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举个卡戴珊的例子,讲讲Hinton的Capsule是怎么回事 | 教程+代码

简介:
本文来自AI新媒体量子位(QbitAI)

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Capsule Networks,或者说CapsNet,这个名字你应该已经听过好几次了。

这是“深度学习之父”的Geoffrey Hinton近几年一直在探索的领域,被视为突破性的新概念。最近,关于Capsule的论文终于公布了。

一篇即将发表于NIPS 2017:

Dynamic Routing Between Capsules

作者:Sara Sabour, Nicholas Frosst, Geoffrey E Hinton

https://arxiv.org/abs/1710.09829v2

另一篇是ICLR 2018正在匿名评审的:

Matrix capsules with EM routing

作者目前未知

https://openreview.net/pdf?id=HJWLfGWRb

要理解Capsule Networks,还得从卷积神经网络(CNN)的特性说起。

传统神经网络的问题

到目前为止,图像分类问题上最先进的方法是CNN。

而CNN的工作原理,是将每一层对应的特征累积起来,从寻找边缘开始,然后是形状、再识别实际的对象。

然而,在这个过程中,所有这些特征的空间关系信息丢失了

虽然可能有点过度简化了,不过我们可以把CNN看做这样一个程序:

if (2 eyes && 1 nose && 1 mouth) {
  It's a face!
}

翻译成人话就是:如果有两只眼睛、一个鼻子、一张嘴,它就是一张脸!

一般人看见这个表述,第一反应大概是挺好的啊,有道理,没毛病~

对,有道理,不过我们需要转念想一想:这个表述还是有问题的。不信?看一张略恐怖的卡戴珊姐姐照片:

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确实是两只眼睛一个鼻子一张嘴吧?

但我等人类都一眼就能看出来,这张照片不对劲啊!眼睛和嘴错位了啊!人不应该长这样!识别成鬼还差不多……

可是呢,CNN会认为,眼睛和嘴的位置不管在哪,都没什么区别,会很宽容地,把这张照片归类成“人”:

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除了对人类五官的位置过于宽容之外,CNN还有还有一个毛病,就是对图片的角度要求有点苛刻,它能容忍照片稍微旋转一些,但要是旋转太多,它就不认得了。

我们把卡戴珊姐姐旋转180°:

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出现这个问题的原因,用行话来说是旋转的程度超出了最大池化(maxpooling)所带来的旋转不变性(invariance)的限度。这其实有办法解决,就是在训练中用上各种可能角度的图片,行话叫做data augmentation。不过,这种做法实在是耗时费力。

另外,CNN还很容易受到白盒对抗性攻击(adversarial attacks)的影响,在图片上悄悄藏一些图案,就能让CNN把它误认作别的东西。

谷歌的神经网络把海龟误认成步枪,就是这个毛病:

所以Hinton老爷子才会觉得CNN不行。(Hinton真的很严格)

Capsule Networks前来救援!

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 CapsNet架构

Capsule Networks就能让我们充分利用空间关系,看到更多东西。在认人脸这件事上,可以这么表示:

if (2 adjacent eyes && nose under eyes && mouth under nose) {
  It's a face!
}

翻译成人话:如果有两只相邻的眼睛、眼睛下有一个鼻子、鼻子下有一张嘴,它就是一张脸。

你应该能看出来,这样来定义,神经网络就不会把畸形版卡戴珊姐姐也认作人脸了。

这种新架构还更善于从不同角度来识别形状,它在下面这个数据集上,可以获得更高的精度。这个精心设计的数据集就是用来进行单纯的形状识别,甚至是从不同的角度识别的。Capsule Networks击败了最先进的CNN,将错误数量减少了45%。

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 CapsNet把第二行图片识别为第一行同类图片的能力远超CNN

此外,最近发布的论文表明,与卷积神经网络相比,Capsules对白盒对抗性攻击显示出更大的抵抗力。

训练CapsNet

重点来了:要想理解一篇论文,最好的方法是把它实现出来。

Bourdakos基于Hinton的论文,写出了一份CapsNet的TensorFlow实现

代码:https://github.com/bourdakos1/capsule-networks

接下来的内容,就是要介绍如何训练它。

下面以如何在MNIST数据集上训练模型为例。这是一个著名的手写数字的数据集,是测试机器学习算法的良好基准。

首先从克隆repo开始:

git clone https://github.com/bourdakos1/capsule-networks.git

然后安装需求。

pip install -r requirements.txt

开始训练!

python main.py

MNIST数据集有6万个训练图像。默认情况下,模型将以128的batch size训练50个epoch周期。一个epoch代表训练集的一次完整运行。由于batch size是128,所以每个epoch大约有468个batch。

注意:如果你没有GPU,训练可能需要很长的时间。

推理

一旦模型完整训练过,就可以通过以下命令来测试:

python main.py --is_training False

结论

Capsule Networks似乎很棒,但仍在婴儿期,在训练大型数据集时可能遇到一些问题,但信心还是要有的。

P.S.下面是一个很棒的视频,建议大家花时间看看。(这是Hinton在2012年的一次演讲,主题是《Does the Brain do Inverse Graphics?》,大脑做逆向图么?)


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想要获得这个视频中的ppt,可以在量子位微信公众号(QbitAI)的对话界面,回复:“ipam”几个字母即可。

感谢阅读,如果有问题可以与作者联系,邮箱:bourdakos1@gmail.com。点击左下角『阅读原文』可以查看更多。

本文作者:李林 若朴 
原文发布时间:2017-11-12

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