人工智能入门——神经网络——最易懂最清晰的一篇文章（下）
五.多层神经网络（深度学习）
1.引子
在被人摒弃的10年中，有几个学者仍然在坚持研究。这其中的棋手就是加拿大多伦多大学的GeofferyHinton教授。
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。与传统的训练方式不同，“深度信念网络”有一个“预训练”（pre-training）的过程，这可以方便的让神经网络中的权值找到一个接近最优解的值，之后再使用“微调”(fine-tuning)技术来对整个网络进行优化训练。这两个技术的运用大幅度减少了训练多层神经网络的时间。他给多层神经网络相关的学习方法赋予了一个新名词--“深度学习”。
很快，深度学习在语音识别领域暂露头角。接着，2012年，深度学习技术又在图像识别领域大展拳脚。Hinton与他的学生在ImageNet竞赛中，用多层的卷积神经网络成功地对包含一千类别的一百万张图片进行了训练，取得了分类错误率15%的好成绩，这个成绩比第二名高了近11个百分点，充分证明了多层神经网络识别效果的优越性。
在这之后，关于深度神经网络的研究与应用不断涌现。
图29GeofferyHinton
由于篇幅原因，本文不介绍CNN（ConventionalNeuralNetwork，卷积神经网络）与RNN（RecurrentNeuralNetwork，递归神经网络）的架构，下面我们只讨论普通的多层神经网络。
2.结构
我们延续两层神经网络的方式来设计一个多层神经网络。
在两层神经网络的输出层后面，继续添加层次。原来的输出层变成中间层，新加的层次成为新的输出层。所以可以得到下图。
图30多层神经网络
依照这样的方式不断添加，我们可以得到更多层的多层神经网络。公式推导的话其实跟两层神经网络类似，使用矩阵运算的话就仅仅是加一个公式而已。
在已知输入a(1)，参数W(1)，W(2)，W(3)的情况下，输出z的推导公式如下：
g(W(1) * a(1))= a(2);
g(W(2) * a(2))= a(3);
g(W(3) * a(3))= z;
多层神经网络中，输出也是按照一层一层的方式来计算。从最外面的层开始，算出所有单元的值以后，再继续计算更深一层。只有当前层所有单元的值都计算完毕以后，才会算下一层。有点像计算向前不断推进的感觉。所以这个过程叫做“正向传播”。
下面讨论一下多层神经网络中的参数。
首先我们看第一张图，可以看出W(1)中有6个参数，W(2)中有4个参数，W(3)中有6个参数，所以整个神经网络中的参数有16个（这里我们不考虑偏置节点，下同）。
图31多层神经网络（较少参数）
假设我们将中间层的节点数做一下调整。第一个中间层改为3个单元，第二个中间层改为4个单元。
经过调整以后，整个网络的参数变成了33个。
图32多层神经网络（较多参数）
虽然层数保持不变，但是第二个神经网络的参数数量却是第一个神经网络的接近两倍之多，从而带来了更好的表示（represention）能力。表示能力是多层神经网络的一个重要性质，下面会做介绍。
在参数一致的情况下，我们也可以获得一个“更深”的网络。
图33多层神经网络（更深的层次）
上图的网络中，虽然参数数量仍然是33，但却有4个中间层，是原来层数的接近两倍。这意味着一样的参数数量，可以用更深的层次去表达。
3.效果
与两层层神经网络不同。多层神经网络中的层数增加了很多。
增加更多的层次有什么好处？更深入的表示特征，以及更强的函数模拟能力。
更深入的表示特征可以这样理解，随着网络的层数增加，每一层对于前一层次的抽象表示更深入。在神经网络中，每一层神经元学习到的是前一层神经元值的更抽象的表示。例如第一个隐藏层学习到的是“边缘”的特征，第二个隐藏层学习到的是由“边缘”组成的“形状”的特征，第三个隐藏层学习到的是由“形状”组成的“图案”的特征，最后的隐藏层学习到的是由“图案”组成的“目标”的特征。通过抽取更抽象的特征来对事物进行区分，从而获得更好的区分与分类能力。
关于逐层特征学习的例子，可以参考下图。
图34多层神经网络（特征学习）
更强的函数模拟能力是由于随着层数的增加，整个网络的参数就越多。而神经网络其实本质就是模拟特征与目标之间的真实关系函数的方法，更多的参数意味着其模拟的函数可以更加的复杂，可以有更多的容量（capcity）去拟合真正的关系。
通过研究发现，在参数数量一样的情况下，更深的网络往往具有比浅层的网络更好的识别效率。这点也在ImageNet的多次大赛中得到了证实。从2012年起，每年获得ImageNet冠军的深度神经网络的层数逐年增加，2015年最好的方法GoogleNet是一个多达22层的神经网络。
在最新一届的ImageNet大赛上，目前拿到最好成绩的MSRA团队的方法使用的更是一个深达152层的网络！关于这个方法更多的信息有兴趣的可以查阅ImageNet网站。
4.训练
在单层神经网络时，我们使用的激活函数是sgn函数。到了两层神经网络时，我们使用的最多的是sigmoid函数。而到了多层神经网络时，通过一系列的研究发现，ReLU函数在训练多层神经网络时，更容易收敛，并且预测性能更好。因此，目前在深度学习中，最流行的非线性函数是ReLU函数。ReLU函数不是传统的非线性函数，而是分段线性函数。其表达式非常简单，就是y=max(x,0)。简而言之，在x大于0，输出就是输入，而在x小于0时，输出就保持为0。这种函数的设计启发来自于生物神经元对于激励的线性响应，以及当低于某个阈值后就不再响应的模拟。
在多层神经网络中，训练的主题仍然是优化和泛化。当使用足够强的计算芯片（例如GPU图形加速卡）时，梯度下降算法以及反向传播算法在多层神经网络中的训练中仍然工作的很好。目前学术界主要的研究既在于开发新的算法，也在于对这两个算法进行不断的优化，例如，增加了一种带动量因子（momentum）的梯度下降算法。
在深度学习中，泛化技术变的比以往更加的重要。这主要是因为神经网络的层数增加了，参数也增加了，表示能力大幅度增强，很容易出现过拟合现象。因此正则化技术就显得十分重要。目前，Dropout技术，以及数据扩容（Data-Augmentation）技术是目前使用的最多的正则化技术。
5.影响
目前，深度神经网络在人工智能界占据统治地位。但凡有关人工智能的产业报道，必然离不开深度学习。神经网络界当下的四位引领者除了前文所说的Ng，Hinton以外，还有CNN的发明人YannLecun，以及《DeepLearning》的作者Bengio。
前段时间一直对人工智能持谨慎态度的马斯克，搞了一个OpenAI项目，邀请Bengio作为高级顾问。马斯克认为，人工智能技术不应该掌握在大公司如Google，Facebook的手里，更应该作为一种开放技术，让所有人都可以参与研究。马斯克的这种精神值得让人敬佩。
图35YannLeCun（左）和 YoshuaBengio（右）
多层神经网络的研究仍在进行中。现在最为火热的研究技术包括RNN，LSTM等，研究方向则是图像理解方面。图像理解技术是给计算机一幅图片，让它用语言来表达这幅图片的意思。ImageNet竞赛也在不断召开，有更多的方法涌现出来，刷新以往的正确率。
六.回顾
1.影响
我们回顾一下神经网络发展的历程。神经网络的发展历史曲折荡漾，既有被人捧上天的时刻，也有摔落在街头无人问津的时段，中间经历了数次大起大落。
从单层神经网络（感知器）开始，到包含一个隐藏层的两层神经网络，再到多层的深度神经网络，一共有三次兴起过程。详见下图。
图36三起三落的神经网络
上图中的顶点与谷底可以看作神经网络发展的高峰与低谷。图中的横轴是时间，以年为单位。纵轴是一个神经网络影响力的示意表示。如果把1949年Hebb模型提出到1958年的感知机诞生这个10年视为落下（没有兴起）的话，那么神经网络算是经历了“三起三落”这样一个过程，跟“小平”同志类似。俗话说，天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨。经历过如此多波折的神经网络能够在现阶段取得成功也可以被看做是磨砺的积累吧。
历史最大的好处是可以给现在做参考。科学的研究呈现螺旋形上升的过程，不可能一帆风顺。同时，这也给现在过分热衷深度学习与人工智能的人敲响警钟，因为这不是第一次人们因为神经网络而疯狂了。1958年到1969年，以及1985年到1995，这两个十年间人们对于神经网络以及人工智能的期待并不现在低，可结果如何大家也能看的很清楚。
因此，冷静才是对待目前深度学习热潮的最好办法。如果因为深度学习火热，或者可以有“钱景”就一窝蜂的涌入，那么最终的受害人只能是自己。神经网络界已经两次有被人们捧上天了的境况，相信也对于捧得越高，摔得越惨这句话深有体会。因此，神经网络界的学者也必须给这股热潮浇上一盆水，不要让媒体以及投资家们过分的高看这门技术。很有可能，三十年河东，三十年河西，在几年后，神经网络就再次陷入谷底。根据上图的历史曲线图，这是很有可能的。
2.效果
下面说一下神经网络为什么能这么火热？简而言之，就是其学习效果的强大。随着神经网络的发展，其表示性能越来越强。
从单层神经网络，到两层神经网络，再到多层神经网络，下图说明了，随着网络层数的增加，以及激活函数的调整，神经网络所能拟合的决策分界平面的能力。
图37表示能力不断增强
可以看出，随着层数增加，其非线性分界拟合能力不断增强。图中的分界线并不代表真实训练出的效果，更多的是示意效果。
神经网络的研究与应用之所以能够不断地火热发展下去，与其强大的函数拟合能力是分不开关系的。
3.外因
当然，光有强大的内在能力，并不一定能成功。一个成功的技术与方法，不仅需要内因的作用，还需要时势与环境的配合。神经网络的发展背后的外在原因可以被总结为：更强的计算性能，更多的数据，以及更好的训练方法。只有满足这些条件时，神经网络的函数拟合能力才能得已体现，见下图。
图38发展的外在原因
之所以在单层神经网络年代，Rosenblat无法制作一个双层分类器，就在于当时的计算性能不足，Minsky也以此来打压神经网络。但是Minsky没有料到，仅仅10年以后，计算机CPU的快速发展已经使得我们可以做两层神经网络的训练，并且还有快速的学习算法BP。
但是在两层神经网络快速流行的年代。更高层的神经网络由于计算性能的问题，以及一些计算方法的问题，其优势无法得到体现。直到2012年，研究人员发现，用于高性能计算的图形加速卡（GPU）可以极佳地匹配神经网络训练所需要的要求：高并行性，高存储，没有太多的控制需求，配合预训练等算法，神经网络才得以大放光彩。
互联网时代，大量的数据被收集整理，更好的训练方法不断被发现。所有这一切都满足了多层神经网络发挥能力的条件。
“时势造英雄”，正如Hinton在2006年的论文里说道的
“... provided that computers were fast enough, data sets were big enough, and the initial weights were close enough to a good solution. All three conditions are now satisfied.”，
外在条件的满足也是神经网络从神经元得以发展到目前的深度神经网络的重要因素。
除此以外，一门技术的发扬没有“伯乐”也是不行的。在神经网络漫长的历史中，正是由于许多研究人员的锲而不舍，不断钻研，才能有了现在的成就。前期的Rosenblat，Rumelhart没有见证到神经网络如今的流行与地位。但是在那个时代，他们为神经网络的发展所打下的基础，却会永远流传下去，不会退色。
七.展望
1.量子计算
回到我们对神经网络历史的讨论，根据历史趋势图来看，神经网络以及深度学习会不会像以往一样再次陷入谷底？作者认为，这个过程可能取决于量子计算机的发展。
根据一些最近的研究发现，人脑内部进行的计算可能是类似于量子计算形态的东西。而且目前已知的最大神经网络跟人脑的神经元数量相比，仍然显得非常小，仅不及1%左右。所以未来真正想实现人脑神经网络的模拟，可能需要借助量子计算的强大计算能力。
各大研究组也已经认识到了量子计算的重要性。谷歌就在开展量子计算机D-wave的研究，希望用量子计算来进行机器学习，并且在前段时间有了突破性的进展。国内方面，阿里和中科院合作成立了量子计算实验室，意图进行量子计算的研究。
如果量子计算发展不力，仍然需要数十年才能使我们的计算能力得以突飞猛进的发展，那么缺少了强大计算能力的神经网络可能会无法一帆风顺的发展下去。这种情况可以类比为80-90年时期神经网络因为计算能力的限制而被低估与忽视。假设量子计算机真的能够与神经网络结合，并且助力真正的人工智能技术的诞生，而且量子计算机发展需要10年的话，那么神经网络可能还有10年的发展期。直到那时期以后，神经网络才能真正接近实现AI这一目标。
图39量子计算
2.人工智能
最后，作者想简单地谈谈对目前人工智能的看法。虽然现在人工智能非常火热，但是距离真正的人工智能还有很大的距离。就拿计算机视觉方向来说，面对稍微复杂一些的场景，以及易于混淆的图像，计算机就可能难以识别。因此，这个方向还有很多的工作要做。
就普通人看来，这么辛苦的做各种实验，以及投入大量的人力就是为了实现一些不及孩童能力的视觉能力，未免有些不值。但是这只是第一步。虽然计算机需要很大的运算量才能完成一个普通人简单能完成的识图工作，但计算机最大的优势在于并行化与批量推广能力。使用计算机以后，我们可以很轻易地将以前需要人眼去判断的工作交给计算机做，而且几乎没有任何的推广成本。这就具有很大的价值。正如火车刚诞生的时候，有人嘲笑它又笨又重，速度还没有马快。但是很快规模化推广的火车就替代了马车的使用。人工智能也是如此。这也是为什么目前世界上各著名公司以及政府都对此热衷的原因。
目前看来，神经网络要想实现人工智能还有很多的路要走，但方向至少是正确的，下面就要看后来者的不断努力了。
图40人工智能
八总结
本文回顾了神经网络的发展历史，从神经元开始，历经单层神经网络，两层神经网络，直到多层神经网络。在历史介绍中穿插讲解神经网络的结构，分类效果以及训练方法等。本文说明了神经网络内部实际上就是矩阵计算，在程序中的实现没有“点”和“线”的对象。本文说明了神经网络强大预测能力的根本，就是多层的神经网络可以无限逼近真实的对应函数，从而模拟数据之间的真实关系。除此之外，本文回顾了神经网络发展的历程，分析了神经网络发展的外在原因，包括计算能力的增强，数据的增多，以及方法的创新等。最后，本文对神经网络的未来进行了展望，包括量子计算与神经网络结合的可能性，以及探讨未来人工智能发展的前景与价值。
九. 后记
本篇文章可以视为作者一年来对神经网络的理解与总结，包括实验的体会，书籍的阅读，以及思考的火花等。神经网络虽然重要，但学习并不容易。这主要是由于其结构图较为难懂，以及历史发展的原因，导致概念容易混淆，一些介绍的博客与网站内容新旧不齐。本篇文章着眼于这些问题，没有太多的数学推导，意图以一种简单的，直观的方式对神经网络进行讲解。在2015年最后一天终于写完。希望本文可以对各位有所帮助。
作者很感谢能够阅读到这里的读者。如果看完觉得好的话，还请轻轻点一下赞，你们的鼓励就是作者继续行文的动力。本文的备注部分是一些对神经网络学习的建议，供补充阅读与参考。
目前为止，EasyPR的1.4版已经将神经网络（ANN）训练的模块加以开放，开发者们可以使用这个模块来进行自己的字符模型的训练。有兴趣的可以下载。
十.备注
神经网络虽然很重要，但是对于神经网络的学习，却并不容易。这些学习困难主要来自以下三个方面：概念，类别，教程。下面简单说明这三点。
1.概念
对于一门技术的学习而言，首先最重要的是弄清概念。只有将概念理解清楚，才能顺畅的进行后面的学习。由于神经网络漫长的发展历史，经常会有一些概念容易混淆，让人学习中产生困惑。这里面包括历史的术语，不一致的说法，以及被遗忘的研究等。
历史的术语
这个的代表就是多层感知器（MLP）这个术语。起初看文献时很难理解的一个问题就是，为什么神经网络又有另一个名称：MLP。其实MLP（Multi-LayerPerceptron）的名称起源于50-60年代的感知器（Perceptron）。由于我们在感知器之上又增加了一个计算层，因此称为多层感知器。值得注意的是，虽然叫“多层”，MLP一般都指的是两层（带一个隐藏层的）神经网络。
MLP这个术语属于历史遗留的产物。现在我们一般就说神经网络，以及深度神经网络。前者代表带一个隐藏层的两层神经网络，也是EasyPR目前使用的识别网络，后者指深度学习的网络。
不一致的说法
这个最明显的代表就是损失函数loss function，这个还有两个说法是跟它完全一致的意思，分别是残差函数error function，以及代价函数cost function。loss function是目前深度学习里用的较多的一种说法，caffe里也是这么叫的。cost function则是Ng在coursera教学视频里用到的统一说法。这三者都是同一个意思，都是优化问题所需要求解的方程。虽然在使用的时候不做规定，但是在听到各种讲解时要心里明白。
再来就是权重weight和参数parameter的说法，神经网络界由于以前的惯例，一般会将训练得到的参数称之为权重，而不像其他机器学习方法就称之为参数。这个需要记住就好。不过在目前的使用惯例中，也有这样一种规定。那就是非偏置节点连接上的值称之为权重，而偏置节点上的值称之为偏置，两者统一起来称之为参数。
另外一个同义词就是激活函数activefunction和转移函数transferfunction了。同样，他们代表一个意思，都是叠加的非线性函数的说法。
被遗忘的研究
由于神经网络发展历史已经有70年的漫长历史，因此在研究过程中，必然有一些研究分支属于被遗忘阶段。这里面包括各种不同的网络，例如SOM（Self-OrganizingMap，自组织特征映射网络），SNN（SynergeticNeuralNetwork，协同神经网络），ART（AdaptiveResonanceTheory，自适应共振理论网络）等等。所以看历史文献时会看到许多没见过的概念与名词。
有些历史网络甚至会重新成为新的研究热点，例如RNN与LSTM就是80年代左右开始的研究，目前已经是深度学习研究中的重要一门技术，在语音与文字识别中有很好的效果。
对于这些易于混淆以及弄错的概念，务必需要多方参考文献，理清上下文，这样才不会在学习与阅读过程中迷糊。
2.类别
下面谈一下关于神经网络中的不同类别。
其实本文的名字“神经网络浅讲”并不合适，因为本文并不是讲的是“神经网络”的内容，而是其中的一个子类，也是目前最常说的前馈神经网络。根据下图的分类可以看出。
图41神经网络的类别
神经网络其实是一个非常宽泛的称呼，它包括两类，一类是用计算机的方式去模拟人脑，这就是我们常说的ANN（人工神经网络），另一类是研究生物学上的神经网络，又叫生物神经网络。对于我们计算机人士而言，肯定是研究前者。
在人工神经网络之中，又分为前馈神经网络和反馈神经网络这两种。那么它们两者的区别是什么呢？这个其实在于它们的结构图。我们可以把结构图看作是一个有向图。其中神经元代表顶点，连接代表有向边。对于前馈神经网络中，这个有向图是没有回路的。你可以仔细观察本文中出现的所有神经网络的结构图，确认一下。而对于反馈神经网络中，结构图的有向图是有回路的。反馈神经网络也是一类重要的神经网络。其中Hopfield网络就是反馈神经网络。深度学习中的RNN也属于一种反馈神经网络。
具体到前馈神经网络中，就有了本文中所分别描述的三个网络：单层神经网络，双层神经网络，以及多层神经网络。深度学习中的CNN属于一种特殊的多层神经网络。另外，在一些Blog中和文献中看到的BP神经网络是什么？其实它们就是使用了反向传播BP算法的两层前馈神经网络。也是最普遍的一种两层神经网络。
通过以上分析可以看出，神经网络这种说法其实是非常广义的，具体在文章中说的是什么网络，需要根据文中的内容加以区分。
3.教程
如何更好的学习神经网络，认真的学习一门课程或者看一本著作都是很有必要的。
说到网络教程的话，这里必须说一下Ng的机器学习课程。对于一个初学者而言，Ng的课程视频是非常有帮助的。Ng一共开设过两门机器学习公开课程：一个是2003年在Standford开设的，面向全球的学生，这个视频现在可以在网易公开课上找到；另一个是2010年专门为Coursera上的用户开设的，需要登陆Coursera上才能学习。
但是，需要注意点是，这两个课程对待神经网络的态度有点不同。早些的课程一共有20节课，Ng花了若干节课去专门讲SVM以及SVM的推导，而当时的神经网络，仅仅放了几段视频，花了大概不到20分钟（一节课60分钟左右）。而到了后来的课程时，总共10节的课程中，Ng给了完整的两节给神经网络，详细介绍了神经网络的反向传播算法。同时给SVM只有一节课，并且没有再讲SVM的推导过程。下面两张图分别是Ng介绍神经网络的开篇，可以大致看出一些端倪。
图42Ng与神经网络
为什么Ng对待神经网络的反应前后相差那么大？事实上就是深度学习的原因。Ng实践了深度学习的效果，认识到深度学习的基础--神经网络的重要性。这就是他在后面重点介绍神经网络的原因。总之，对于神经网络的学习而言，我更推荐Coursera上的。因为在那个时候，Ng才是真正的把神经网络作为一门重要的机器学习方法去传授。你可以从他上课的态度中感受到他的重视，以及他希望你能学好的期望。
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参考文献：
1.NeuralNetworks
2.AndrewNg NeuralNetworks
3.神经网络简史
4.中科院史忠植神经网络 讲义
5.深度学习胡晓林
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