隨著AI的突破持續(xù)吸引公眾注意，人們開(kāi)始不加區(qū)別地使用“人工智能”、“機(jī)器學(xué)習(xí)”、“深度學(xué)習(xí)”等術(shù)語(yǔ)。然而，了解這些術(shù)語(yǔ)的區(qū)別，有助于把握AI技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

人工智能同心圓

我們可以把這三個(gè)術(shù)語(yǔ)想象成三個(gè)同心圓，其中人工智能包含了機(jī)器學(xué)習(xí)，機(jī)器學(xué)習(xí)又包含了深度學(xué)習(xí)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有一些任務(wù)，傳統(tǒng)上認(rèn)為需要通過(guò)人類認(rèn)知活動(dòng)才能完成，開(kāi)發(fā)執(zhí)行這些任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即為人工智能。

而機(jī)器學(xué)習(xí)則是創(chuàng)建從大規(guī)模數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)模式，并提供洞見(jiàn)的系統(tǒng)。機(jī)器學(xué)習(xí)本身可以分為三大類：

監(jiān)督學(xué)習(xí)（supervised learning），理解一組數(shù)據(jù)點(diǎn)和標(biāo)簽之間的關(guān)系，并在未標(biāo)注的數(shù)據(jù)點(diǎn)上給出預(yù)測(cè)。例如，分類是否會(huì)出現(xiàn)不良貸款，預(yù)測(cè)未來(lái)股價(jià)。

無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)（unsupervised learning）則直接基于數(shù)據(jù)集的相似特征識(shí)別有意義的模式。例如，根據(jù)購(gòu)物行為的相似程度聚類消費(fèi)者。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)（reinforcement learning）讓智能體在定義良好的環(huán)境中選擇可能的行動(dòng)，并最大化目標(biāo)函數(shù)（獎(jiǎng)勵(lì)）。我們可以把自動(dòng)駕駛看成一個(gè)強(qiáng)化學(xué)習(xí)問(wèn)題，在公路上（環(huán)境）自動(dòng)行駛的汽車（智能體），最大化其目標(biāo)——不要出事故（獎(jiǎng)勵(lì)）。

最后，深度學(xué)習(xí)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，該技術(shù)利用大規(guī)模數(shù)據(jù)和多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以理解數(shù)據(jù)集的模式。最近在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域的AI突破都是由深度學(xué)習(xí)研究以及算力的日常商品化驅(qū)動(dòng)的。

什么是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？

深度學(xué)習(xí)有眾多架構(gòu)和技術(shù)，以適應(yīng)不同的使用場(chǎng)景，其中一種主要的架構(gòu)和技術(shù)是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，受到哺乳動(dòng)物視覺(jué)腦皮層方面的研究的啟發(fā)，參考了哺乳動(dòng)物使用不同層次的神經(jīng)元感知世界的方式?？梢詫⑦@一模型想象成視覺(jué)皮層的模型，專門(mén)設(shè)計(jì)的不同神經(jīng)元組識(shí)別不同的形狀。每個(gè)神經(jīng)元組看到相應(yīng)目標(biāo)后激活，并和其他神經(jīng)元組互相交流，以發(fā)展出感知目標(biāo)的總體理解。

這一系統(tǒng)可以解釋為分層的神經(jīng)元組，檢測(cè)輸入刺激的低層特性，并互相交流，以發(fā)展對(duì)目標(biāo)的高層檢測(cè)。

第一組神經(jīng)元結(jié)構(gòu)識(shí)別低層特征（例如，臉部的輪廓）

第二組神經(jīng)元結(jié)構(gòu)識(shí)別顏色和形狀（例如，膚色和頜骨轉(zhuǎn)角）

第三組神經(jīng)元結(jié)構(gòu)識(shí)別細(xì)節(jié)（例如，耳朵、鼻子、眼睛）

第四組神經(jīng)元結(jié)構(gòu)整體識(shí)別整個(gè)目標(biāo)（例如，臉部和對(duì)應(yīng)之人）

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，看到給定目標(biāo)后，系統(tǒng)中的不同神經(jīng)元組因目標(biāo)的不同方面而激活，并互相交流以形成整體圖景。

Yann Lecun從這一視覺(jué)腦皮層的層次模型中汲取了靈感，研發(fā)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：

局部連接：每層共享一個(gè)連接，以互相傳遞所學(xué)特征。

層次結(jié)構(gòu)：在不同網(wǎng)絡(luò)層之間有一個(gè)很明顯的層次結(jié)構(gòu)——從低層特征（例如，鼻子，眼睛）到高層特征（臉部、具體的人）。

空間不變性：模型可以適應(yīng)輸入的平移等變換，仍然能夠完成識(shí)別。（人類能夠識(shí)別顛倒或經(jīng)過(guò)其他變換的圖像。）

因此，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)如下圖所示：

典型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其中，輸入數(shù)據(jù)為四維矩陣（樣本數(shù)字，高，寬，頻道）。其中頻道對(duì)應(yīng)色彩，彩圖有3個(gè)頻道（R、G、B），而灰度圖像只有1個(gè)頻道。

輸入數(shù)據(jù)將連接到一個(gè)隱藏層（卷積層），應(yīng)用多個(gè)任意尺寸（通常為3x3或5x5）的過(guò)濾器至圖像?？梢詫⑦^(guò)濾器想象為一個(gè)大小為3x3（或5x5）的小手電，照在輸入圖像上，嘗試提取特征映射?；谔卣饔成洌?a target="_blank">算法可以理解數(shù)據(jù)中的局部特征（眼、耳……），不管其位置如何（平移不變性）。如下圖所示：

池化是一個(gè)降采樣操作，通過(guò)應(yīng)用任意尺寸（步長(zhǎng)）的窗口，在窗口中根據(jù)用戶指定，提取和、最大值、平均值，以降低提取的特征映射的維度。在下面的示意圖中，我們使用的是最大池化，在特征映射的2x2窗口中提取最大值。這一技術(shù)有助于在保留信息的前提下降低維度。

最后是傳統(tǒng)的全連接層，對(duì)卷積習(xí)得的表示進(jìn)行softmax操作，并輸出預(yù)測(cè)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，全連接層包含觀察到特定模式后會(huì)“點(diǎn)亮”的節(jié)點(diǎn)。

從直覺(jué)上說(shuō)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將圖像作為輸入，嘗試使用一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算（卷積、池化）辨認(rèn)不同的小特征（局部連接），不管其位置如何（空間不變性），以理解整個(gè)圖像的內(nèi)容。這些數(shù)學(xué)運(yùn)算牽涉到建模圖像為一系列數(shù)字，其中每個(gè)數(shù)字表示像素亮度（假設(shè)輸入為灰度圖像）。

實(shí)例

我們的數(shù)據(jù)集是72x72網(wǎng)格中的一組幾何圖形（三角形、圓形、矩形）。由于這些是灰度圖像，因此它們只有一個(gè)頻道。下面是一些樣本：

我們將使用python的Keras包實(shí)現(xiàn)一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)在分類這些形狀時(shí)可以達(dá)到98%精確度。

導(dǎo)入依賴：

import numpy as np

import keras

from keras importSequential, optimizers

from keras.layers importDense, Activation

from keras.callbacks importEarlyStopping

from sklearn.metrics import confusion_matrix, accuracy_score

from keras.layers importConv2D, MaxPooling2D, Flatten, Dropout

from keras.utils import np_utils

生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集：

[X_train, Y_train] = generate_dataset_classification(1000, 20, True)

[X_test, Y_test] = generate_test_set_classification()

根據(jù)keras的要求轉(zhuǎn)換標(biāo)簽至類別矩陣，并重整訓(xùn)練集中圖像的形狀：

Y_train = keras.utils.to_categorical(Y_train, 3)

X_train = X_train.reshape(1000,72,72,1)

構(gòu)建模型：

conv_model = Sequential()

conv_model.add(Conv2D(16, (5,5), activation = 'relu', input_shape = (72,72,1)))

conv_model.add(MaxPooling2D((2,2)))

conv_model.add(Conv2D(16, (5,5), activation = 'relu'))

conv_model.add(MaxPooling2D((2,2)))

conv_model.add(Conv2D(16, (5,5), activation = 'relu'))

conv_model.add(MaxPooling2D((2,2)))

conv_model.add(Flatten())

conv_model.add(Dense(3, activation = 'sigmoid'))

編譯、訓(xùn)練模型：

conv_model.compile(optimizer = 'Adam', loss = 'categorical_crossentropy')

conv_model.fit(X_train, Y_train, validation_split = 0.3, epochs = 100, batch_size = 32)

重整測(cè)試集數(shù)據(jù)的形狀，在測(cè)試集上進(jìn)行預(yù)測(cè)，并評(píng)估精確度：

X_test = X_test.reshape(300,72,72,1)

predictions = conv_model.predict_classes(X_test)

print("精確度評(píng)分為 {} %".format(accuracy_score(Y_test, predictions) * 100))

結(jié)果：

精確度評(píng)分為 97.33333333333334 %

結(jié)語(yǔ)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代表了圖像識(shí)別中的重大突破。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)駕駛汽車，人臉識(shí)別系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)診斷等場(chǎng)景都有廣泛應(yīng)用。然而，值得注意的是，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍有提升的空間，而卷積網(wǎng)絡(luò)的適用領(lǐng)域也出現(xiàn)了一些新技術(shù)，比如膠囊網(wǎng)絡(luò)。