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一文看懂人工智能、机器学习、深度学习与神经网络之间的区别与关系

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刚刚接触人工智能的内容时,经常性的会看到人工智能,机器学习,深度学习还有神经网络的不同的术语,一个个都很高冷,以致于傻傻分不清到底它们之间是什么样的关系,很多时候都认为是一个东西的不同表达而已,看了一些具体的介绍后才渐渐有了一个大体的模型。

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人工智能:为机器赋予人的智能

早在1956年夏天那次会议,人工智能的先驱们就梦想着用当时刚刚出现的计算机来构造复杂的、拥有与人类智慧同样本质特性的机器。这就是我们现在所说的“强人工智能”(General AI)。这个无所不能的机器,它有着我们所有的感知(甚至比人更多),我们所有的理性,可以像我们一样思考。

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人们在电影里也总是看到这样的机器:友好的,像星球大战中的C-3PO;邪恶的,如终结者。强人工智能现在还只存在于电影和科幻小说中,原因不难理解,我们还没法实现它们,至少目前还不行。

我们目前能实现的,一般被称为“弱人工智能”(Narrow AI)。弱人工智能是能够与人一样,甚至比人更好地执行特定任务的技术。例如图像分类或者人脸识别。这些是弱人工智能在实践中的例子。这些技术实现的是人类智能的一些具体的局部。但它们是如何实现的?这种智能是从何而来?这就带我们来到下一层,机器学习。

 

机器学习:一种实现人工智能的方法

机器学习(Machine Learning, ML)是一门多领域交叉学科,涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。

机器学习是人工智能的核心,是使计算机具有智能的根本途径,其应用遍及人工智能的各个领域,它主要使用归纳、综合而不是演绎。

机器学习最基本的做法,是使用算法来解析数据、从中学习,然后对真实世界中的事件做出决策和预测。

与传统的为解决特定任务、硬编码的软件程序不同,机器学习是用大量的数据来“训练”,通过各种算法从数据中学习如何完成任务。

机器学习最成功的应用领域是计算机视觉,虽然也还是需要大量的手工编码来完成工作。人们需要手工编写分类器、边缘检测滤波器,以便让程序能识别物体从哪里开始,到哪里结束;写形状检测程序来判断检测对象是不是有八条边;写分类器来识别字母“STOP”。使用以上这些手工编写的分类器,人们总算可以开发算法来感知图像,判断图像是不是一个停止标志牌。

机器学习有三类:

第一类是无监督学习,指的是从信息出发自动寻找规律,并将其分成各种类别,有时也称"聚类问题"。

第二类是监督学习,监督学习指的是给历史一个标签,运用模型预测结果。如有一个水果,我们根据水果的形状和颜色去判断到底是香蕉还是苹果,这就是一个监督学习的例子。

最后一类为强化学习,是指可以用来支持人们去做决策和规划的一个学习方式,它是对人的一些动作、行为产生奖励的回馈机制,通过这个回馈机制促进学习,这与人类的学习相似,所以强化学习是目前研究的重要方向之一。

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深度学习:一种实现机器学习的技术

机器学习同深度学习之间是有区别的,机器学习是指计算机的算法能够像人一样,从数据中找到信息,从而学习一些规律。虽然深度学习是机器学习的一种,但深度学习是利用深度的神经网络,将模型处理得更为复杂,从而使模型对数据的理解更加深入。

深度学习是机器学习中一种基于对数据进行表征学习的方法。深度学习是机器学习研究中的一个新的领域,其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络,它模仿人脑的机制来解释数据,例如图像,声音和文本。

同机器学习方法一样,深度机器学习方法也有监督学习与无监督学习之分。不同的学习框架下建立的学习模型很是不同。例如,卷积神经网络(Convolutional neural networks,简称CNNs)就是一种深度的监督学习下的机器学习模型,而深度置信网(Deep Belief Nets,简称DBNs)就是一种无监督学习下的机器学习模型。

 

神经网络:一种机器学习的算法

神经网络在设计的时候就是模仿人脑的处理方式,希望其可以按人类大脑的逻辑运行(尽管目前来说对人脑的研究仍不够透彻)。神经网络已经有很多年的历史,但现在基本很少听到了。饮鹿网(innov100)产业研究员认为神经网络可以简单的分为单层,双层,以及多层网络。神经网络在之前有非常多的问题,层数无法深入过多,有太多的参数需要调节,样本数据量过小等问题。总之,其之前是一门并不被看好的技术。直到2006年,Hinton在《Science》和相关期刊上发表了论文,首次提出了“深度信念网络”的概念。

关于神经网络的介绍在网上有很多很多了,有不少大牛的介绍和课程,下面做了一个不完全的总结图如下:

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参考资料:《神经网络浅讲:从神经元到深度学习》

https://www.cnblogs.com/subconscious/p/5058741.html

人工神经网络(Artificial Neural Networks)是早期机器学习中的一个重要的算法,历经数十年风风雨雨。神经网络的原理是受我们大脑的生理结构——互相交叉相连的神经元启发。但与大脑中一个神经元可以连接一定距离内的任意神经元不同,人工神经网络具有离散的层、连接和数据传播的方向。

例如,我们可以把一幅图像切分成图像块,输入到神经网络的第一层。在第一层的每一个神经元都把数据传递到第二层。第二层的神经元也是完成类似的工作,把数据传递到第三层,以此类推,直到最后一层,然后生成结果。

每一个神经元都为它的输入分配权重,这个权重的正确与否与其执行的任务直接相关。最终的输出由这些权重加总来决定。

我们以“停止(Stop)标志牌”为例,将一个停止标志牌图像的所有元素都打碎,然后用神经元进行“检查”:八边形的外形、消防车般的红颜色、鲜明突出的字母、交通标志的典型尺寸和静止不动运动特性等等。神经网络的任务就是给出结论,它到底是不是一个停止标志牌。神经网络会根据所有权重,给出一个经过深思熟虑的猜测——“概率向量”。

回过头来看这个停止标志识别的例子。神经网络是调制、训练出来的,时不时还是很容易出错的。它最需要的,就是训练。需要成百上千甚至几百万张图像来训练,直到神经元的输入的权值都被调制得十分精确,无论是否有雾,晴天还是雨天,每次都能得到正确的结果。

只有这个时候,我们才可以说神经网络成功地自学习到一个停止标志的样子;或者在Facebook的应用里,神经网络自学习了你妈妈的脸;又或者是2012年吴恩达(Andrew Ng)教授在Google实现了神经网络学习到猫的样子等等。

吴教授的突破在于,把这些神经网络从基础上显著地增大了。层数非常多,神经元也非常多,然后给系统输入海量的数据,来训练网络。在吴教授这里,数据是一千万YouTube视频中的图像。吴教授为深度学习(deep learning)加入了“深度”(deep)。这里的“深度”就是说神经网络中众多的层。

现在,经过深度学习训练的图像识别,在一些场景中甚至可以比人做得更好:从识别猫,到辨别血液中癌症的早期成分,到识别核磁共振成像中的肿瘤。Google的AlphaGo先是学会了如何下围棋,然后与它自己下棋训练。它训练自己神经网络的方法,就是不断地与自己下棋,反复地下,永不停歇。

 

人工智能的研究领域和分支

人工智能研究的领域主要有五层:

1、最底层是基础设施建设,包含数据和计算能力两部分,数据越大,人工智能的能力越强。

2、往上一层为算法,如卷积神经网络、LSTM 序列学习、Q-Learning、深度学习等算法,都是机器学习的算法。

3、第三层为重要的技术方向和问题,如计算机视觉,语音工程,自然语言处理等。还有另外的一些类似决策系统,像 reinforcement learning(编辑注:增强学习),或像一些大数据分析的统计系统,这些都能在机器学习算法上产生。

4、第四层为具体的技术,如图像识别、语音识别、机器翻译等等。

5、最顶端为行业的解决方案,如人工智能在金融、医疗、互联网、交通和游戏等上的应用,这是我们所关心它能带来的价值。

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人工智能的应用场景

1、计算机视觉

2000年左右,人们开始用机器学习,用人工特征来做比较好的计算机视觉系统。如车牌识别、安防、人脸等技术。而深度学习则逐渐运用机器代替人工来学习特征,扩大了其应用场景,如无人车、电商等领域。

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2、语音技术

2010 年后,深度学习的广泛应用使语音识别的准确率大幅提升,像 Siri、Voice Search 和 Echo 等,可以实现不同语言间的交流,从语音中说一段话,随之将其翻译为另一种文字;再如智能助手,你可以对手机说一段话,它能帮助你完成一些任务。与图像相比,自然语言更难、更复杂,不仅需要认知,还需要理解。

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3、自然语言处理

目前一个比较重大的突破是机器翻译,这大大提高了原来的机器翻译水平,举个例子,Google 的 Translation 系统,是人工智能的一个标杆性的事件。2010 年左右, IBM 的"Watson"系统在一档综艺节目上,和人类冠军进行自然语言的问答并获胜,代表了计算机能力的显著提高。

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4、决策系统

决策系统的发展是随着棋类问题的解决而不断提升,从 80 年代西洋跳棋开始,到 90 年代的国际象棋对弈,机器的胜利都标志了科技的进步,决策系统可以在自动化、量化投资等系统上广泛应用。

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5、大数据应用

可以通过你之前看到的文章,理解你所喜欢的内容而进行更精准的推荐;分析各个股票的行情,进行量化交易;分析所有的像客户的一些喜好而进行精准的营销等。机器通过一系列的数据进行判别,找出最适合的一些策略而反馈给我们。

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人工智能的未来之路

1、在计算机视觉上,未来的人工智能应更加注重效果的优化,加强计算机视觉在不同场景、问题上的应用。

2、在语音场景下,当前的语音识别虽然在特定的场景(安静的环境)下,已经能够得到和人类相似的水平。但在噪音情景下仍有挑战,如原场识别、口语、方言等长尾内容。未来需增强计算能力、提高数据量和提升算法等来解决这个问题。

3、在自然语言处理中,机器的优势在于拥有更多的记忆能力,但却欠缺语意理解能力,包括对口语不规范的用语识别和认知等。人说话时,是与物理事件学相联系的,比如一个人说电脑,人知道这个电脑意味着什么,或者它是能够干些什么,而在自然语言里,它仅仅将"电脑"作为一个孤立的词,不会去产生类似的联想,自然语言的联想只是通过在文本上和其他所共现的一些词的联想, 并不是物理事件里的联想。所以如果要真的解决自然语言的问题,将来需要去建立从文本到物理事件的一个映射,但目前仍没有很好的解决方法。因此,这是未来着重考虑的一个研究方向。

4、当下的决策规划系统存在两个问题,第一是不通用,即学习知识的不可迁移性,如用一个方法学了下围棋,不能直接将该方法转移到下象棋中,第二是大量模拟数据。所以它有两个目标,一个是算法的提升,如何解决数据稀少或怎么自动能够产生模拟数据的问题,另一个是自适应能力,当数据产生变化的时候,它能够去适应变化,而不是能力有所下降。所有一系列这些问题,都是下一个五或十年我们希望很快解决的。

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参考链接:

https://www.qcloud.com/community/article/666041

http://www.cnbruce.com/blog/showlog.asp?log_id=1422 

https://www.cnblogs.com/dadadechengzi/articles/6575767.html

引导页

2019年10月15日 13:43
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