人工智能之深度學習

人工智能、機器學習和深度學習的深度學習。

人工智能

人工智能先驅(qū)們在達特茅斯開會時，心中的夢想是希望通過當時新興的計算機，打造擁有相當于人類智能的復雜機器。這就是我們所說的“通用人工智能”（General AI）概念，擁有人類五感（甚至更多）、推理能力以及人類思維方式的神奇機器。在電影中我們已經(jīng)看過無數(shù)這樣的機器人，對人類友好的 C-3PO，以及人類的敵人終結(jié)者。通用人工智能機器至今只存在 于電影和科幻小說里，理由很簡單：我們還實現(xiàn)不了，至少目前為止。

我們力所能及的，算是“弱人工智能”（Narrow AI）：執(zhí)行特定任務的水平與人類相當，甚至超越人類的技術(shù)。現(xiàn)實中有很多弱人工智能的例子。這些技術(shù)有人類智能的一面。但是它們是如何做到的？智能來自哪里？這就涉及到下一個同心圓：機器學習。

機器學習

機器學習是實現(xiàn)人工智能的一種方法。機器學習的概念來自早期的人工智能研究者，已經(jīng)研究出的算法包括決策樹學習、歸納邏輯編程、增強學習和貝葉斯網(wǎng)絡等。簡單來說，機器學習就是使用算法分析數(shù)據(jù)，從中學習并做出推斷或預測。與傳統(tǒng)的使用特定指令集手寫軟件不同，我們使用大量數(shù)據(jù)和算法來“訓練”機器，由此帶來機器學習如何完成任務。

許多年來，計算機視覺一直是機器學習最佳的領用領域之一，盡管還需要大量的手動編碼才能完成任務。研究者會手動編寫一些分類器（classifier），如邊緣檢測篩選器，幫助程序辨別物體的邊界；圖形檢測分類器，判斷物體是否有八個面；以及識別“S-T-O-P”的分類器。在這些手動編寫的分類器的基礎上，他們再開發(fā)用于理解圖像的算法，并學習如何判斷是否有停止標志。

但是由于計算機視覺和圖像檢測技術(shù)的滯后，經(jīng)常容易出錯。

深度學習

深度學習是實現(xiàn)機器學習的一種技術(shù)。早期機器學習研究者中還開發(fā)了一種叫人工神經(jīng)網(wǎng)絡的算法，但是發(fā)明之后數(shù)十年都默默無聞。神經(jīng)網(wǎng)絡是受人類大腦的啟發(fā)而來的：神經(jīng)元之間的相互連接關(guān)系。但是，人類大腦中的神經(jīng)元可以與特定范圍內(nèi)的任意神經(jīng)元連接，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳播要經(jīng)歷不同的層，傳播方向也不同。

舉個例子，你可以將一張圖片切分為小塊，然后輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡的第一層中。在第一層中做初步計算，然后神經(jīng)元將數(shù)據(jù)傳至第二層。由第二層神經(jīng)元執(zhí)行任務，依次類推，直到最后一層，然后輸出最終的結(jié)果。

每個神經(jīng)元都會給其輸入指定一個權(quán)重：相對于執(zhí)行的任務該神經(jīng)元的正確和錯誤程度。最終的輸出由這些權(quán)重共同決定。因此，我們再來看看上面提到的停止標志示例。一張停止標志圖像的屬性，被一一細分，然后被神經(jīng)元“檢查”：形狀、顏色、字符、標志大小和是否運動。神經(jīng)網(wǎng)絡的任務是判斷這是否是一個停止標志。它將給出一個“概率向量”（probability vector），這其實是基于權(quán)重做出的猜測結(jié)果。在本文的示例中，系統(tǒng)可能會有 86% 的把握認定圖像是一個停止標志，7% 的把握認為是一個限速標志，等等。網(wǎng)絡架構(gòu)然后會告知神經(jīng)網(wǎng)絡其判斷是否正確。
不過，問題在于即使是最基礎的神經(jīng)網(wǎng)絡也要耗費巨大的計算資源，因此當時不算是一個可行的方法。不過，以多倫多大學 Geoffrey Hinton 教授為首的一小批狂熱研究者們堅持采用這種方法，最終讓超級計算機能夠并行執(zhí)行該算法，并證明該算法的作用。如果我們回到停止標志那個例子，很有可能神經(jīng)網(wǎng)絡受訓練的影響，會經(jīng)常給出錯誤的答案。這說明還需要不斷的訓練。它需要成千上萬張圖片，甚至數(shù)百萬張圖片來訓練，直到神經(jīng)元輸入的權(quán)重調(diào)整到非常精確，幾乎每次都能夠給出正確答案。不過值得慶幸的是Facebook 利用神經(jīng)網(wǎng)絡記住了你母親的面孔；吳恩達 2012 年在谷歌實現(xiàn)了可以識別貓的神經(jīng)網(wǎng)絡。

如今，在某些情況下，通過深度學習訓練過的機器在圖像識別上表現(xiàn)優(yōu)于人類，這包括找貓、識別血液中的癌癥跡象等。谷歌的 AlphaGo 學會了圍棋，并為比賽進行了大量的訓練：不斷的和自己比賽。

總結(jié)

人工智能的根本在于智能，而機器學習則是部署支持人工智能的計算方法。簡單的將，人工智能是科學，機器學習是讓機器變得更加智能的算法，機器學習在某種程度上成就了人工智能。

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