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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。. N& Y. F5 J5 X, d: J
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。2 g* ?' |/ C. r- s
读书笔记•人工智能0 g# l: ]* w) V  v' j8 x6 c( f4 W1 y
本文优质度:★★★+口感:拿铁" R2 h' S! c6 O2 S1 ?
阅读前,笔记君邀你思考:* c- }6 _' C" H8 k! u6 O" 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。
' O/ D: Y& [9 l+ }: J+ S% m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”。6 C1 E4 T% b4 {" O0 w- _% z1 q
以下,尽请欣赏~! v1 P* d: r' v0 e( N$ _5 Y
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。2 P+ {+ E) \) \! r% p
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。; L5 V: A( {# _- k3 `) G2 O- E
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。0 I- u1 l" B) y
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。
% M0 U1 G( W! T* A) x9 H1 r( D; T: k4 J; q
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。
; ~" g0 Q7 r% D" B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。
* Q) `! B4 `9 F) l1 C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。5 i' N5 |; O8 I
一、神经网络与深度学习, |9 Q' S  H# ]  }0 x$ G
为什么要了解深度学习?' S. K, a  T3 k1 i2 g' c( N8 k
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。
  t2 B; i# I% S0 `6 a+ a9 v$ `$ X8 z0 i
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
+ p, H% E1 p1 z3 X) R2 Y. h4 n/ V6 f$ W! a( U$ L5 B
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。
& {5 `# g) O' M8 V) ^  p8 x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。. l3 W9 K+ \' R6 W( f
我将重点使用两份参考资料:
5 h" o: A# v2 g" _" ^% S: d3 G
5 o8 ^; g3 F; C# F4 s& V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)。7 y! X: a/ g. e8 r3 k5 @* Q
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 x2 g4 X& `, P3 w$ C% 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。
) g* B9 c. d' T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。
* F: V& Q6 k9 E# H9 X# k% \6 E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 l  t; s0 j- K) @4 b. X  F" F1.没有规则的学习
& v5 p! ~; B2 c9 M2 M) r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。
6 |& c1 c# z. a* V' ~: b: R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。4 `% C; N" |9 a
首先来看人是怎么识别猫的。; A* d1 N2 L# L  K# a  Y! ~
观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、
) E/ o' N3 H/ ?% v# h' C% E; e6 {5 T
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?
4 S  q5 }+ I+ l: j# [& |8 ]) E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。" O) O" f4 d  D' d
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。; O+ a! X: U3 E; Q+ z8 V; B
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?* L# R1 L* F: m1 O1 k+ R
# e' _* `2 ^( J( C
图片来自 design.tutsplus.com
0 ~* }- _3 s6 p' D4 s- J  Y4 X
% d8 t! ~' y# ~- \. p2 `# I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?, {; h. z3 N! M) @- ~( u
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。
) F" ?  Q9 s) A1 c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。( Q2 W4 S( j8 [  g5 S" d
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?. Z6 j; Y! N% W/ d% n
2.神经网络9 W% a! B6 c1 z" z( 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。
- C; T1 b9 Z2 M! a' n; N8 W; l《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。
: ?6 Y. f) @4 ?# v4 L1 {5 ]5 `
) r4 H8 F/ `1 K; n  L1989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。9 `7 m, m" l, k% t# v& @
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。
: I# _" c" J% |. 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?
2 F+ `! E5 C7 w+ P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。3 @6 C! }6 n$ H1 `
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。
! G; P: E8 |$ r8 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。  y+ H6 t" Q1 x; Z( Y
" i( ^% j& h$ m  O
那计算机能不能效法大脑呢?  n' r% \+ [  p/ q. y. [( X
谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
$ K% T5 A9 f8 L9 a第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
3 W/ A6 r8 d' O+ o* Q( R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。3 ]/ O# |& N: F, q7 H
第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。4 I# y0 M7 b) U4 F& B* q4 P
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。
( m7 W& g& ~7 @3 q0 S* R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。9 X. B  M; d" {' h; z, r5 s0 X
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 s3 W, z9 E- }6 {这就是神经网络计算要做的事情。
* ^- b0 B$ @, D% G5 T4 Z- s. ~  E3.什么是“深度学习”5 E: O" ~6 K+ t( G* X4 T
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。
* @( r: @8 E, H  S; x* j
; R: a2 \5 q1 _, R* Q# J# h+ G$ h8 y图片来自 hackernoon.com
, s" F  ]3 X4 ~. ^& _9 b
) E% V( O5 R" _! b% q它从左到右分为三层。
$ S# ?0 [* W" j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。/ t2 i4 B1 k& j( \$ @* F
第二层叫“隐藏层”。% J' K  G* U+ g, @8 o
第三层是“输出层”。
+ m' U, C( P$ G$ o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。
8 a4 ^6 F5 _6 X% O从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
% p9 v- X: @. Y: k6 S+ v2 m' Z$ p/ \' E, u6 ^! C& O8 U
图片来自 Analytics India Magazine$ r; _  J, E1 {  P% A1 n4 A
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。- Z- {( B4 n0 O; L' h0 R$ D6 n
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。2 E% p' ^. E7 B
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 f. H7 E/ c: ^

# L4 u) C; m& e1 q' e; _0 d- H: t图片来自 Towards Data Science 网站5 S6 _% f/ G( a! {2 K" A+ d4 ~
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。
2 v* ]8 U) X% N/ {: |; Y+ X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。2 h$ A$ {0 ~2 p
1 v; x  x4 t7 _7 c
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。
$ R. ^; T. o4 X5 y7 I( T( u5 d! `4 s- F5 a% s6 T
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。
3 v7 ?, d- |8 B& o. h2 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。
; H6 i, T7 A5 E3 K5 H; P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。, }0 }5 ^  ?; N3 s+ a8 }5 _
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
& G- l7 h$ [- H0 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”。7 a- D, s* {1 a  v/ t
这就是神经元的基本原理。& C& @+ A( E  ?% k
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。
' L/ c: ]) U+ [0 k9 a) l
/ `$ b8 [2 n6 H: @% M3 y7 F& V! K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。# A4 N" @6 A" c" X" ~
神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
6 Z2 c7 Y! F& o9 ^+ ]0 T6 Y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。
/ l1 m+ P3 H( C8 y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。2 X1 L* }' T$ z5 H
二、计算机如何识别手写数字
2 z+ j2 O- [2 a; ]6 I+ N7 O  M% e: q6 ]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。, l5 J" T6 ^6 ?8 D0 b
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。  x( s* h8 z8 A  {5 [4 v
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?- n. t) |  J7 P6 J! P8 B$ J

- r* U3 ^2 R) ~" V/ W- s1. 简化
5 M0 Z% `2 u2 k) C想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
0 i& c# a% x* G! 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。
/ `0 l1 ~  e. Z& q' l# i  f
8 _  n/ k9 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?7 d% ?& S0 s3 i0 z9 ]& l5 W
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。
0 D7 B% u. m" \: z) \* V2 c' 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 ——
' W7 j, q6 M: G; e' }4 J
/ p7 y- z( H8 w; f+ D图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
: P4 p$ W; D  k这就完全是一个数学问题了。
7 G$ T: G( V1 f4 U1 L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。! F* P8 ~/ B5 |5 V- w
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
% }+ e0 x) V  C5 t, U! ]" x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。9 h9 _  w  C2 ~* Q
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。6 j- s( M8 V: ~3 ?5 ]6 `5 M7 S
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
9 i7 z6 E. R4 \3 C7 j# J7 \+ f) V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。* S$ C; u4 Z7 E& y5 ~# O; N
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。' ~' v: O' h  Y+ J; f
2. 设定
2 H+ `6 |* C3 \& p/ ^* N! D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。; @9 X9 I& z  K! s; j7 H( `3 Q/ D" O. d
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。
1 _5 W0 w8 F3 [
! ?( ~# ^! [8 I9 o+ _- v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。2 L, B! A' ~8 R) Z3 ]( s
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。6 ?) x4 a! o$ N3 }7 E3 d- W2 M7 Q/ a- k
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。6 i: c& H% e% G0 c# H* `/ F
4 L' C6 N; A2 [9 E# @
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。# N" S4 s& F; x' T& u. |+ ^6 j4 c
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。0 `0 @' C* G1 x4 t9 [6 N, z7 [
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。
- N' [+ z, r  ~# A0 d* \' q  ?4 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。
6 }& U3 f' x/ N8 S  m3. 训练
( j8 C; \1 V; }3 |" b5 r9 }# y- Q% p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。( u) ^, l3 q7 A+ }

# x# p* h& b3 ^2 h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。0 e! J/ ?: F! G$ J9 _
" a$ k8 V5 G# |, ]- H  E
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。
, Z  Z% m' D% S; R- t  o* ~" `: l  B8 L, h+ @
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。
3 |* e3 ?! C7 l" H* O. D8 x! ~1 ^% e! l% @( V4 T
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。
' Q! a, v5 z" m5 H参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。
9 \3 f6 K/ _0 t  `1 P' 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。
; T3 g2 T' t9 @4 F+ p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。5 d4 [, u3 |* d' W4 \  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。
9 U( R% V+ e/ R" K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。0 X) K7 k5 ]( K
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! ! \2 s5 j2 E- s
' p) M, a0 v/ \
在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。0 g# n- M4 R. Q, U1 k5 L5 v
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。
+ t# V" r- a8 D: t5 N三、卷积网络如何实现图像识别' H% J' N  a2 m- I& n$ Z( f( b9 Z$ i% V/ e
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。4 U7 d) W4 G) H. Y" E& W
1.“笨办法”和人的办法
. `' q2 [/ C) g% S7 M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 D; F# l7 D# Q0 O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 W) }: V" T" ~
) h/ U. i) y/ C  c( r$ J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 U) L' s2 y7 x5 ]) f0 v& |
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。% B* K+ x; A. t: c' f' h
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。$ K4 g' ?# W5 Q# W' P6 `
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。
  k* d( }' \6 ?( z& r9 d$ d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 G5 c3 Z; |. j9 `$ N) H这么多训练素材上哪找呢?
1 I8 c6 O* b; A$ L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。0 R8 |" g" j& K" b5 ]; 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。; Q4 T/ p; l+ ?0 N: D+ C! Y' 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。
3 m. n6 H" C8 O' L/ a4 h$ T* M$ t) O4 y+ T" v* p4 K1 s
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  G' K: R( H9 }! d- I9 Q7 @5 ?
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: L. C# {3 A! Y( N
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”。* O- X+ a$ x2 O( m8 H
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。0 m! P4 L/ M) H  X
2.竞赛
4 b; P0 K4 g) f: P, Q. 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。4 U3 |, {: X, G" 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。
8 o% ^2 F6 F* Y' V2 y7 a/ q6 s2 _" Z3 s7 ]" d3 T0 z3 J

2 ^9 |! P9 j# v( j) [& ~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。
* }$ T7 U7 U9 ?6 l/ F8 g' O. t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。
  T& O( s. u0 `% 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。. I5 R6 ]+ Z4 H) t% C. }1 e4 O, v4 ?
" s5 z5 l! S% `% G8 @
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。3 J8 M" _! @, }4 [5 w0 S
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。$ v1 H' B/ f3 Q) k; X4 C2 _
3.卷积网络
- O3 q6 e$ Y% K. q' s1 V! }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。: t; U1 }. Y5 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。
* X5 I- b; f! X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” 。
0 e2 C6 }4 t' x2 q# ^6 t: W' E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”。
4 v6 g1 K9 U% s) P; g“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 P* _8 A& Z) l& L/ j. b! }0 Y* N% X
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。9 L- u  a" n! U! `7 }% e* c& r
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。
. X* H9 N$ x* S3 o/ B  \$ d( x1 w$ S" q$ i4 b5 U# _" s' u3 c
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。
; Z( s: E7 ]* {" `7 |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。
* j$ ~$ s3 I' Y1 W第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。; l0 u& s( {  B1 M0 B% C
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( M6 m, k9 v$ V) y
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。5 H) O; L. p' Z9 i! i! b
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) S! Q. ^; L% x1 X8 c

$ k9 s" ?2 q+ _; J4 v' u" K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。
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% l' P' `( K. b( N  Z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。
3 C( ~- t* ~+ w$ h2 g3 T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。
+ w: E3 q5 v2 s4 Q+ a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。2 n, g+ m+ w: l& A+ g" E8 X1 a1 ?
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。
7 J9 L1 M) d/ Q) H* m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。' ]# N) T7 G$ S- B& ^5 H9 Y
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。
+ r# S  z) a) J* L0 q6 D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)。5 ?- K, m7 E& a2 K' q' m

5 T0 P+ E  D, ~图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression7 _, ?9 C# l( {2 f. l
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。
- r- [4 p6 z# y7 g4 P8 R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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# [2 {8 I3 Q* K5 g- C& |& @/ l图片来自 Machine Learning Blog
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: W3 I$ y5 t( f* Z8 g" Z6 i6 `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。$ j/ R4 y5 {# h2 @
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。
3 W' d2 D% u; F+ W  E: B$ z  S& {& B5 F+ e3 F
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。
7 Z, ?' a8 v; z, _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!
+ a/ v( ^1 u; d! L5 X) M! d5 `/ v8 j' v- a' D' d3 A9 b$ A
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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2 B4 v0 ^; z# h3 u) y4.深度学习(不)能干什么& N! G& Q, F% X; i
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。
% W( _6 p2 Y% l5 n: I( o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。
4 x8 t8 R/ Z3 aGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
) ?7 H4 Y0 x/ n, n& b8 Y, q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。  T& v- S1 a% a; h# V2 L
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。2 t& Z4 P0 Z# F7 S2 ~6 v2 i
深度学习能做一些令人赞叹的事情。
5 w1 p" d6 e1 x% `, l8 `2 o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+ o1 T$ t" U( v7 ?, `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: E( u6 ~& O+ X" Q但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
9 G6 p" I( ^$ q) f- V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。
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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。' G, ^: u9 |3 D8 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。
+ y" M# y0 p4 n- G$ J( A: Q. V9 p+ j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?
- m- y' R3 X6 b  U: M" j) [' U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。
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! v* S, @3 [( n
4 q3 H- r" D, m) \9 D; I, \
嘿,你在看吗?, Z- B: M3 n3 _% y4 V
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw/ a$ A# F# p1 r" t4 H, Q
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