神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是怎樣理解圖片的？谷歌大腦研究員詳解特征可視化

　　我們總是聽說(shuō)人工智能在圖像識(shí)別上超越了人類，刷臉也逐漸成了生活中司空見(jiàn)慣的事兒。這些圖像識(shí)別技術(shù)背后，通常是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　不過(guò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)究竟是怎樣認(rèn)識(shí)圖像的?

　　△特征可視化能夠告訴我們神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖片中尋找的是什么

　　特征可視化這個(gè)強(qiáng)大的工具，就能幫我們理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的世界，知道它們的工作原理。

　　谷歌研究員Christopher Olah、Alexander Mordvintsev和Ludwig Schubert今天在distill博客上發(fā)文深度探索了特征可視化這個(gè)問(wèn)題，并順便介紹了一些新trick。

　　distill.pub是Olah等人今年3月推出的機(jī)器學(xué)習(xí)網(wǎng)站，會(huì)不定期發(fā)表文章，以可視化、可交互的方式來(lái)展示機(jī)器學(xué)習(xí)研究成果。

　　原文地址：https://distill.pub/2017/feature-visualization/。其中包含大量可交互的示例圖片。

　　下面，量子位對(duì)這篇文章做個(gè)簡(jiǎn)要的介紹：

　　在2015年谷歌推出的DeepDream基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)AI研究界后來(lái)的共同努力，現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)視覺(jué)模型中每一層所檢測(cè)的東西都可以可視化出來(lái)。經(jīng)過(guò)在一層層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的傳遞，會(huì)逐漸對(duì)圖片進(jìn)行抽象：先探測(cè)邊緣，然后用這些邊緣來(lái)檢測(cè)紋理，再用紋理檢測(cè)模式，用模式檢測(cè)物體的部分……

　　上面是ImageNet訓(xùn)練的GoogLeNet的特征可視化圖，我們可以從中看出它的每一層是如何對(duì)圖片進(jìn)行抽象的。

　　在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理圖像的過(guò)程中，單個(gè)的神經(jīng)元是不能理解任何東西的，它們需要協(xié)作。所以，我們也需要理解它們彼此之間如何交互。

　　通過(guò)在神經(jīng)元之間插值，我們可以更好地理解他們是如何彼此交互的。下圖就展示了兩個(gè)神經(jīng)元是如何共同表示圖像的。

　　Distill原文中的這個(gè)例子，能夠動(dòng)手探索不同神經(jīng)元組合在一起會(huì)得到什么結(jié)果。

　　當(dāng)然，這篇文章還介紹了一些特征可視化的trick。

　　在進(jìn)行特征可視化時(shí)，得到的結(jié)果通常會(huì)布滿噪點(diǎn)和無(wú)意義的高頻圖案。這些高頻圖案似乎和strided convolution或者池化關(guān)系密切。

　　△反向傳播時(shí)，每次strided convolution或池化都會(huì)在梯度幅值上創(chuàng)建棋盤格圖案

　　我們想更好地理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是如何工作的，就要避開這些高頻圖案。這時(shí)所用的方法是進(jìn)行預(yù)先規(guī)則化，或者說(shuō)約束。改變梯度也是一種方法，這種優(yōu)化方法稱為預(yù)處理(preconditioning)。

　　當(dāng)然，了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的工作原理，也是增強(qiáng)人工智能可解釋性的一種途徑，而特征可視化正是其中一個(gè)很有潛力的研究方向，谷歌的幾位研究員將其視為幫人類理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基礎(chǔ)模塊，可以與其他工具結(jié)合使用。