阿里云人工智能ACA（五）——深度学习基础
一、深度学习概述
1. 深度学习概念
1-1. 深度学习基本概念
- 深度学习是机器学习的一个分支
- 基于人工神经网络（模仿人脑结构）
- 通过多层网络自动学习特征
- 能够处理复杂的模式识别问题
1-2. 深度学习的优点与缺点
优点
- 强大的特征学习能力
- 可以处理复杂问题
- 准确率高
- 自动化程度高
缺点
- 需要大量数据
- 计算资源要求高
- 训练时间长
- 可解释性差
1-3. 深度学习与传统机器学习区别
主要区别在于：传统机器学习是人工进行特征提取，深度学习是通过神经网络从数据里提取特征。
| 对比维度 | 机器学习 | 深度学习 |
|---|---|---|
| 特征提取 | • 需要人工设计特征 • 依赖领域专家经验 • 特征工程占据大量工作 | • 自动学习特征 • 端到端学习 • 减少人工干预 |
| 举例说明 | 图像识别猫： • 人工定义特征：耳朵形状、胡须特征等 • 手动提取这些特征 • 基于提取的特征进行分类 | 图像识别猫： • 直接输入原始图像 • 网络自动学习关键特征 • 自动完成特征提取到分类的全过程 |
| 数据要求 | • 数据量要求相对较小 • 可以处理结构化数据 | • 需要大量数据 • 特别适合非结构化数据 |
| 计算复杂度 | • 计算量较小 • 训练速度快 | • 计算量大 • 训练周期长 |
2. 深度学习框架
2-1 深度学习框架定义
深度学习框架是一个软件库，提供了构建、训练和部署深度学习模型所需的工具和接口。它是连接理论与实践的桥梁，使开发者能够更高效地实现深度学习算法。
2-2 TensorFlow框架
利用数据流图进行数值计算的开源软件库；
可以在众多异构的系统上方便移植；
2-3 Torch 框架
很好的学习RNN途径
2-4 PyTorch 框架
2-5 Caffe框架
2-6 框架的选择
| 特点 | TensorFlow | Torch | PyTorch | Caffe |
|---|---|---|---|---|
| 开发公司/组织 | 谷歌 (Google) | Facebook 人工智能研究院 (FAIR) | Facebook 人工智能研究院 (FAIR) | 伯克利 AI 研究中心 (BAIR) |
| 首次发布 | 2015年 | 2002年（Lua Torch） | 2016年 | 2014年 |
| 编程语言 | Python、C++、Java、Go 等 | Lua | Python、C++ | C++ |
| 模型构建方式 | 静态计算图（TF 1.x），动态计算图（Eager Execution, TF 2.x） | 动态计算图 | 动态计算图 | 静态计算图 |
| 易用性 | 中等，使用 Keras 可以简化模型构建 | 较低，基于 Lua 语言，学习曲线较陡峭 | 高，API 简洁直观，易于调试 | 中等，模型定义需编写配置文件 |
| 性能 | 高，支持 GPU 和 TPU，加上分布式训练 | 中等，性能依赖于 Lua 的效率 | 高，优化良好的动态计算图，支持 GPU 和分布式训练 | 高，专注于图像处理任务，优化良好 |
| 生态系统 | 丰富，包含 TensorFlow Hub、TensorFlow Lite、TensorFlow.js 等 | 较小，社区活跃度不及 PyTorch 和 TensorFlow | 丰富，包含 TorchVision、TorchText、TorchServe 等 | 较小，主要集中在视觉任务 |
| 社区和支持 | 广泛的社区支持，丰富的文档和教程 | 社区较小，主要集中在研究人员和特定领域 | 活跃且快速增长的社区，丰富的第三方资源 | 社区规模较小，主要用于特定应用场景 |
| 应用领域 | 广泛，涵盖计算机视觉、自然语言处理、强化学习等 | 主要用于计算机视觉和自然语言处理 | 广泛，涵盖研究和生产环境中的各种应用 | 主要集中在计算机视觉领域 |
| 调试和可视化工具 | TensorBoard 提供强大的可视化支持 | 限制较多，缺乏统一的可视化工具 | 支持通过第三方工具如 TensorBoardX 进行可视化 | 基本的可视化工具，功能有限 |
| 移动和嵌入式支持 | TensorFlow Lite 提供优秀的支持 | 支持有限，主要依赖第三方集成 | 支持通过 PyTorch Mobile | 支持通过 Caffe2（现已合并入 PyTorch） |
| 学习资源 | 丰富的官方教程、文档和在线课程 | Lua 资源相对较少，需依赖社区贡献 | 丰富的官方教程、文档和社区资源 | 资源较少，主要依赖官方文档和社区贡献 |
| 扩展性 | 高，支持自定义操作和模块 | 高，基于 Lua 可灵活扩展 | 高，易于定义自定义层和模块 | 中等，扩展需通过配置文件进行 |
3 神经网络
3-1 神经网络基础
3-2 神经网络租车
4. 激活函数
4-1 激活函数定义：
- 激活函数是一种在人工智能神经网络的神经单元桑运行的函数
- 激活函数是神经网络中引入非线性变换的数学函数
- 旨在帮助网络学习数据中的复杂模式
- 负责将神经元节点的输入映射到输出端。
- 用于决定神经元是否应该被激活。
4-2 常见激活函数：
Sigmoid激活函数
ReLU
Tanh
4-3 sigmoid激活函数
4-4 Tanh激活函数
4-5 ReLU激活函数
二、多层感知机
1. 感知机概述
2. 多层感知机
2-1 多层感知机概述
多层感知机是一种前馈神经网络,是最基础和经典的深度学习模型之一。
多层感知机由三类层构成:
- 输入层:接收原始数据
- 隐藏层:可以有一层或多层,负责特征提取和转换
- 输出层:产生最终预测结果
多层感知机主要特点:
- 每层神经元都与下一层全连接
- 使用非线性激活函数(如ReLU、sigmoid等)
- 通过反向传播算法训练
- 可以用于分类和回归问题
3. BP神经网络
| 类别 | 说明 |
|---|---|
| 基本定义 | BP(Back Propagation)神经网络是一种基于误差反向传播算法的多层前馈神经网络 |
| 工作原理 | 前向传播： • 输入数据从输入层向前传递 • 经过隐藏层处理 • 最终在输出层产生结果 反向传播： • 计算实际输出与期望输出的误差 • 误差从输出层向输入层反向传播 • 不断调整网络权重和偏置 |
| 学习过程 | 1. 初始化网络权重和偏置 2. 输入训练样本 3. 计算实际输出 4. 计算误差 5. 反向传播更新参数 6. 重复步骤2-5直到满足条件 |
| 主要特点 | • 具有非线性映射能力 • 自学习和自适应能力 • 泛化能力强 • 容错性好 |
| 关键参数 | • 学习率 • 隐藏层数量 • 每层神经元数量 • 激活函数 • 迭代次数 |
| 优点 | • 适用性广 • 拟合能力强 • 可以解决复杂的非线性问题 |
| 缺点 | • 可能陷入局部最小值 • 训练时间可能较长 • 网络结构难以确定 • 可能出现过拟合 |
| 应用领域 | • 模式识别 • 预测分析 • 图像处理 • 语音识别 • 自动控制 |
三、卷积神经网络
1. 卷积神经网络概述
2. 卷积神经网络层次结构
2-1 输入层
2-2 卷积层
2-3 池化层
2-4 全连接层
2-5 输出层
3. 经典卷积神经网络
4. 卷积神经网络的应用
四、循环神经网络
1.
2. 循环神经网络的结构
3. 循环神经网络的类别
4 经典循环神经网络
4-1 长短期记忆网络 LSTM
4-2 LSTM的核心
- Ct 为长期记忆
- ht 为短期记忆
4-3 LSTM的流程
5. 循环神经网络的应用
- 处理序列数据问题
五、生成对抗网络
1. 生成对抗网络概述
GAN通过两个神经网络——生成器（Generator）和判别器（Discriminator）——之间的对抗训练，实现数据的生成与逼真化。
2. 生成对抗网络主要组成部分
-
生成器（Generator）：
- 功能：负责生成看似真实的假数据。
- 输入：通常为随机噪声向量（如高斯噪声）。
- 输出：与真实数据相同维度的合成数据（例如图像）。
- 给定输入数据时，理解输入，生成类似的输出。
-
判别器（Discriminator）：
- 功能：判断输入的数据是真实的还是由生成器生成的假数据。
- 输入：真实数据和生成器生成的假数据。
- 输出：一个介于0和1之间的概率值，表示输入数据为真实数据的概率。
生成器通过带噪声的数据生成了假的图像，判别器通过训练集和假的图像 识别真假。生成器和判别器通过这个过程不断进步。
2-2 GAN的优化目标
-
生成器的目标：
- 生成逼真数据：生成器的主要任务是从随机噪声中生成看似真实的数据（如图像、音频等）。
- 欺骗判别器：通过不断改进，生成器希望生成的数据能够以假乱真，使判别器难以区分其生成的数据和真实数据。
-
判别器的目标：
- 区分真假数据：判别器的任务是准确判断输入的数据是真实的还是由生成器生成的。
- 提高辨别能力：通过不断学习，判别器提升其区分真实数据和生成数据的能力。
2-3 最终目标
-
平衡状态：在理想情况下，GAN 达到一种平衡状态，即生成器生成的数据与真实数据在统计分布上难以区分，判别器在判断时只能给出接近 50% 的概率。
-
优化生成器：尽管判别器在训练过程中不断优化，但最终的目标是生成器能够独立生成高质量、逼真的数据。这意味着即使判别器不再参与，生成器依然能够产生令人信服的合成数据。
3. 生成对抗网络工作流程
生成器生成的样本作为假的样本，接收样本为真的样本，目的 使生成器生成的样本更逼近真的样本，同时提高判别的器的性能。
3-2 对抗性优化过程
-
对抗训练：GAN 的训练过程本质上是一个博弈，生成器和判别器互相竞争。生成器试图生成更逼真的数据以“欺骗”判别器，而判别器则努力提升辨别真假数据的能力。
-
交替优化：
- 训练判别器：使用真实数据和生成器生成的假数据来训练判别器，使其更好地区分二者。
- 训练生成器：通过反馈判别器的判别结果，调整生成器的参数，使其生成的数据更加逼真。
4. 生成对抗网络 与传统神经网络的区别
5. 生成对抗神经网络类别
6. 生成对抗网络应用场景
六、机器学习PAI平台简单实现
