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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。
) H' a( t4 a$ t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。
+ w1 m; d+ }7 V7 C8 L读书笔记•人工智能. D) u V( v$ h& u1 L$ K% ]( T
本文优质度:★★★★★+口感:拿铁2 D7 [2 f& A' G
阅读前,笔记君邀你思考:
2 R0 o- Y' k4 l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。* V! C- g$ i- Z" f3 z
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”。
4 n/ r' _9 [2 D2 B' \# S以下,尽请欣赏~9 _- t# p$ O( _6 ~6 ]. _1 l
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。
: m0 i, ~ h8 [5 J K2016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 ~) m. M! p: ]% t0 q2016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。- _( t2 m/ h( Q/ |% k' w' g; S( I
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。, y- j; R/ P+ o9 u- _4 |* C

4 C% A2 L9 b, D# I) o2019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。
# k& D# z& ]/ O5 H4 H2 ?5 F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。( w. U3 j& |( @! |2 r5 [4 P
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。
+ Y# l8 q$ s% V; L9 W8 C一、神经网络与深度学习# I9 N0 Y" q7 ]' c- I- A
为什么要了解深度学习?
6 \# Z l! v1 P0 S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。
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' i' r& L* Q5 n+ g▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
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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。) n* }* P3 k! u# {
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。
/ m7 o H4 h: H: O我将重点使用两份参考资料:
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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)。' \' @% Q* h2 s0 O/ K4 j! Q$ Y* a
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。8 n* `; y, }( [3 E1 ^ `" O8 V
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 d h6 T6 r5 ?6 @7 h: Y* J7 ?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。
* p3 |; i) w6 _# g g+ ]3 P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?
+ T; w/ N1 m0 ?1.没有规则的学习5 X- n9 _8 B! p0 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。
* L, ~( t7 O* P: d3 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。9 G; t6 N$ K9 Q. P
首先来看人是怎么识别猫的。
~# j" q# q9 [观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
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. W0 s5 _/ `- r4 g7 a8 B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?/ O6 _2 k2 F! r- N
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。7 @7 F S* E9 P( 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。
% f; k" m" Z, _5 D8 D再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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图片来自 design.tutsplus.com" m e+ m+ F; F: x( W- S
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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?0 ^" l7 C; | k4 K" v1 B4 X
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。
8 i/ Q+ M. |) @% {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。
. k2 K# p a& Q9 z0 `: `' @7 W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?' z' i$ D: K" S1 I1 o
2.神经网络
2 R; G, Z2 E0 T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。
+ [& P4 a1 f: F0 c% x& e" z$ f《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。
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8 l$ }2 Y+ t3 s0 M+ {* 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。1 \5 W3 L6 S& N4 v4 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。- A1 L! c+ v# y3 @* i; ^2 U' 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?
- F# W) D! R! }# X& K" d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。
) U4 w' N* h6 l3 n- j0 ^4 s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。$ Y# F4 f$ a- b: m' m' w8 s
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。
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: Q0 I! q \8 l那计算机能不能效法大脑呢?
6 f' |0 S5 B 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。
- p% ~3 p6 I1 q) m第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
$ L- s4 N+ y! k7 t$ L: l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。
* v2 \! M6 j; B* \第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。 P: G% y; m1 I( t. l. V
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。& u+ `" U+ Z. e& B& l. {' ^
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。- ]! s+ F" a- B' j
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。
/ Y1 b# l, z/ B2 V9 T这就是神经网络计算要做的事情。. O) h# ]; t$ F4 J2 F7 F& u# S
3.什么是“深度学习” j% ^) @) X9 Y! {
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 9 ~* s: |) o* Q& U% U8 e2 s0 m

& H$ y+ k n( Z+ z+ v, I1 O& r图片来自 hackernoon.com& { n( [$ l) D' t
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它从左到右分为三层。
% I2 e/ g) }" s' K2 S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。( ?" o" \4 W6 _% b: H J- n
第二层叫“隐藏层”。
& P! M7 d1 \: l, w第三层是“输出层”。7 x( M) W) N' N+ m" [7 ~( K
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。3 ^& H4 O2 w' `/ r6 ]+ X+ J9 ?
从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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8 L f0 \7 O4 z4 b2 {2 ?8 h图片来自 Analytics India Magazine
8 c/ I5 p1 z, r# Y. J, s; ]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。. N/ O! A! H# V" g$ m; U
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。+ L( p2 {. y; u* @1 \" T6 p( i
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。
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4 n& l8 d8 e0 x q# m3 G, P6 L d图片来自 Towards Data Science 网站
3 z4 b; T8 b" a7 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。
8 h9 e/ h; `# }, H1 f, q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。: v: i1 ]0 y' U0 Y4 ]* i$ b+ ^2 b" }
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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。
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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。2 W* ~. o+ t) y- `
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。7 J% I" c. B; N
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。 S0 u# T' W) _7 k, c
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
6 x$ I' U" l' c5 u4 Q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”。
/ Z+ h# I! \+ [( }这就是神经元的基本原理。
. x4 N1 `: w* S6 t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。
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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。
; U0 D L: W% T* A5 Y' M神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
1 `4 r8 ~2 X* {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。
5 P8 c2 }3 T' i P9 K- ~8 n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。5 Q5 U1 R$ r$ O) t- ?! f7 l j+ S; x
二、计算机如何识别手写数字: `" d9 T4 o. @
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。5 Z- a1 i* y0 d, ^. @# g" C. B1 }
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。$ Q1 [1 [* k$ {% Z9 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?) L+ R; C& f c4 D# ~/ i

8 a& w3 W- c$ x1. 简化
8 q8 D9 O& }) J" q B想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。0 w$ a! F' w! @& g; W) e
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。
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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?+ r; [" d8 u; 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。. c }, f4 G# y, L/ d9 ?
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 —— 9 O3 t; Y! W6 p5 H( S
9 p. ?3 r, J$ q y: j" w5 j M) k图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28% h l! `: O7 ~3 D2 \6 ?% @
这就完全是一个数学问题了。
. z- u" T5 l9 v O! g" u- {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。
9 N. S* ~ [, A' u8 C- b" `这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
/ d3 R. W/ W7 v' J6 f4 U$ f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。
* F1 O! D5 g1 Z( s) Y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。$ E0 J+ W" M* l6 p' Q
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。4 h) P' f- ]7 s: l0 X) X! R
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。
8 N) W5 r7 }' E* V. r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。* [) t8 j' y! ^1 z0 T4 s: ^ K
2. 设定/ Z: M; }% `) w6 D" H
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。1 s0 ]. A+ s: q. Z* f
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。
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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。, Z) H4 K- N# Y7 z
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
2 ]- g# t6 R0 x$ D* V第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。" r- a ~2 \2 [+ x- y" U( M
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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。2 g4 `2 f K. F/ 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。& }) j# {7 _, Y3 q s
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。: x' W' ^. W4 ~& O6 E9 t) ]
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。# K' W- h* q, D9 D# ]! y, ?2 O& Q
3. 训练& _; m- W8 {" L u" 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。
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& ?* M/ P# a) s7 i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 S, [( K! I) _
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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。
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! O. i' l) a/ c5 \: f8 q( 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。
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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。: K- t& P% r, M/ n: \
参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
" X6 [8 n0 m0 R4 P2 O7 x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 H0 o) r3 y( Y
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。
) t; Q& D% s. Y* 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。
6 e" S, b. V6 I7 \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。4 u3 P3 p5 S3 P+ L: S1 `% f; s
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%!
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在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。
$ w+ h( [' L* L8 S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。! {4 E3 L. M: @( }( v0 {. G" ~
三、卷积网络如何实现图像识别
8 {) U* d! I9 C+ Q/ r% Z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。
0 v) b5 ^. I5 s7 X0 h1.“笨办法”和人的办法" J" t T) f( J/ P! ?( c
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。5 D- D& v2 D4 ^; j @: w* Q! g5 d
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。
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6 C- @) h1 ^9 \1 `6 d( S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。
5 g* A. E$ h+ f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。! V5 m0 x H# i3 y$ I
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。
) c* _8 f4 _( V: W9 g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。/ J+ z6 Z5 R( ~: p* w M
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。
) K% i4 h8 N. {$ S2 K. Z1 A8 _这么多训练素材上哪找呢?3 u, q3 ~! J1 H# x) L6 I
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。7 h9 q& ?+ i: a' y$ s" a: u
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 X U' j3 R' P# j) D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。
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4 a# [9 {1 O) Z+ o* {8 q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”。
( f# z. ]) B, R- k; ?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。
. L. _8 L' ~0 k. c. K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”。( V0 u4 `/ R0 q+ g7 t7 \
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。) u( ]' g, m1 f9 ~3 y
2.竞赛* x' `& q! A2 z+ a* y
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。. ~6 L- S; L& m& m( ^4 N) n, g, {3 a
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。
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& `+ z* [) J5 S' X( P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。- v7 k9 z" b3 q9 x* D [
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。4 [1 \% @8 T8 G% g/ ]# V7 B9 W- M$ `
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。
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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。. Q! c3 H. m; j( d5 ^5 R1 Y) z
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。* a. Q. E5 E( h8 F, j6 K1 b8 r
3.卷积网络
8 a9 e: b+ X& L2 k- ^( r2012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。
1 D9 G2 F% }. p' I3 t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。6 s1 q$ L+ F% r% l" a. H
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” 。
; I( d: N4 ]( I6 t0 V( U9 }. r2 o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”。
) G9 a) R9 a4 B6 H$ T“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。
7 I% c b' [4 ?% m9 s U2 _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。
1 I( F d$ C5 w" F* X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。
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图片来自cdn.edureka.co
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第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。1 x, A4 U+ D& l* T0 U' g# W, T2 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。
/ e; \" q4 ~1 d4 a `第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
" g b. W4 H1 n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。; V) _7 d3 [$ g; P1 D0 F* I
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。
) F$ N& D+ o K3 H# G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。
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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。2 C, i, T" S9 Y& V4 V: m
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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 ~$ V$ r3 K' i5 D! e
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。$ q2 B n+ n- ^- Y: g4 U
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。
7 a" X8 B7 }8 r0 _1 Q9 h3 t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。! x6 N& O3 f- @: u8 }
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。( D' |5 }3 v# n5 |( {/ W5 d: a
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。
8 G) Q7 L# q6 Q$ k* K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% j) X& R9 L0 E: 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。( V' R4 s; n; ~( Z* `; x
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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图片来自 Machine Learning Blog% o2 k, M E/ v" K7 I* F: V1 h+ e
( h' D. C9 N/ Y
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" ^# T; U( ?2 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。% [; o: u) U8 E0 C. {

0 ]6 Q( \# N) z4 R, E' w8 EAlexNet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。
) [: Z) N" R. ~; Y. }4 n" i( f% t4 h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!7 d5 l7 N6 }2 p0 w% i+ x0 e

! Z# @) }) E' X' p* X- I; i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
4 s1 a w/ L+ \3 k6 aAlexNet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。6 c5 ^# Y& n; I8 y7 Z
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。, N0 }9 i0 h; r, @
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
0 ^1 @, ?8 F# k: Q" c- G+ I# t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。
% F" p6 S( S/ s' g2012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。6 m& H8 H7 `) d
深度学习能做一些令人赞叹的事情。6 r) \$ H+ ?6 q1 E
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。- S# }+ Q/ k5 t8 q# G
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。
- B9 F, C/ W8 Y. T# ?: Q但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
" T% V) W! P& n* |, F2 k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。+ B' a8 ]2 q$ {" T8 ]
2 a+ y) z- k$ E# m- I @- M$ 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。7 N/ p- _- g l6 X) w
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。
; C. {) y3 Q/ e, a" @- @% g' d- 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?
/ L- ^( ]# D0 C3 ]$ F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。% d' x4 y' O k( ~3 |

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% \: q4 k2 B2 u( k9 w% q 嘿,你在看吗? 7 s0 {2 [ l% ?" o
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
9 g5 ^3 J$ ?) K- y" c" i' q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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