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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 22:24:13 | 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。  X4 P" U9 Z4 `4 V; M
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。
1 _/ I- X$ @" W7 U读书笔记•人工智能; l9 h. v0 I+ r
本文优质度:★★★+口感:拿铁7 b' c7 P2 o3 L: u! N4 c0 [. b; Q
阅读前,笔记君邀你思考:! k  o# U1 G/ c' E3 u
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。
, R( J1 d, Y. n, y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”。8 B: Z$ i' t5 y$ v
以下,尽请欣赏~1 L5 U1 \% [8 u, V5 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。
( v# M; J0 ?6 d: Y9 z: D2016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。
2 h% n% x" 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。
# B7 N0 `4 Q/ n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。- E( s% n& s! q+ J! n

: P& r4 F& i+ ?1 h" i( q2019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。" K6 H9 ]% p/ H! A! t
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。0 R" K7 i$ n, {6 M
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。; u6 _8 e% n& ?+ j
一、神经网络与深度学习8 ]2 P9 K" v& X5 Y9 ?
为什么要了解深度学习?
  r# I! p. l1 S/ a0 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。+ C: \6 q1 P+ G5 t, Z8 t8 d
( h/ t& l1 f7 c0 l) X( `9 f
▲ 长按图片保存可分享至朋友圈
$ u* u$ F7 N4 A1 D" s' E( L
5 }2 e9 |6 r, `% @2 z& x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。
8 x$ a0 X5 m2 D. q) 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。. \4 F' Y7 |( b, ]4 [& t
我将重点使用两份参考资料:
& @$ A+ n7 X( m3 H4 S: Z( F, g0 q2 ^! m! N4 I, e8 v) |% Y
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)。. Y9 g+ F  S4 m9 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。6 }7 j9 O: G& n9 Z- B* M
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。
- `! I/ i9 m* S' q3 I. v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。+ b7 i1 N8 B7 n* z$ L
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?* N3 u- o( E1 L5 I2 `1 C3 W
1.没有规则的学习
  w* s- e  s  M8 z' A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。
8 W/ W0 I6 H- q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。
* ?$ g# A% A( `3 Y! a首先来看人是怎么识别猫的。
; u, e* n2 Z7 y' y观察一下这张图,你怎么判断这张照片里有没有猫呢?、、# ~. J' g/ t7 @3 M& }) h; \
+ n' ?0 I! t, v, U* D; n' r
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?
, e, j8 i/ u; Y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。8 c( N: w; ?4 W' q
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。0 |" m; r$ }5 ]& i& Y
再看下面这张图片,你怎么判断 ta 是男还是女呢?, o% m' g  O9 U* ?3 ]7 F9 \

3 x' `; Q% l# F! k- I. f图片来自 design.tutsplus.com
, M7 q  R. W) {( f, h- n2 L
/ X9 `; k. Y6 F+ C( n" C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?
7 B2 V) Q6 {) K' r& C3 i1 ^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。$ v8 a9 O( n" b$ j& D
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。* N: W# k2 u3 g- u( ?
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?: Q) C  c8 {- @  S3 J: q4 w
2.神经网络0 s( J' j6 a7 l' Z( _
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。$ m, p. l( s6 N5 V+ m4 g$ m
《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。2 Y1 d+ X4 ~0 [3 z3 b

- c- Q, U! U1 A, d4 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。
* {& e$ e. L- S9 B1 [/ C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。
. R/ ~- P% ^7 F; b; }3 Z% S5 r2 b$ r6 k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?
- ?, a" _. e# m8 D) 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。9 F: p7 g$ D9 n% z5 a+ T" B1 v
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( Q, ]% F- ~2 V0 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。5 [2 U$ w  I8 Q* Z: K& c/ |& s

! d) O& ]# h+ v/ _! U那计算机能不能效法大脑呢?
7 b( l0 F) K3 o1 k1 o& g谢诺夫斯基说,大脑已经给计算机科学家提供了四个暗示。
- N7 m* N8 n3 b2 p+ R& a# ^8 I1 \& g第一个暗示:大脑是一个强大的模式识别器。2 M. ]1 l; s7 }, e& l' {! i
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。
$ F/ n: T4 S0 j0 Q0 ^: p, N第二个暗示:大脑的识别功能可以通过训练提高。
2 u+ i* ~9 h. {, C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。) T1 s9 Y+ c; \% Z+ 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。
4 g$ F6 u4 D/ m2 k% G. `9 e( Z/ J& q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。3 C2 ~2 a2 t8 [
这就是神经网络计算要做的事情。. n! m6 E7 R: S
3.什么是“深度学习”* k& D, @4 Y6 o# z6 q
下面这张图代表一个最简单的计算机神经网络。 " m$ z& i; ^- G
  H( h# f3 V( f3 T
图片来自 hackernoon.com
$ n! b! k! T& R: w0 y1 Q9 L# r) m& `/ c
它从左到右分为三层。9 s' Y; r& o$ r& b0 p5 j5 P% g
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。
& D" b% D: P; i. d& C7 F, ^7 Z8 p. ?第二层叫“隐藏层”。
( s: L5 J. f- F6 g5 f, P5 H& l" f3 a第三层是“输出层”。( H( a$ |+ C1 ~. H/ A+ D
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。
; M: |8 H9 y. Q& o9 z& ~& j" K+ ]从下面这张图,你可以看到它的运行过程。+ Q: b$ y- b1 d: C4 W+ W
6 X4 _, f! q( j1 N3 c. k
图片来自 Analytics India Magazine2 y% t1 A6 x0 S) t, k$ s8 x$ D
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。5 \& X7 h8 c  ?- M
“深度”的字面意思就是层次比较“深”。4 s- T, a2 [0 n  z" V" a- r: l
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。
7 n! c5 Y, l" W4 c$ K; p# z7 U; j8 x
图片来自 Towards Data Science 网站: a6 Z( _7 ?! }, r; C0 N8 ]
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 J) D7 U7 C. k. J& }; 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。
! I3 T7 Q2 O- D  m
1 I+ q) r0 a# C$ W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。
5 T: x1 `) Z2 O1 G
5 w$ a, p# y' z9 V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 q: D6 e4 _# y5 F+ }) p, t7 @* x
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。
/ ]1 ^0 M6 `5 q% D' N7 s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。
6 a2 [* Z5 F0 j* r0 R7 R( \+ C; i所以计算结果就是:1×(-1) + 0×0 + 0×1 - 0.5 = -1.5。
, X/ k. t' R( P) x9 I5 W: A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”。9 ]+ \; j5 Y( b6 T
这就是神经元的基本原理。7 t0 b, A# a0 o: f. n* R
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。 . b8 `  e" W# T1 A; n
9 q  A( }$ ^. j! 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。
: n* [" S" s) U" F; ?神经元的内部参数,包括权重和偏移值,都是可调的。
3 U$ H8 z' K8 w) U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' C% E3 _/ f
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。
' P# k2 C7 y" u, D3 V/ G二、计算机如何识别手写数字
8 f! }1 |. C' p) Y2 N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。( ^7 f3 G! r2 a% O0 L( u; b" T0 Z
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。/ ~4 W. ^# t1 m, _/ {' P# n9 c
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?
# J! H3 ^1 U* A. R: }3 b9 H' M7 S8 u' d7 W# T' N
1. 简化* }- E! `* {. l. P
想要让计算机处理,首先要把问题“数学化”。
+ P+ D& U0 s. }7 K* V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。
$ C7 ^- o# c4 N7 C1 Q- }7 u! K- V. P+ `
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 X& h+ V( |/ Y0 A+ t0 ~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。& K5 m5 W" g# J% q% y. f& E" X- l
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 ——
0 b/ A8 P: Y3 p7 C" }8 X0 B, M  q! W; I& D1 x  }' I' m) n1 i
图片来自packtpub.com, The MNISTdataset。实际分辨率是28×28
- n& y& V# E# ^9 I2 S! Z# I这就完全是一个数学问题了。
: \* B( K; F" }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。& _- g, W, v5 T) t+ K' \4 B. U
这件事从常理来说并不是一点头绪都没有。
& v/ T; f1 e5 I7 D* N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 B/ ~. W- X9 j7 X. |! R. p
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。
" A* A$ ^2 N# h; g, a2 J2 L然而,这种人为找规律的思路非常不可行。
; h$ E$ x3 }# n+ {/ U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。& V# Y- x' z5 x/ w2 G, J
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。* z/ S% c7 x# b5 w" u, R
2. 设定! U* `+ h" U, h5 ~+ z
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。
3 b, g+ [3 a8 f# I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。# }$ N! L$ F9 y' N; l: T4 H. E

% |3 b1 x1 p+ X+ G" D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。5 P6 s/ w, |( k8 [" N3 l+ Q5 U$ w
第二层是隐藏层,由15个神经元组成。
8 H! l: [6 N; D+ g# ~5 `第三层是输出层,有10个神经元,对应0-9这10个数字。
5 q6 V! ?! m" H' x) y4 Q8 d, U6 v- G- b
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。# [# ^7 x& P# X/ V6 a0 A# O4 l& |! n
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。
: s" ]; |8 q& n3 [( S( J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。
' `- G* O; I! B4 y- `8 W6 G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。
( {) o: x; c- s4 w0 I! q3. 训练
2 ]& `& [1 S3 t. z/ ~0 O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  q$ n+ A, h7 ]$ _- \

" M8 K+ _6 x; f9 A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。
$ C- F, J" l8 Z/ q7 S, m) Z
) n, X% r' w8 b) h3 ?& ~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。. a3 ]3 ^' v4 [7 r% \0 v

, M0 ]. L8 o  }$ K- ^9 {6 s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。
+ C- {9 a8 q9 k1 K/ v6 K" N- d( p4 K* Q0 X' X# D$ l* M# B
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。
3 e7 n* o& j. }' {参数调整有个方向,叫做“误差梯度”。% I& ~% i, J% k! \2 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。: Y* `1 Z& X2 H8 {' ?
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。
! L" S9 W# B' ~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。
. z6 G6 J$ }+ t. n+ r# W- @8 V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。$ D; q/ u: W4 r
事实证明这个简单网络的识别准确率能达到95%! , c6 k! e2 x  q0 O

$ u! l: u" B5 {: Y" U7 J, j在理论上,这个方法可以用来学习识别一切图像。: v5 b+ d+ z9 D
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 U/ Y8 s0 J4 c' B1 P三、卷积网络如何实现图像识别5 H0 F9 U" A; G# C6 Y, j. X  t
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。
+ n$ p9 b; z- `, K* O  e1.“笨办法”和人的办法
5 Q( |" O6 B0 G. U* W- \5 v1 H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。2 l0 a8 |5 w( E; |) ?: ], ^1 Y
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。9 i9 A( U  a" m6 u+ c" O# k
: b7 W6 e$ q& ~( h4 ~
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 |( x( U8 f6 G: Q8 s- I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。
8 _' {) N- D  I9 d; Y. o$ O# F0 |2 a! c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。
: ~9 _7 W  B7 R$ Q9 @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。
$ S7 \- f* D" x- o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。% A6 [7 E' B9 A+ H7 z! H
这么多训练素材上哪找呢?
& v9 A6 `- |/ s% B9 E% b8 @" J) `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。5 Z/ e1 s0 ^+ ^8 F9 m" p
现在我们回到人脑,想想为什么简单神经网络是个笨办法。
$ R8 w1 x9 Y6 U3 Z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。- \/ }9 L/ j/ v  G% G; n- P0 G* Y
" }" r8 j- ?( A) w7 g$ s7 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”。! o5 N$ D8 b$ ^" z1 q# ?
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。4 y( x( X! x) e# S9 n4 \, 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”。7 M0 X: \/ x2 W4 w9 Q
我理解“卷积网络”,就是这两个思路的产物。
1 j/ p( E+ |' b+ Q2.竞赛
2 }, ^8 S! x. F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。& u) |0 x$ A! n( a0 L
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。
5 p3 Z- X, m  k' M% P$ }6 \* @# z( ]2 `+ ]0 ?+ c( E5 h$ M; j

8 r8 D" \8 q0 P4 R2 T( ^, F6 {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。6 v# R% _" P6 `' P. q' H( w
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。
* D* V! j% s" G' b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。/ g! T5 b, C, l& ]( C7 \
! E$ \2 P% ?0 g5 }
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。
- {5 l6 y+ ^& z那2012年到底发生了什么呢?发生了“卷积网络”。
4 u$ V1 |! w$ q) Z3.卷积网络7 s7 y1 F2 s; v" Q* D. g
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。
) b1 p3 ^8 E% E% |0 q+ v1 D/ [! 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。
/ |8 X: A3 @  L% 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” 。
, d" o0 c3 A! Y. E* a* n3 v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”。
. H) E& H8 X  u8 c3 `“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。
/ ?3 y1 J- ~& F/ q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 p) j9 p- J( p+ {, }  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。
, h! u" U  p( x  H6 S) P) H) U1 g% `6 g" R4 `
图片来自cdn.edureka.co# _: d- k2 i1 F
( o$ j+ }  L/ K! p- ^6 b$ f8 A
第一层,是先从像素点中识别一些小尺度的线条结构。# ?" x, C$ R7 Q7 r6 \6 Y3 y
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。; `8 F+ Q* {. a9 b, {
第三层,才是根据这些局部器官识别人脸。5 O8 L) e$ o: b
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。3 x% x% O7 I( W1 @4 u" q+ \5 A) r
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。
% l  M" o3 v4 ]9 V! x9 e* _6 d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。; Y5 \! v6 \; D- ?' a7 s

! S/ `2 ^2 r, Y' X! ?9 j9 _* T) m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。& q6 h: F) T) I4 b% A2 x( @- S7 ]# E
! E/ F% N6 y& @3 z3 j) W" K" g
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。
8 c3 E  [+ D- o+ m4 T) J% H, C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。. g. d! F" ]- l' }" ~. }
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。* g( N: R0 L3 t# L: ~/ h
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。
+ w% y" c4 g/ s: `) c, x/ A$ x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。
7 u0 @4 b, M8 Z6 z: N! ?5 u' 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。
6 w8 b* n/ {$ |  ]$ N* G( J7 N$ T5 i0 b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)。
% ?$ ]2 F  a+ n% H0 r9 C; O# U7 S" E+ |' u, |
图片来自https://datascience.stackexchange.com/questions/17205/feature-extraction-in-convnns-layers-progression
! f. U8 }9 b  h# [  h$ i) T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。
0 z4 }3 K( z8 N0 d! 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。
! W  t& J9 F1 g) B5 T' B- N
% K( G0 E% E1 z- J; \% v图片来自 Machine Learning Blog) v- q5 T) P7 h
8 p% S5 [8 ]; 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。
& `+ \& i+ ?5 k7 i" e7 }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。6 V: V8 M- V# B" E; v
5 m+ j& q/ C9 T+ Z$ I& B3 s
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。
; S1 s7 n3 ^' X1 Q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!& Q, J5 K# R% r7 E5 I
/ P2 Q" V3 J  u1 x8 |5 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。/ n1 e: J) }% e8 @" ^1 J2 s
# g6 _! F* G' k. H! t
4.深度学习(不)能干什么" r+ Q  [  |5 ~
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。
2 ^7 V0 z+ E- t5 l$ {9 i' w' 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。
4 B2 {3 X' s' L4 E' yGoogle还夺得了2014年的ImageNet竞赛冠军。
' M9 }$ i& V  M! \- l+ G2 I; N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。
7 d  h4 ~( P; 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。9 Q" C* h% X! ^) c# K9 O; r" l
深度学习能做一些令人赞叹的事情。' f! X3 o: {  j! r, D5 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。
8 ~- F# Z4 R- E6 u8 C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。: }% C6 R' A9 {0 s
但是蒂莫西·李也提醒了我们深度学习不能做什么。
2 r  w) B4 C4 K* s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。1 A& Y9 T' O3 U& p- q, A9 ]

2 E8 p0 U' e* x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。9 g3 C+ x3 h6 M$ X, p
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; O, i! Y. Q2 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?+ ]* X& s$ C) f* B% r0 |/ v1 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。$ U8 v* F3 i7 A0 k" P/ n) ]
+ i* |0 t8 w& j1 k6 C9 B  T7 v& K

7 c* _9 i/ M# r& e2 j
2 ~' J# Z2 u% C$ g: y: S, ?3 C  L, |) i: F嘿,你在看吗?
, L! b$ ]7 q/ Q7 K+ p来源:http://www.yidianzixun.com/article/0LcQnLfw
7 Q1 X0 p; b" r4 w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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