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。* D5 W4 X+ X+ ^9 m* |7 ]! A* c- y
第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。) r- x0 F( N+ ^5 V0 [
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。
+ C( }1 z9 ^, d" c第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。% V: {! H& o7 g
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。& z" U+ U* q% S$ }2 i7 H. B
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( }/ j  k% R3 I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。
2 m( x4 x$ \9 W2 b这就是神经网络计算要做的事情。7 e" n) W1 c& }1 t; [& I
3.什么是“深度学习”6 O. \2 f) A& u8 Z5 [( I
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 8 a1 Q/ _2 a+ Q' F$ a$ e+ w3 s

5 O! N* @$ k$ R图片来自 hackernoon.com
" X( n; G) ~/ ]+ s. w
( A0 a0 u* P  X3 `2 J$ d: A它从左到右分为三层。+ I8 s/ M$ H' n- x+ d8 v& [% Z
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。
: C4 p9 c1 r5 S5 `* t  c第二层叫“隐藏层”。& ^' h/ M* V7 Z
第三层是“输出层”。1 W  u2 I( M  n: J' z( c9 i
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。
: _+ L# A; f# z! k从下面这张图,你可以看到它的运行过程。; ?$ s4 y2 }+ F2 K0 `
" x; A  j# a- F6 T: M- f+ W
图片来自 Analytics India Magazine. c7 h' n0 G& r# H
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。
9 u; V. b& E+ E+ X9 u2 J0 k“深度”的字面意思就是层次比较“深”。. [( _% P3 |' `0 R5 \  ~' [
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。6 n) Y5 j3 h; v# Y; z
1 v* D9 k5 N6 P& |1 E& q& n4 f
图片来自 Towards Data Science 网站
: D" V$ `, r8 e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。
( U1 r& `6 A2 P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。
9 j+ A4 w0 u% `8 W1 q
) w0 S. G' [) G, M- U0 F5 M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。
. N. e/ a5 L9 ?- P, ]1 J! ?; X- b3 q4 g5 S6 {) S$ {
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。/ h* g) m8 S6 S0 V- }
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。
: {, S/ D1 _: O4 Z( R- H9 w8 N" V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。
8 |' q. t6 @* {所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。& n# ]7 X2 k. a8 |2 F2 Z
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”。
0 b/ l1 x* e* w  M这就是神经元的基本原理。( D7 d* [2 U4 q" I$ 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。 4 |7 i9 E) ~1 O5 v: R

1 ]6 a8 H8 ]9 a5 H% k8 z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。
( {7 Z+ s6 S' p( h神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。6 H& F1 y2 i+ b! b" w( N7 S  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。
) U2 `$ I  S  }- Q- i( g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。
# J! `# z& T. Q% |. {4 }7 N二、计算机如何识别手写数字# x, c7 B9 J2 {) J( n+ r+ z
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% u; I3 R- W( {8 `7 ~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。* u6 j- K3 v/ i4 I/ \% |7 {
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?( D' T6 p% o. L+ a- @% u* u
% r9 |& b, O  N$ p( ]5 L2 S3 c
1. 简化8 r! n2 c  w: S* }  H
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
- _, \" k0 S  C7 ?8 _5 b; o# |% e: t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。
) |& t' j; \% N- [4 \
" O/ [$ X$ W# I% _1 l8 O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 g1 b  W  o) f: j/ f. J! P+ j
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。
& l* K, X9 l4 d" s2 t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 —— 6 ^8 w8 M6 n# c8 X- a  p# X
. S. I2 D7 p  l) ^, u! O
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
6 T0 O$ L' ~: a这就完全是一个数学问题了。
1 e3 o2 P2 T& V( V/ ^9 k0 D6 C. y- N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。7 D0 o/ K) Q! x, f* t
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。' A/ E3 T1 W/ [1 [( 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。5 ~1 I  @0 O2 D, R  r2 h$ ~
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。
/ Q5 Y7 a/ s5 E& e9 F* S9 S# v然而,这种人为找规律的思路非常不可行。! c" J: r& ?! G. u) l
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。6 R$ K3 u; [  m3 I: q  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。
6 j) s5 d3 N+ B6 t/ T" [2. 设定8 D2 ~7 a8 k$ u  k0 ^2 {: G: V
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。+ Y* t; Y9 F0 k, k
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。
7 r8 a3 \# w2 |5 Y" C  [3 o1 \$ v; {0 @& M, k: o0 [
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。
1 l* _; d8 ]# @3 g+ t第二层是隐藏层,由15个神经元组成。6 p, w( Z) V6 r( X$ J
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
1 f% O! S- t+ c( w) f, F
' {- }& ]4 M+ {4 O9 r3 b9 b; m& c: H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。
0 P, p' ?' C* k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。
! b4 E% {( S7 _8 f- E) l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。
' z3 S/ b5 Z4 ^+ F# `  O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。
; p9 k0 n5 m* n; N& v) S; P/ V3. 训练8 r+ m0 O6 c8 v# i& P5 h
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 ~4 v9 k- A4 C  d2 L6 E9 j0 S+ h6 F% n
% M& ]. w" a* 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。- g- }8 U2 Z6 l. N. n
. q. P- Z; C# A0 ?' K. U4 ?
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。; D& \% E  N! D$ h7 K
' l# q0 n% w" R' q1 e" f5 M
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。
7 y& w5 w$ @9 z" J2 _9 @3 s8 Y
! g( j& N3 r/ U% |) Q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- a! b- @& q5 h; B% @参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
$ B1 I2 ^8 m' d& M0 D& x* B3 q) N/ H2 u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。; C4 R$ P, z9 p" T5 J' K. G
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。/ u4 Q1 T. ^! 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。5 d6 v5 S8 X' Q
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。& S. x/ K! T- s
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! % a# b; Q" i7 ?# @

6 c; o6 O- u7 C! V- ^3 S: O在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
" U/ D8 ?: L$ {, n' R" x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。" Z& |; D4 r) \6 g2 x
三、卷积网络如何实现图像识别
( @0 Q% w/ F  E7 V' r* {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。
% C9 c$ l+ t7 y9 H- P  B. [1.“笨办法”和人的办法: x9 T4 K/ s' |9 g/ 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。+ J& T2 N. {+ g1 w6 N1 l- W4 s3 @
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。+ S1 O9 z* ]! F- e- T1 s

" P4 a, w8 I( Y8 u2 q+ Q5 q* r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。
0 Y/ R8 F0 B! u8 ?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。9 s3 p0 {6 T( o- Z9 g
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 B, z) |' |8 s5 W9 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。
5 _7 \' S4 D' l' F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。" m& q, B+ U) S- H) u  ?8 f, h: E
这么多训练素材上哪找呢?
" j( Z7 S, H: h" O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。
" H7 n+ l3 Z' E: _1 w. `: u3 f1 \现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
/ U7 n+ x: o: P- I8 G) m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。
6 d+ Y1 }" U  i4 x0 m* \; F) W) q
- O0 ?; [  D# B- j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”。) G' m1 @6 ?3 T8 \; B/ G
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。
7 |8 c8 f/ l3 K4 n+ u2 P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”。% |  l6 p0 {5 V, N* _! C
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。  T2 T* |" B& I3 G  M1 Q* e( w
2.竞赛
! w; G, b7 F- x( u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。7 y& B: ]$ E1 w" l0 h% p: Y
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。
& t* h* M/ ~. V( A* _7 U" K1 j8 K2 r+ l6 N0 h
2 K  y9 z( b; i$ I
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。
" X3 J4 i) [8 l" c9 `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。( Q( T3 [/ l- L2 Z
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。
' p; p$ N. U, X9 Z; F
- E# v% g+ ~& `0 u4 k  ?6 t7 k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。# z: r; `8 V$ P2 o
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
# ?, W  V4 g4 @1 _+ `: z3.卷积网络5 r8 f6 Z: O3 l! }
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。9 y) `% ]* H/ ^# s6 J0 j
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。
3 ?; C/ L; ~2 ]7 r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 z( j* U1 ]# c& f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”。$ J2 J9 F) v' U# A6 ~) 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。
9 u8 P9 Y  k' ~& X# a% W; V2 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。& J! m# Q1 m2 }; g
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。! ^% K1 N) a. ^1 b' b

2 L! \2 k( e$ }/ T1 H' s图片来自cdn.edureka.co
1 K9 ^6 S3 r3 x) y
( _7 w% c5 E5 K; p% ~6 X第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。4 R# s/ ]& k3 E, N" F
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。
: ^/ q* m+ m: l0 N: Y: d& B/ `: s第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
! H0 z) R& M# x8 F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。- F% _: v- b- Z  O
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。
9 J0 e, r* @, F, S& Q6 u" j8 h$ y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。
# h: D+ _2 D' y+ P9 c! X% F% f( z
0 G2 S+ o6 @5 w- t2 j  ~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。9 `; \: ^. w' R4 v8 j' h

+ z8 I- O/ p- L% O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。$ v/ [0 X9 t  X  M
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。
! J! P+ H+ W! |! H0 l( k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。
! i7 g$ ~2 {( y4 r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。: `0 s+ M5 w+ Q
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。
0 |7 D/ o/ ~! K2 K* w2 p7 \0 b* \& r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。% s7 i9 @3 Y# q. r+ o' ?
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)。: g5 t5 ]: R. r9 r
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图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression& K' `! X5 z# f' H5 s# x: ~) {9 J
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。
& F/ ^6 s, D% B( @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。7 G- B; ?' k* h- y* W6 J
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图片来自 Machine Learning Blog# b5 b9 n$ ]& c0 o1 u' @/ O: _9 N

+ m  G! [" L; e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。
5 N; ^: u" S0 M# l1 S  q. G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。# E$ ~9 e  d% N9 e0 d. C( B
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!) c  R- ~. {# s: ]
" N3 @$ b& \* v$ ], C, R
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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/ Z( H8 I* ]8 O1 P# r4.深度学习(不)能干什么& u& {0 u/ q* u& y! j
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。
9 O3 y/ M7 T7 I8 V5 B' ?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。8 f! I2 H2 o& X9 K
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
+ x& z# }/ e' i6 P, Q, V0 K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。
# E; ^5 R1 |; o0 ^/ V5 {3 `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。
- a" E2 J! a, z8 X' ?2 M! d( h深度学习能做一些令人赞叹的事情。' M( S6 f$ |) A: w6 }
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。( Y0 U& l0 s- v( [
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。% s. L( p+ C! e# a% j* \* t& c
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
% o. I* a. p$ M, J# g5 Y" x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。5 b, b, O1 K$ H; |+ w; @
# s5 I3 ]$ Y! _. e3 m' F, [& t
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。
$ N8 h$ c: s0 R2 M  t( D0 y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。. O) }9 n8 `9 T4 {$ W, d
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?5 y1 A3 W! g$ a' W7 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。1 w. |9 P/ u. K: {5 k) z

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嘿,你在看吗?: ^8 z& c8 j4 X& m' l# g
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
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