寫給人類的機器學習四、神經網路和深度學習

apachecn_飛龍發表於2017-10-18
機器學習神經網路深度學習

四、神經網路和深度學習

原文：Machine Learning for Humans, Part 4: Neural Networks & Deep Learning

作者：Vishal Maini

譯者：飛龍

協議：CC BY-NC-SA 4.0

深度神經網路的工作地點、原因和方式。從大腦中獲取靈感。卷積神經網路（CNN）和迴圈神經網路（RNN）。真實世界中的應用。

使用深度學習，我們仍然是習得一個函式f，將輸入X對映為輸出Y，並使測試資料上的損失最小，就像我們之前那樣。回憶一下，在 2.1 節監督學習中，我們的初始“問題陳述”：

Y = f(X) + ϵ

訓練：機器從帶標籤的訓練資料習得f

測試：機器從不帶標籤的測試資料預測Y

真實世界很亂，所以有時f很複雜。在自然語言問題中，較大的詞彙數量意味著大量特徵。視覺問題設計大量的畫素相關的視覺資訊。玩遊戲需要基於複雜場景做決策，也帶有許多可能的未知。當我們處理的資料不是很複雜時，我們目前涉及的學習機制做的很好。但是，它們如何推廣到像這樣的場景，還不清楚。

深度學習非常善於習得f，特別是在資料很複雜的場景中。實際上，人工神經網路也被成為通用函式近似器，因為它們能夠學習任何函式，無論多麼扭曲，都只需要一個隱藏層。

讓我們看看影像分類的問題。我們選取一張圖片作為輸入，並輸出一個分類（例如狗、貓、車）。

通過圖解，深度神經網路的影像分類解決方式，類似於這樣：

圖片來自 Jeff Clune 在 YouTube 上的一小時深度學習概覽

但是說真的，這是個巨大的數學方程，有數百萬個項和大量引數。假設輸入X是灰度影像，由w*h的畫素亮度矩陣表示。輸出Y是每個分類的概率的向量。也就是說，我們輸出“每個分類是正確標籤”的概率。如果這個神經網路能用的話，最高的概率就是正確的分類。然後，中間的層僅僅計算大量的矩陣相同，通過在每個隱藏層之後，使用非線性變換（啟用函式），對啟用值x的權重求和，來讓神經網路習得非線性函式。

難以置信的是，你可以使用梯度下降，以 2.1 節中我們對線性迴歸所做的相同方式，使損失最小。所以使用大量樣本和大量梯度下降，模型可以習得如何正確分類動物圖片。這個，簡單來說，就是“深度學習”。

深度學習做得好的地方，以及一些歷史

人工神經網路實際上有很長時間了。它們的應用可追溯到控制論（cybernetics，1940s~1960s），連線機制（connectionism，1980s~1990s），之後變成了流行的深度學習。大約在 2006 年，神經網路開始變得“更深”（Goodfellow 等，2016）。但是最近我們才開始觸及它們的全部潛能。

就像 Andrej Karpathy（特斯拉的 AI 總監，它被認為是深度學習的 Shaman）描述的那樣，有四個“將 AI 帶回來”的不同因素：

  • 計算（最明顯的一個：摩爾定律，GPU，ASIC）
  • 資料（以不錯的形式，並不在網際網路上某處，也就是 ImageNet）
  • 演算法（研究和理念，也就是 backprop, CNN, LSTM），以及
  • 基礎設施（你下面的軟體，Linux, TCP/IP, Git, ROS, PR2, AWS, AMT, TensorFlow, 以及其它）（Karpathy, 2016）。

在過去的十年當中，深度學習的全部潛能，最紅被（1）和（2）的進步解鎖，它反過來產生了（3）和（4）的突破。並且這個迴圈仍在繼續，成倍的人們不斷參與到深度學習研究的前線中，沿著這條路（想想你現在做的事情）。

由 NVIDIA 演示，它是一家核彈 GPU 領導廠商。GPU 最開始為遊戲構建，但是最終很好地順應了深度學習所需的平行計算。

在這一章的剩餘部分中，我們提供一些來自生物和統計的被寂靜，來解釋神經網路裡面發生額了什麼，之後討論深度學習的一些神奇應用。最後，我們連結到一些資源，所以你可以自行應用深度學習，甚至穿著睡衣坐在沙發上，拿著筆記本，在特定種類的問題上快速實現超越人類級別的表現。

從大腦中（或者只是統計？）獲取靈感：神經網路中發生了什麼

神經元、特徵學習和抽象層次

當你閱讀這些詞彙的時候，你並沒有檢查每個詞的每個字，或者組成字的每個畫素，來獲得單詞的含義。你從細節中將東西抽象、組裝成高階的概念：詞、短語、句子、段落。

Yuor abiilty to exaimne hgiher-lveel fteaures is waht aollws yuo to unedrtsand waht is hpapening in tihs snetecne wthiout too mcuh troulbe (or myabe yuo sned too mnay dnruk txets).

（你檢測高階特徵的能力，讓你理解句子中發生的東西，而不會太麻煩（或者可能你傳送了大量的亂序文字）。

視覺上發生的事情相同，這並不僅僅在人類，也在動物的視覺系統中。

大腦由神經元組成，它們在足夠“啟用”之後，通過向其他神經元傳送電訊號來“觸發”。這些神經元都是可塑的，根據有多少來自神經元的訊號新增到當前神經元的啟用水平上（大概來說，將神經元彼此連線的權重最後會被訓練，使神經連線更加有用，就像線性迴歸中的引數可以被訓練，來改進輸入到輸出的對映）。

生物和人工神經網路的端到端的演示，來自史丹佛 CS231n。這個比喻不是很嚴謹，生物神經元可以做人工神經元不能做的事，反之亦然。但是理解生物中的靈感十分有用。更多細節請見生物和人工神經元的維基百科的描述。

我們的生物網路以層次方式排列，以便特定神經元最終檢測我們周圍的世界的，不是極其特定的特徵，而是更加抽象的特徵，也就是，更低階的特徵的規律或者分組。例如，人類視覺系統中的紡錘狀臉部區域可特別用於人臉識別。

持續學習抽象特徵的演示，來自 NVIDIA。

人工神經網路如何選取原始畫素輸入，開發中介“神經元”來檢測高階特徵（也就是鼻子的存在），以及組合它們的輸出來建立最終輸出。來自《神經網路和深度學習》（Nielsen, 2017）。

生物神經網路表現出的層次結構最早於 1950s 發現，當研究員 David Hubel 和 Torsten Wiesel 研究貓的視覺皮層中的神經元的時候。在給貓大量刺激之後，它們不能觀察到神經活動：暗點、亮點、揮手、甚至是雜誌上的女性照片。但是在它們的失望中，它們從投影儀中移除了對角線處的照片，它們注意到了一些神經活動。結果是，位於某個特定角度的，對角線上的邊能夠導致特定的神經元被啟用。

這樣就逐漸有意義了，因為自然環境通常是嘈雜和隨機的（想想草原和荒野）。所以當野外的貓感知到一條“邊”的時候，也就是一條不同於背景的線，這可能表明，一個物體或者生物進入了視野範圍。當邊緣的神經元的特定組合被啟用時，這些活動會集體產生更加抽象的活動，以此類推，直到最終的抽象是個有用的概念，比如“鳥”或者“狼”。

深度神經網路背後的概念就是，使用人工神經網路的層次來模擬類似的結構。

為什麼線性模型不能用

為了提煉史丹佛的優秀的深度學習課程，CS231n：卷積神經網路和視覺識別，想象我們打算訓練一個神經網路，使用下列標籤的正確的那個來分類影像：["plane", "car", "bird", "cat", "deer", "dog", "frog", "horse", "ship", "truck"]。

一種方式可能是，使用訓練樣本為每個分類構造一個“模板”，或者平均影像，之後使用最近鄰演算法，在測試期間來度量每個未分類影像的畫素值，到每個模板的距離。總的來說是這樣。這個方法不涉及任何抽象層次。這是個線性模型，將每個影像型別的所有不同的方向組合為一個平均的影子。

例如，它可以選取所有的車，無論它們面向左邊、右邊、中間，也無論它們的顏色，只是將它們平均。模板最終看起來非常模糊。

來自史丹佛 CS231n 第二篇講義的樣本。

要注意，上面的馬的模板出現了兩個頭。這對我們並沒什麼幫助：我們想要能夠分別檢測頭朝右邊或者頭朝左邊的馬，並且如果這些特徵的任何一個被檢測到了，我們就說我們看到了一匹馬。深度神經網路提供給我們這種靈活性，我們會在下一節中看到。

深度神經網路使用抽象層來解決影像分類問題。

為了重複我們在這一節之前解釋的東西：輸入層接受影像的原始畫素亮度。最終的層級會是類概率的輸出向量（也就是影像是貓、車子、馬，以及其他的概率）。

但是我們不習得一個簡單的，和輸入輸出相關的線性模型。我們構造網路中間的隱藏層，它們會漸進學習抽象特徵，這讓我們不會丟失複雜資料中的所有細微差異。

來源：Analytics Vidhya

就像我們描述的動物大腦檢測抽象特徵，隱藏層中的人工神經元會學著檢測抽象概念，無論哪個概念，只要它對於捕捉最多資訊，以及使網路輸出的準確度中的損失最小非常實用（這是個發生在網路中的，無監督學習的例項）。

這損失了模型的可解釋性，因為當你新增更多隱藏層時，神經元開始表示越來越多的抽象和無法理解的特徵。在這個層面上，你可能聽說，深度學習也被稱作“黑箱優化”，其中你基本上只是隨機嘗試一些東西，然後觀察出現了什麼，而無需真正理解裡面發生了什麼。

線性迴歸是可解釋的，因為你決定了模型中包含哪個特徵。深度神經網路難以解釋，因為習得的特徵在任何地方都不能用自然語言解釋。它完全在機器的想象中。

一些值得注意的擴充套件和深層概念

  • 深度學習軟體包。你很少需要從零開始實現神經網路的所有部分，因為現有的庫和工具使深度學習更加易於實現。有許多這類東西：TensorFlow, Caffe, Torch, Keras, 以及其它。

  • 卷積神經網路（CNN）。CNN 特地為接受影像輸入而設計，並且對於計算機視覺任務非常高效。它們也有助於深度增強/強化學習。CNN 的靈感特別來源於動物的視覺皮層的工作方式，並且它們是深度學習課程的熱點。我們已經在文章中引用它了，就是史丹佛 CS231n。

  • 迴圈神經網路（RNN）。RNN 擁有內建記憶的概念，並且非常適合語言問題。它們在強化學習中也很重要，因為它們讓智慧體能夠跟蹤東西在哪裡，以及之前發生了什麼，甚至在那些東西不能一次性看到的時候。Christopher Olah 編寫了一個非常棒的，在語言問題的語境中的， RNN 和 LSTM 的參考文獻。

  • 深度增強/強化學習。這是深度學習研究中的最刺激的領域之一，處在近期研究的核心位置，例如 OpenAI 擊敗了 Dota2 職業玩家，以及 DeepMind 的 AlphaGo 在圍棋競技中勝過人類。我們在第五章會深度，但是本質上的目標是將這篇文章中的所有技術，應用於一個問題，教會智慧體使回報最大。這可以用於與任何可以遊戲化的環境，從真實的遊戲，例如反恐精英或者吃豆人，到無人駕駛的汽車，或者股票交易，最終到真實生活和真實世界。

深度學習應用

深度學習正在重構世界的幾乎每個領域。這裡是深度學習可以做的無法置信的事情的示例：

  • Fackbook 訓練了一個神經網路，由短時記憶加持，來智慧地回答《指環王》情節中的問題。

    來自 FAIR（Facebook AI 實驗室）的研究，將加持了分離的短時記憶的深度神經網路，應用於回答 LOTR 情節的問題。這是史詩級的定義。

  • 無人駕駛的汽車依賴深度學習，用於解決視覺任務，例如理解路面標誌，檢測道路和識別障礙。

    來源：Business Insider

  • 深度學習可以用於有趣的東西，例如藝術生成。一個叫做 Neural Style（神經風格）的工具可以模擬藝術家的風格，並且用它來重新組合另一幅圖片，令人難以置信。

    梵高的《星夜》的風格應用於史丹佛校園的影像上，通過 Justin Johnson 的 neural style 實現：https://github.com/jcjohnson/neural-style

其它值得注意的示例包括：

  • 預測藥物發現中的分子的生物活性。

  • 用於照片和視訊標註的人臉識別。

  • 增強谷歌搜尋的結果。

  • 自然語言理解和生成，也就是谷歌翻譯

  • 火星探索者機器人“好奇號”，基於視覺檢測，自動選取值得檢查的土壤目標。

…以及很多，非常多，太多了。

現在開始去做吧！

對於神經網路如何實際建立，我們這裡沒有涉及太多細節。因為你通過自己實現，更易於理解細節。這裡是一些非常棒的實踐資源，用於起步。

  • 使用谷歌的 Neural Network Playground 玩轉神經網路的架構，來看看不同的配置如何影響網路的效能。

  • 使用這篇谷歌的教程快速準備好並起步：TensorFlow 和深度學習。以超過 99% 的準確度分類手寫數字，你不需要是 PhD，只需要在三個小時內，熟悉 TensorFlow 以及學習深度學習概念。

  • 之後，瀏覽史丹佛 CS231n 的至少前幾篇講義，以及第一個作業，從零開始構建雙層的神經網路，來實際強化這篇文章中涉及的概念。

更多資源

深度學習是個非常廣闊的領域。因此，我們也編譯了一些最佳資源，我們在這個話題中遇到過它們，以便你打算深入瞭解。

下一章：到了玩遊戲的時候了！

最後是第五章：強化/增強學習。


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