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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。
) w) {: `$ R7 q& u l7 \, S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。 F7 o8 v/ |/ r) P& l8 S
读书笔记•人工智能
# \- t0 |7 |4 ^) Z5 h8 q0 K$ h& k本文优质度:★★★★★+口感:拿铁
& j T; @+ d' _% N; C阅读前,笔记君邀你思考:8 g' b4 g% Y0 X0 q t/ Z
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/ y, @& Z. Y# 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”。& s6 g( X+ A- ]& m) L% T) w
以下,尽请欣赏~. o. J# k$ E4 |, }9 g
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。* N: u; |6 b# \6 |
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。
6 ~! D7 X5 E3 n2 w1 Q0 B$ U2016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。
% h4 ^; L0 d% i& G; I9 m* ~8 `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。
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/ z+ s+ Y$ y, c- T3 p5 `* K5 _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。9 I9 ^+ z3 B& E; p) W3 [
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。
# C0 u' H7 `3 B! p" a$ G O( }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。
6 S( D2 v$ M/ M$ i3 ^( ?一、神经网络与深度学习. {# `+ D2 @' K1 R0 v- t9 x5 H
为什么要了解深度学习?4 V5 |: M1 }; M( ^
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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7 k% [* ?# V7 k5 M) [▲ 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。' s) a; O, O* M! W+ l
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。
6 L. i& `2 ^. H7 b2 m( S我将重点使用两份参考资料:
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6 i, P& Y% T# d. k6 ]$ O* E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)。+ g) l- i2 o! Y) z/ H, V4 t9 v
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 ~ J0 ?" m( J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。
* x) d& S( g5 h+ t8 \: X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。
* h) _7 C M0 M- h# j$ 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?
8 t& P q# y2 C G/ P; H1.没有规则的学习
) k t! y( L2 E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。- V7 i% U. L. a3 C- [7 d
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。. z/ k& q0 Z. l' F7 P& J0 R9 Q
首先来看人是怎么识别猫的。
6 g4 `) H. `* g: H观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、+ [8 R, n* a1 W; z4 `6 k

+ ^- [. X1 I# l, {- 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?7 y& ]; p& h+ X: M' G) K/ d7 g( B
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。
9 x) [3 `; t2 ~+ B3 u- p7 l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。
3 A1 u& ]5 \- ], C3 y8 l: _; Q再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?
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1 Y. o0 i* N3 o. p; Q' R图片来自 design.tutsplus.com
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8 g2 g' z w6 \6 W- t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?
- R+ Y& p K# S D- o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。: x \7 t% g- J) J
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。8 T; k: u1 [8 K: [: k
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?- G0 v" y. b7 S- Z2 ?! O
2.神经网络4 m$ o2 H( ?6 l: x( k) q
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。' W" Z4 X" C6 |% x) |
《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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6 E0 ^; I( c8 h7 A# L# I' y1989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。
6 u* Z! [* k5 E6 e$ Q) 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。
! h. O7 X" n! }* g e1 I- g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 h; ^' Q+ c0 ]4 {/ r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。
' g* g! m" Y8 _9 d5 [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。
9 V/ X/ w4 @7 @" v; G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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/ w. R6 g4 L3 K5 @, \1 K0 d6 ~! k那计算机能不能效法大脑呢?
0 S6 d! T) C9 R5 [- m谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
, ~5 Z/ J1 g8 z Y3 {第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。
2 s7 H6 E5 e( T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。
' p. b0 z5 p6 a- O+ z2 r第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
8 N' L, p6 f% Q3 W' l, m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。1 E, Q* d0 V/ h
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。
1 |- u. I$ V, X! M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, C, z3 i1 d u8 K# k这就是神经网络计算要做的事情。
/ V$ _. _5 R) k3 L: L; ]3.什么是“深度学习”
) ^; b& q5 Y+ ]6 w5 v下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 9 f. b- O: b) N4 u, l
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图片来自 hackernoon.com
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! e* D7 n5 S' w; t( }) F它从左到右分为三层。
( S3 R' n* V9 D: o3 [3 R* E, 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。
; L9 x1 F6 ~7 d; e& M! b第二层叫“隐藏层”。
0 T# a4 j& d2 |6 F第三层是“输出层”。" v8 p. J9 \' k% Q' h2 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。
2 d3 M/ u! ~4 ^0 @$ p O从下面这张图,你可以看到它的运行过程。
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图片来自 Analytics India Magazine. i' U2 e! K O) Q
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。* [! c0 \% }0 D9 F! u% O9 C
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。7 P5 C v5 m" X2 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。( z! S9 _) n" c* A
/ u" b" {! N: |) c" K& y& t% z- ^图片来自 Towards Data Science 网站
1 t, J9 j6 y' `' W" K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。
, [3 t4 J0 i; z) Y+ |( t8 ?8 P" [4 N+ v# V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。
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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。+ S8 w' n0 @/ h, _: R h
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。& B ]5 n" ]5 k/ G9 j. a6 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。" N% e; Q4 O+ i' p/ B4 ~6 D
所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。) e+ T$ R9 ^0 l4 p; i6 u
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”。; m4 Z% h; F4 X+ e/ z, r
这就是神经元的基本原理。9 D: |" E2 S/ o5 b! N
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。
* k! K8 q5 p1 P; ]+ X神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
9 [: ^6 f& w/ i3 K4 a# \1 N9 R( ~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。
. U- B* E/ s2 G, t6 r) 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。- w$ g. U8 @ e5 u8 z
二、计算机如何识别手写数字
3 A8 i3 E; k( i, q- C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。* g, l" B+ U! H% L) D, j4 e
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。
8 ?& x* Y! G8 K* ^- j; u5 |/ p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?1 Y& E$ w( U) V% D' F* @0 a" m
$ z( s6 D8 r* i! Q' [
1. 简化
; f8 g+ W8 s! m想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
% y* j* U# l4 ?' x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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# J+ Q6 W' O0 W; U. Z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?& a4 q- H% D" ^* D7 u
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. `7 _1 ^: n& E
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 ——
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图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×289 R. o0 y1 A" B# n- f
这就完全是一个数学问题了。
& I) j4 c$ w1 L' }8 [0 _5 T, t _) y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。
( `0 h8 w) F O: X* K这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
" q7 s& {1 L, x4 i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。
: b% v0 a; G8 d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。- @- y7 z0 |- z o
然而,这种人为找规律的思路非常不可行。 I/ S8 P2 e1 Z2 w) p
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。/ Q! ?. \' M- K5 S
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。) j+ q/ Z4 C8 N- S& D3 `0 x3 }/ {, J
2. 设定; p' O1 S% W8 l% r# n4 P A
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。# n8 _3 m' t( s2 Q! E- c: G
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。% _2 `/ |' |- A- o4 _1 X

* f7 G+ z3 P& T" 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。" }- H6 C; S* C; }/ ?
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。4 ]4 D- e9 j: w) s! x
第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
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2 Q5 b) r. K; D+ V) V0 n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。( W, A) Z2 l( p" s3 a. ?0 ]
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。
8 o2 T c6 k1 J0 C$ A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。
- l; y- t8 d# y1 S/ p' F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。
1 ?1 T9 K7 Y3 f' k0 H/ E0 a8 ?4 B- t3. 训练
) n4 H, l( d0 j* [3 q8 i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。. \4 V, u" @, O# r

5 H [( |: y8 M4 P) g9 e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。
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) \7 k0 U& P2 l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。( @) N9 e3 W( j- K# k

* o0 G$ b0 v8 I. K0 u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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/ H# R, [4 r, j6 o; 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。
K$ b2 O8 ~- Y% ~1 Z! i参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。/ p$ H; V0 Y d0 s" z
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。: R4 Z/ i' l- ]/ N
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。
- r: P& |" c: m: S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。& H3 r5 M: i9 e% _" B
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。
6 H, u. y/ W$ @ N! {* t; ]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。
" W0 J* B: O: H- [& u& V" Z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 L) T0 Q2 E0 ]4 Z* A8 y( m+ _三、卷积网络如何实现图像识别& K9 F7 Z4 q t1 r7 K
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。
" a4 ?4 X0 |9 R1.“笨办法”和人的办法) g/ v2 F1 w, \, e1 z! [$ ^5 u
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。, }; f; y- d; S6 U/ C0 x0 L. 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。 Y4 g9 z6 Q* g. a) I

+ x' m# w, C9 l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。
" J: f5 @! j# p- 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。
4 ^ W5 ^" d, Q8 q( R4 ]0 ]6 Y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。
5 d) N( M P/ t; ~5 _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。
8 r* F# @7 t' L2 X; ^ m1 T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。
: y6 \1 }) K# O# G这么多训练素材上哪找呢?
4 e2 @/ L) e9 A% T; {5 X5 J0 ]3 g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。
$ c! b% F! E1 A. h- d3 X2 f: A+ y现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
9 D5 d2 Y- s, e$ }; v& L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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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”。: x* b- A J/ h/ P: B! f% p4 n
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。3 T6 f4 f% {4 V0 \) S4 r- x
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% j, V7 }1 I% s我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
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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。
+ c: S: H4 \$ _' M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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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。
) S( n5 Y$ b7 s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 V/ v% h7 X7 r; E( @% y6 a; K
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。; u9 i5 E7 N! ^+ X
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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。, W1 D3 a7 T+ v
那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
# A) O0 C9 s, ^; Z7 O) ? m8 Z3.卷积网络
8 s' h6 S1 v, p, {, }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。4 J4 {7 |$ o4 g1 E2 `7 k7 _
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 \3 @2 m. @! Z; B: 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” 。
. @( b7 t! o) a& Z% I. @+ X+ c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”。- H3 `# t- N" t8 S# G- ^% W
“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。
* u( D$ Y; A- D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。
+ z& H! H& A; y7 O4 |8 ^* U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。6 ]% u7 S7 E% y
; K/ u. h% D2 U图片来自cdn.edureka.co
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, j/ L: w: x, z第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。
0 @/ }8 S. x% p6 t! N. k/ ?7 |' Z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。, M8 a9 {2 V0 ^) i E M" {
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。
0 ^; \9 J S& A1 M* [8 _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。! [: [1 U) e+ a7 Y5 W" r0 J2 G$ q
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。/ G3 o& V& I+ ]8 W' m
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。: _1 {' Y2 ^6 r; [( h p
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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。5 e, E4 J" B- O5 J

. v# G3 c- }1 {" \; v: | B( I1 `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 L3 q/ }# @
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。+ W9 y$ l$ l2 C ]
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。4 \+ x# F; e' M1 D. F. g5 w
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。
9 N" ^- }1 t A$ n4 s$ 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。
) b& O6 I- s7 f+ F/ L2 p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。
; s& P# b* E0 @. {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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, `% `) Y2 ^1 |图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression2 J# m2 d$ {+ D1 G5 H9 j$ v5 ?
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。. q. p# k1 R+ g z
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。) M; I' \6 L, G5 x" C1 C

& U) W* N ~! C. X图片来自 Machine Learning Blog! Z2 S) E, S8 k1 S& d! U7 ]3 Q% u
) B) _1 C5 c$ ?5 V" t8 Q5 H K
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。
) U1 _1 \; F+ o. P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。9 l+ r$ ]! I' m9 b# p* Q; h1 u
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。
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4.深度学习(不)能干什么
i6 _& A9 a$ wAlexNet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。- t: W# a R7 f6 u5 ]9 R: G2 k) {+ ~
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。0 y9 a" I8 p, H6 k# V ^, g0 U o5 _
Google还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
8 I8 D2 ?0 J* q; y3 h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。+ W& |4 n- L/ T" \
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。
( b4 o2 `4 G) w( d深度学习能做一些令人赞叹的事情。
; H3 p w; h- a8 R" c5 v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。# b- ^5 u2 N" W* `' a
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。
) B' i0 M) A \5 Q9 G& }但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
* j# m* }6 x3 h6 i- `& H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。) R( R; Z, D$ p/ H _' H
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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。
) U0 v3 [* A [+ Q# V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。. w1 V; f: q: t7 U7 [8 d* c
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?
2 q& Z# ~# }5 i+ c9 w+ \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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嘿,你在看吗? " D6 k' X# Y: _" f$ a
来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
1 h: N$ L# D% `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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