Искусственная нейронная сеть — совокупность нейронов, взаимодействующих друг с другом. Они способны принимать, обрабатывать и создавать данные. Это настолько же сложно представить, как и работу человеческого мозга. Нейронная сеть в нашем мозгу работает для того, чтобы вы сейчас могли это прочитать: наши нейроны распознают буквы и складывают их в слова.
Искусственная нейронная сеть - это подобие мозга. Изначально она программировалась с целью упростить некоторые сложные вычислительные процессы. Сегодня у нейросетей намного больше возможностей. Часть из них находится у вас в смартфоне. Ещё часть уже записала себе в базу, что вы открыли эту статью. Как всё это происходит и для чего, читайте далее.
С чего всё началось
Людям очень хотелось понять, откуда у человека разум и как работает мозг. В середине прошлого века канадский нейропсихолог Дональд Хебб это понял. Хебб изучил взаимодействие нейронов друг с другом, исследовал, по какому принципу они объединяются в группы (по-научному - ансамбли) и предложил первый в науке алгоритм обучения нейронных сетей.
Спустя несколько лет группа американских учёных смоделировала искусственную нейросеть, которая могла отличать фигуры квадратов от остальных фигур.
Как же работает нейросеть?
Исследователи выяснили, нейронная сеть - это совокупность слоёв нейронов, каждый из которых отвечает за распознавание конкретного критерия: формы, цвета, размера, текстуры, звука, громкости и т. д. Год от года в результате миллионов экспериментов и тонн вычислений к простейшей сети добавлялись новые и новые слои нейронов. Они работают по очереди. Например, первый определяет, квадрат или не квадрат, второй понимает, квадрат красный или нет, третий вычисляет размер квадрата и так далее. Не квадраты, не красные и неподходящего размера фигуры попадают в новые группы нейронов и исследуются ими.
Какими бывают нейронные сети и что они умеют
Учёные развили нейронные сети так, что те научились различать сложные изображения, видео, тексты и речь. Типов нейронных сетей сегодня очень много. Они классифицируются в зависимости от архитектуры - наборов параметров данных и веса этих параметров, некой приоритетности. Ниже некоторые из них.
Свёрточные нейросети
Нейроны делятся на группы, каждая группа вычисляет заданную ей характеристику. В 1993 году французский учёный Ян Лекун показал миру LeNet 1 - первую свёрточную нейронную сеть, которая быстро и точно могла распознавать цифры, написанные на бумаге от руки. Смотрите сами:
Сегодня свёрточные нейронные сети используются в основном с мультимедиными целями: они работают с графикой, аудио и видео.
Рекуррентные нейросети
Нейроны последовательно запоминают информацию и строят дальнейшие действия на основе этих данных. В 1997 году немецкие учёные модифицировали простейшие рекуррентные сети до сетей с долгой краткосрочной памятью. На их основе затем были разработаны сети с управляемыми рекуррентными нейронами.
Сегодня с помощью таких сетей пишутся и переводятся тексты, программируются боты, которые ведут осмысленные диалоги с человеком, создаются коды страниц и программ.
Использование такого рода нейросетей - это возможность анализировать и генерировать данные, составлять базы и даже делать прогнозы.
В 2015 году компания SwiftKey выпустила первую в мире клавиатуру, работающую на рекуррентной нейросети с управляемыми нейронами. Тогда система выдавала подсказки в процессе набранного текста на основе последних введённых слов. В прошлом году разработчики обучили нейросеть изучать контекст набираемого текста, и подсказки стали осмысленными и полезными:
Комбинированные нейросети (свёрточные + рекуррентные)
Такие нейронные сети способны понимать, что находится на изображении, и описывать это. И наоборот: рисовать изображения по описанию. Ярчайший пример продемонстрировал Кайл Макдональд, взяв нейронную сеть на прогулку по Амстердаму. Сеть мгновенно определяла, что находится перед ней. И практически всегда точно:
Нейросети постоянно самообучаются. Благодаря этому процессу:
1. Skype внедрил возможность синхронного перевода уже для 10 языков. Среди которых, на минуточку, есть русский и японский - одни из самых сложных в мире. Конечно, качество перевода требует серьёзной доработки, но сам факт того, что уже сейчас вы можете общаться с коллегами из Японии по-русски и быть уверенными, что вас поймут, вдохновляет.
2. Яндекс на базе нейронных сетей создал два поисковых алгоритма: «Палех» и «Королёв». Первый помогал найти максимально релевантные сайты для низкочастотных запросов. «Палех» изучал заголовки страниц и сопоставлял их смысл со смыслом запросов. На основе «Палеха» появился «Королёв». Этот алгоритм оценивает не только заголовок, но и весь текстовый контент страницы. Поиск становится всё точнее, а владельцы сайтов разумнее начинают подходить к наполнению страниц.
3. Коллеги сеошников из Яндекса создали музыкальную нейросеть: она сочиняет стихи и пишет музыку. Нейрогруппа символично называется Neurona, и у неё уже есть первый альбом:
4. У Google Inbox с помощью нейросетей осуществляется ответ на сообщение. Развитие технологий идет полный ходом, и сегодня сеть уже изучает переписку и генерирует возможные варианты ответа. Можно не тратить время на печать и не бояться забыть какую-нибудь важную договорённость.
5. YouTube использует нейронные сети для ранжирования роликов, причём сразу по двум принципам: одна нейронная сеть изучает ролики и реакции аудитории на них, другая проводит исследование пользователей и их предпочтений. Именно поэтому рекомендации YouTube всегда в тему.
6. Facebook активно работает над DeepText AI - программой для коммуникаций, которая понимает жаргон и чистит чатики от обсценной лексики.
7. Приложения вроде Prisma и Fabby, созданные на нейросетях, создают изображения и видео:
Colorize восстанавливает цвета на чёрно-белых фото (удивите бабушку!).
MakeUp Plus подбирает для девушек идеальную помаду из реального ассортимента реальных брендов: Bobbi Brown, Clinique, Lancome и YSL уже в деле.
8.
Apple и Microsoft постоянно апгрейдят свои нейронные Siri и Contana. Пока они только исполняют наши приказы, но уже в ближайшем будущем начнут проявлять инициативу: давать рекомендации и предугадывать наши желания.
А что ещё нас ждет в будущем?
Самообучающиеся нейросети могут заменить людей: начнут с копирайтеров и корректоров. Уже сейчас роботы создают тексты со смыслом и без ошибок. И делают это значительно быстрее людей. Продолжат с сотрудниками кол-центров, техподдержки, модераторами и администраторами пабликов в соцсетях. Нейронные сети уже умеют учить скрипт и воспроизводить его голосом. А что в других сферах?
Аграрный сектор
Нейросеть внедрят в спецтехнику. Комбайны будут автопилотироваться, сканировать растения и изучать почву, передавая данные нейросети. Она будет решать - полить, удобрить или опрыскать от вредителей. Вместо пары десятков рабочих понадобятся от силы два специалиста: контролирующий и технический.
Медицина
В Microsoft сейчас активно работают над созданием лекарства от рака. Учёные занимаются биопрограммированием - пытаются оцифрить процесс возникновения и развития опухолей. Когда всё получится, программисты смогут найти способ заблокировать такой процесс, по аналогии будет создано лекарство.
Маркетинг
Маркетинг максимально персонализируется. Уже сейчас нейросети за секунды могут определить, какому пользователю, какой контент и по какой цене показать. В дальнейшем участие маркетолога в процессе сведётся к минимуму: нейросети будут предсказывать запросы на основе данных о поведении пользователя, сканировать рынок и выдавать наиболее подходящие предложения к тому моменту, как только человек задумается о покупке.
Ecommerce
Ecommerce будет внедрён повсеместно. Уже не потребуется переходить в интернет-магазин по ссылке: вы сможете купить всё там, где видите, в один клик. Например, читаете вы эту статью через несколько лет. Очень вам нравится помада на скрине из приложения MakeUp Plus (см. выше). Вы кликаете на неё и попадаете сразу в корзину. Или смотрите видео про последнюю модель Hololens (очки смешанной реальности) и тут же оформляете заказ прямо из YouTube.
Едва ли не в каждой области будут цениться специалисты со знанием или хотя бы пониманием устройства нейросетей, машинного обучения и систем искусственного интеллекта. Мы будем существовать с роботами бок о бок. И чем больше мы о них знаем, тем спокойнее нам будет жить.
P. S.
Зинаида Фолс - нейронная сеть Яндекса, пишущая стихи. Оцените произведение, которое машина написала, обучившись на Маяковском (орфография и пунктуация сохранены):
« Это »
это
всего навсего
что-то
в будущем
и мощь
у того человека
есть на свете все или нет
это кровьа вокруг
по рукам
жиреет
слава у
земли
с треском в клюве
Впечатляет, правда?
Компания под названием Bonsai присоединяется к движению за демократизацию машинного обучения. Скоро каждый сможет создать собственную нейросеть.
Если вы опытный футболист, который читает защитные схемы так же легко, как вывески на улице, или кинозвезда, чье имя само по себе может сделать кассу фильму, или биржевой маклер, знающий свое дело лучше Уоррена Баффетта, то наши поздравления: вас будут ценить так же, как специалиста по обработке данных или инженера по машинному обучению с докторской степенью Стэнфорда, Массачусетского технологического или Университета Карнеги-Меллон. Каждая компания Кремниевой долины – и все больше компаний в других регионах – стремится заполучить таких специалистов, участвуя в некоем подобии игры на захват флага, только в области кадровой политики. Компании все больше понимают, что их конкурентоспособность зависит от использования машинного обучения и , и количество вакансий для специалистов в этих областях значительно превышает то, что нужно , и другим супердержавам.
Но что если бы вы смогли получить преимущества использования ИИ без необходимости нанимать этих редких и дорогостоящих специалистов? Что если этот порог входа можно понизить с помощью умного ПО? Можно ли использовать глубинное обучение с менее разнообразным набором кадров?
Стартап под названием Bonsai и целая группа похожих компаний отвечают на этот вопрос «да». Приготовьтесь к демократизации искусственного интеллекта. Когда-нибудь это движение может объединить под своими знаменами миллионы, если не миллиарды людей.
На Конференции разработчиков искусственного интеллекта О’Райли в Нью-Йорке генеральный директор Bonsai Марк Хаммонд провел презентацию своей компании. (Также он объявил о раунде инвестиций на сумму в $6 млн – не такие уж большие деньги, учитывая тот факт, что в этом году размер венчурных инвестиций в сферу ИИ уже 1,5 млрд.) Презентация включала повторение одного из самых известных достижений элитных разработчиков глубинного обучения: прохождение алгоритмом DeepMind старых игр для компьютеров Atari в реальном времени. В частности, игра под названием Breakout («Теннис»), в которой платформа отбивает квадратный «мяч», разбивающий мерцающие блоки. (Игра, выпущенная в 1976 году, была прорывом для своего времени – над ней работал сам )
37 строчек кода – вся структура нейросети, которая обучается через классическую игру Atari. Источник: Bonsai
Вариант, предложенный DeepMind, был создан лучшими в мире специалистами по ИИ, которые обучали нейросеть основам игр от Atari, и результат их работы был достоин научных публикаций мирового класса. Версия от Bonsai является упрощением. Все начинается с системы развития, которая загружена в облако. Всего один программист, пусть даже тот, кто вообще не обучался основам ИИ, может в общих чертах описать игру, а система сама выберет подходящий алгоритм обучения, чтобы задействовать нейросеть. (Бедным докторам наук из DeepMind приходилось писать эти алгоритмы самостоятельно). На этом этапе программисту нужно всего лишь за пару минут заложить основные принципы игры – например, «ловить мяч на платформу» - а затем Bonsai сама займется развитием нейросети и ее оптимизацией для получения наилучшего результата. А нейросеть на выходе уже сама будет играть в «Теннис».
Версия игры, написанная Bonsai, укладывается всего в 37 строчек кода. Но эта простота обманчива. Когда Хаммонд объясняет, что находится в основе алгоритма, он показывает рисунок с демонстрацией того, как его система строит нейросеть, способную соперничать с одним из лучших творений Google. Самому программисту даже не пришлось вникать в тонкости машинного обучения. Смотри, мам, я могу без рук докторской степени!
Так играет в «Теннис» нейросеть, обученная системой Bonsai. Источник: Bonsai
Впечатляющий трюк. «Обычно меня трудно удивить демонстрацией, - рассказывает Джордж Уильямс, научный сотрудник Курантовского института математики Нью-Йоркского университета. - Однако то, что показал мне Марк, было вполне реально и в то же время потрясающе. Он взял все достижения машинного интеллекта и создал инструменты, которые позволят разработать новое поколение систем ИИ».
Пока неясно, останется ли Bonsai лидером этого движения. Но Уильямс прав. Следующим шагом в неотвратимом появлении все более умных компьютеров будет разработка инструментов машинного обучения для (относительных) чайников.
Bonsai была рождена на пляже. Хаммонд, бывший инженер и евангелист разработки ПО, уже какое-то время раздумывал над возможностями искусственного интеллекта. После ухода из Microsoft в 2004 году он стал заниматься нейробиологией в Йеле, затем в 2010 году недолгое время проработал в Numenta – стартапе по разработке ИИ, которым владел Джефф Хокинс (сооснователь компании Palm, производителя КПК). Затем Хаммонд открыл еще одну компанию в совсем другой сфере, которую он затем продал.
Тогда, в 2012 году, Хаммонд приехал в Южную Калифорнию навестить друзей. Его маленький сын устал, и все пошли обратно к машине. Пока жена Хаммонда болтала с друзьями, а сын засыпал у него на руках, он провел мысленный эксперимент. В основе этого эксперимента лежал популярные мем из мира ИИ – концепция «мастер-алгоритма». Профессор Вашингтонского университета Педро Домингес в одноименной книге написал, что этот еще не созданный алгоритм мог бы стать панацеей для всех проблем отрасли. По идее, когда этот алгоритм все-таки изобретут, с его помощью можно будет методически внедрять системы ИИ куда угодно.
Хаммонд заключил, что нужно создать систему, которая позволит даже самому заурядному разработчику использовать инструменты ИИ
Но Хаммонд видел один изъян в этой идее. «Допустим, мы нашли этот мастер-алгоритм, – говорил он себе, пока 18-месячный сын дремал у него на руках – кто станет внедрять его в бесчисленном множестве возможных сценариев?» На данный момент использовать такие инструменты под силу только настоящим адептам машинного обучения. Возможностей использования ИИ будет слишком много для ограниченного числа этих людей. Так он пришел к заключению, что нужно создать систему, которая снизит порог входа и позволит даже самому заурядному разработчику использовать эти инструменты. Такой системе не нужны будут инженеры крайне узкой специализации для обучения нейросетей. Программисты смогут сами обучать их для получения желаемого результата.
Пока Хаммонд обдумывал свои идеи, он провел аналогии с историей программирования. Изначально операторам компьютеров приходилось кропотливо писать код, который обеспечивал работу оборудования. Затем программисты взяли на вооружение набор стандартных инструкций, который был назван языком ассемблера и ускорил процесс – но вам все еще нужно было иметь очень высокий уровень подготовки, чтобы довести дело до ума. Прорыв случился, когда инженеры создали компилятор – программу, которая преобразовывала код на более удобных, так называемых языках «высокого уровня» (от самых первых BASIC и LISP до нынешних Python и C), в код на языке ассемблера. Только после этого создание мощных приложений стало доступно даже профессионалам относительно низкого уровня. Хаммонд считает, что сейчас, благодаря инструментам вроде TensorFlow от Google, системы ИИ вышли на уровень языка ассемблера, то есть инженерам уже становится легче создавать нейросети, но это все равно остается доступным тем, кто действительно понимает принцип их работы. Хаммонд хотел создать аналог компилятора, чтобы упростить все еще больше.
Этой идеей он поделился с Кином Брауном, бывшим коллегой из Microsoft, который недавно продал свой игровой стартап китайской интернет-компании. Идея ему понравилась, так как в то время он как раз пробовал заниматься машинным обучением, используя доступные на тот момент инструменты. «Вообще я человек неглупый, - говорит Браун - я приехал в Китай и выучил их язык, работал программистом в Microsoft, но даже для меня это было слишком». Он согласился стать сооснователем Bonsai. (Название было выбрано, потому что в этом японском искусстве достигается идеальный баланс между естественным и искусственным. Еще одно преимущество появилось, когда владельцы интернет-домена разрешили молодой компании зарегистрировать свой сайт по адресу bons.ai .)
Bonsai – не единственная компания, работающая над решением проблемы нехватки квалифицированных специалистов по ИИ. Некоторые из более крупных компаний поняли необходимость обучения собственных кадров и обучения обычных программистов в мастеров по нейросетям: в Google создали целую серию внутренних программ, а Apple стала обращать внимание на навыки и личные качества программистов, которые помогли бы им быстрее освоить нужные умения. Как уже говорилось выше, Google также выпустила в широкий доступ программу TensorFlow, благодаря которой ее инженерам проще создавать нейросети. Уже доступны и другие наборы инструментов для создания ИИ, и, без сомнения, таких инструментов будет становиться только больше.
«Мы открываем новые возможности для тех, кто не является ученым или программистом»
В то же время другие стартапы тоже трудятся во имя демократизации ИИ. Компания Bottlenose решает проблему нехватки ученых, но для другой целевой аудитории: если Bonsai делает свой продукт в первую очередь для разработчиков ПО, Bottlenose планирует облегчить жизнь бизнес-аналитикам. Однако мотивы те же самые. «Мы открываем новые возможности для тех, кто не является ученым или программистом», - говорит генеральный директор компании Нова Спивак. Некоторые стартапы собираются затронуть еще больше пользователей: презентация компании Clarifai на конференции О’Райли называлась «Как сделать так, чтобы каждый человек на планете мог обучить и использовать ИИ».
Таким образом, хотя Bonsai, похоже, появилась в нужное время в нужном месте, сейчас индустрия ИИ настолько бурно развивается, что у стартапа Хаммонда могут возникнуть трудности с привлечением к себе внимания. Адам Чейер, специалист по ИИ, который участвовал в создании и сейчас занимает пост главного инженера , уже видел продукт Bonsai и остался очень впечатлен. Но он отмечает, что, хотя Bonsai делает ИИ доступным даже новичкам, людям все равно придется совершать умственные усилия, чтобы разобраться в их языке программирования и общем устройстве системы. «Когда новый продукт выпускает большая компания вроде Google, люди со всех ног бросаются его пробовать. Но если такой же продукт делает стартап, привлечь к нему людей намного сложнее. Хватит ли у них сил, чтобы задействовать достаточное количество пользователей и сделать свой инструмент популярным? Получится ли все у Bonsai или нет – сложно сказать прямо сейчас».
Компания создала систему из нескольких компонентов, среди которых Brain, облачная система для создания нейросетей, язык написания скриптов под названием Inkling и Mastermind, «интегрированная среда для разработки», которая предоставляет программистам все необходимые инструменты в одном месте. («Приложение для создания приложений», - объясняет Браун). Система Bonsai доступна для бета-тестирования.
Марк Хаммонд в главном офисе Bonsai в центре Беркли. Фото: Backchannel
Как объясняет Хаммонд, построение нейросети с помощью Bonsai в нескольких ключевых моментах отличается от того, как это делают профессионалы. На сегодня вам приходится решать, какие инструменты лучше всего подходят для решения проблемы, а для этого решения требуются знания и опыт. По словам Хаммонда, Bonsai делает это за вас. Вам остается только изложить основы того, чему вы хотите научить систему.
Так что пока опытные инженеры систем ИИ «тренируют» сеть, сравнивая информацию на выходе с желаемым результатом (например, показывая сети фотографии собак и поощряя ее при выводе подходящих характеристик), Bonsai позволяет вам «научить» систему, просто разбив весь процесс на основные принципы. Если продолжить пример с собаками, то вы могли бы упомянуть такие вещи, как четыре лапы, морда и язык, свисающий изо рта. Вы даете только необходимую базу, а облачный «умный движок» Bonsai, в который входит и «мозг», доводит дело до конца.
Такой подход дает косвенный положительный эффект: ученые, обучившие традиционную нейросеть, часто понятия не имеют, как именно творится магия, потому что такие сети в основном перенастраивают себя сами, организуя все понятным только себе образом. В случае с Bonsai понять принципы мышления сети можно по тем правилам, которые заложил пользователь. «Программное обеспечение не должно быть черным ящиком», - говорит Хаммонд. К примеру, если вы создаете программу для беспилотного автомобиля, и он не остановился в нужный момент, вы должны иметь возможность вникнуть и понять, почему система приняла такое решение. Примерно так же Amazon объясняет , почему та или иная книга появилась у вас в рекомендациях.
Один большой вопрос к подходу Bonsai состоит в том, снизят ли все эти абстрактные вещи производительность и эффективность. Обычно именно это происходит при использовании компиляторов: программы, написанные с их помощью, работают не так быстро и эффективно, как те, что написаны на языке ассемблера и передаются напрямую в аппаратную часть. Кроме того, говорить, что система, которая сама выбирает инструмент для использования, делает это лучше тех профессоров, которым уже вроде как и не нужно заниматься построением нейросетей, было бы явным преувеличением.
«Я думаю, всегда приходится идти на компромисс, - говорит Лайла Третиков, специалист по ИИ, ранее работавшая главой фонда Wikimedia Foundation и консультировавшая Bonsai. - Результаты будут не совсем такими же, как если задействовать группу ученых. Но я не уверена, что важнее: качество или сама по себе возможность это сделать». Адам Чейер из Viv также предполагает, что код Bonsai может работать не так эффективно, как ПО, оптимизированное под конкретную задачу. «Но это все равно чертовски хороший код, и он позволяет вам не вдаваться в ненужные тонкости», - добавляет он. Чейер также говорит, что в его компании, где как раз работают столь ценные специалисты по ИИ, вряд ли будут пользоваться Bonsai - разве что для создания прототипа какой-либо из идей перед тем, как реализовать ее старым проверенным способом.
Bonsai помогает движению за появление доступа к ИИ у людей, не имеющих специальной подготовки
Хаммонд, в свою очередь, заверяет, что проигрыш в качестве при использовании Bonsai совсем не велик. «Производительность со временем увеличивается, – говорит он – в это просто нужно поверить». Когда-нибудь в это можно будет не только поверить, но и проверить.
У Bonsai большие планы на следующие несколько месяцев. Совсем скоро компания объявит о начале сотрудничества с производителем компонентов Nvidia, и клиенты Bonsai смогут получить более качественные результаты при использовании оборудования этой марки. Также компания опубликует информацию о своем договоре с центром Siemens TTB, который последние несколько месяцев тестировал систему Bonsai в области автоматизации и контроля производства.
Bonsai пытается решить проблемы, которые не смогли решить даже самые могущественные компании. «Мы работаем над многими играми», - добавляет Хаммонд и объясняет, что игры решают ключевые проблемы, которые планируют разрешить в Bonsai. «Некоторые игры не поддаются даже DeepMind. Хотя они научили свой алгоритм играть во множество игр помимо «Тенниса», пока их система еще не способна играть в «Пакмена».
Но намного важнее то, как Bonsai помогает движению за появление доступа к ИИ у людей, не имеющих специальной подготовки. Со временем инструменты высокого уровня будут становиться все мощнее и, в конце концов, станут повсеместными. Дойдем ли мы до того момента, когда каждый человек сможет обучить и использовать искусственный интеллект? Скажем так: очень много денег поставлено именно на этот вариант развития событий.
С нейронными сетями я познакомился довольно давно. Отношение к ним, как к средству решения прикладных задач, у меня довольно противоречивое. С одной стороны, ни одной задачи, для которых я использовал сети, решить с удовлетворяющим меня результатом я так и не смог (но нужно оговориться, что и задачи были сверхсложные), а с другой стороны, удалось в достаточной степени оценить мощь аналитического потенциала нейронных сетей и их способность давать оценки и прогнозы на самых разнообразных множествах.
Так как интерес мой к сетям периодически возникал на протяжении последних лет, то идея написать обработку для построения и обучения нейронной сети витала, что называется, в воздухе. Однако, реализовать идею удалось только в последние несколько (честно, даже не помню сколько) месяцев. Борьба за себя - это прежде всего борьба с собой, а точнее, с собственной ленью и невежеством. И этот раунд остался за мной:) Так как делал прежде всего для себя - выкладываю то, что получилось, совершенно даром.
Что из себя представляет данная разработка? Перечислю основные возможности и функционал. При этом имеем в виду и помним, что реализована она только на управляемых формах.
1. Панель управления проектом . В принятых мной терминах под заданием понимается совокупность собственно нейронной сети, исходных данных для обучения, настроек параметров обучения и сохранения результатов. Панель управления проектом позволяет редактировать компоненты задания (кроме нейронной сети), управлять процессом обучения и контролировать результаты обучения сети. Также присутствуют возможности сохранения и загрузки заданий и готовых сетей. Отдельно отмечу наличие опции сохранения результатов. Если в проекте имеется загруженная / созданная сеть и загружен массив исходных данных то по параметрам сети происходит расчет и выгрузка результатов во внешний файл (таблицу значений или книгу Excel). Аналогично можно узнать результаты возвращаемые сетью для любого набора интерактивно введенных аргументов.
2. Редактор нейронной сети (многослойного персептона). Дает возможность создавать и редактировать нейронную сеть. Визуально сеть отображается в виде структуры из разноцветных шаров. Зеленые шары - входные ядра, красные - выходные, а желтые - ядра внутренних слоев. Имеется возможность устанавливать количество слоев и ядер в них. Для загруженных заданий и сетей, а также в случае, когда для обучения проекта уже были загружены данные, количество входных и выходных ядер принимается равным количеству существующих аргументов и результатов. При нажатии кнопки "Сохранить сеть" происходит сохранение сети в параметрах обработки и инициализация начальных весов ребер случайным образом. То есть даже если мы не изменяли структуру сети ее можно очистить от результатов предыдущего обучения заново сохранив в редакторе.
3. Подсистема анализа хода обучения . Подсистема очень проста и представляет собой график, демонстрирующий ход обучения сети в данном проекте. Шаг сбора статистики и общее число шагов обучения настраиваются в "Панели управления проектом". Статистику нельзя видеть в real time по ходу обучения. Она является такой же составной частью проекта, как сеть и массивы данных для обучения и будет обновлена и записана в проект по завершению обучения вместе с новыми параметрами сети. Соответственно если в загруженном проекте при предыдущем обучении была включена опция ведения статистики то просмотр графиков ошибок аппроксимации доступен сразу после загрузки задания (проекта).
4. Модуль обработки . Модуль обработки я также выделяю в отдельную подсистему из-за наличия экспортных функций и процедур, позволяющих проводить обучение сетей и получать результаты расчетов из сети, используя внешние вызовы. Собственно для меня эти функции и являются самыми важными в разработке. Файл со спецификацией проекта прилагается и любой проект, созданный любым способом в соответствии с данной спецификацией может быть обучен, и может быть получен нужный результат из созданной в соответствии со спецификацией сети. Но так как на практике создание, редактирование и обучение сетей довольно трудоемкий и творческий процесс, то визуальные редакторы и панель управления - вполне логичный шаг для упрощения и повышения качества работы. Но еще раз повторюсь - в теории можно было бы обойтись без них, так как модуль обработки представляет собой полностью достаточный функционал для работы с готовыми заданиями и сетями. Остальные подсистемы это лишь мой вариант дизайна кухни для их приготовления.
Теперь немного расскажу о параметрах сети и о процессе обучения.
Среди множества активационных функций нейронов для данного проекта я выбрал логистический сигмоид Ферми. Самая популярная функция в нейронных сетях и (если понимаете в чем суть обучения) очень просто дифференцируема.
Алгоритм обучения - обратное распространение ошибки. За подробностями, если интересно, к Google.
Норма скорости обучения - адаптивная. На страте принимается значение, указанное в параметрах, но по ходу обучения скорость обучения может меняться. Принцип модификации скорости состоит в том, что в случае когда между шагами обучения направление градиента для ребра сети не меняется скорость обучения умножается на коэффициент К>1, а в случае изменения знака градиента множитель К становится <1. Таким образом, норма обучения хотя и остается важнейшим параметром обучения, но ее неправильный выбор может быть в значительной степени скорректирован модификаторами.
Обучающая выборка . Все переданные в качестве аргументов и результатов данные рандомно делятся перед началом обучения на 3 части (Тренировочная, Тестовая и Верификационная) в соотношении 7:2:1. Причем этот рандом каждый раз разный и данные делятся перед каждым циклом обучения. В итоге Вы видите картину, что при запуске второго (третьего и т.д.) цикла обучения одного и того же проекта ошибки аппроксимации могут на первых шагах резко просесть или подскочить. Это не от того что была взята не та сеть - просто новый рандом выборок и новые значения ошибок.
Что же это за выборки? Тренировочная - понятно. Тестовая - не участвует прямо в обучении, но ее ошибка видна в процессе. Судя по значению тренировочной ошибки, а точнее видя ее динамику в сравнении с ошибкой тренировки можно судить о том не переучена ли сеть (ошибки расходятся) и вообще насколько адекватно данным построена модель сети.
Верификационная выборка - не видна пользователю до самого конца обучения. Так как в процессе обучения мы можем следить за тестовой выборкой, то она тоже косвенно является объектом обучения. В данном случае верификация - финальный и самый непредвзятый судья качества получившейся сети.
Классический пример переучившейся сети это когда ошибки тренировки и теста сначала снижаются, а потом расходятся и ошибка теста бесконечно возрастает. Сеть, возможно, сумела "запомнить" всю тренировочную выборку и теперь подстраивается не под обобщающие характеристики всей выборки, а "шлифует" только тренировочные данные. Как правило это случается когда исходная выборка слишком мала или слишком однородна и / или количество внутренних слоев и нейронов при этом слишком велико.
Теперь о способах запуска процесса обучения из формы обработки. Их всего 3:
1. Обычный запуск процесса. Стартуем обучение в текущем сеансе и ждем окончания. Так как до окончания вызова сервера ничего на клиент вернуть нельзя - ждем и надеемся, что все будет хорошо.
2. Запуск через фоновое задание из внешней обработки. Думаю, что здесь все более или менее понятно. Естественно, что обработка должна быть зарегистрирована в справочнике дополнительных отчетов и обработок и в конфигурации должна присутствовать БСП версии не ниже 1.2.1.4. В этом случае у меня все прекрасно работает.
3. Запуск через фоновое задание обработки конфигурации. Это если Вам так понравится обработка, что Вы начнете ее регулярно использовать и встроите в конфигурацию. Здесь, конечно, можно было бы рекомендовать Вам сделать запускающий фоновое задание допил, но можно попробовать и через БСП. Вот только версия должна быть даже не знаю уже какая, но довольно свежая.
Варианты с запуском в фоновом задании наиболее удобны и информативны, так как на форме все-таки что-то можно еще делать, да и информация по ходу обучения периодически обновляется за счет получения и обработки сообщений от фонового задания.
Пару слов скажу еще об опции предварительного обучения. Не буду давать ссылку на умную статью, где доказывается, что предварительный подбор весов нейронных синапсов дает существенный прирост в качестве и сокращение времени обучения сети. Скажу лишь что поверил уважаемым кандидатам наук на слово. Написал блок предварительного подбора и оценки начальных весов и... существенного прогресса не заметил. Здесь уж или лыжи не едут или со мной не все так как нужно, но опцию сохранил. Можете пользоваться перед началом обучения новой сети, а можете не пользоваться.
Что в приложенном архиве? Описание состава проекта сети (спецификация) для самостоятельной разработки проектов (MS Word ), демо-файлы проекта и сети, а также набор из 2-х файлов демо данных. Данные - это таблицы значений с наборами аргументов и результатов.
Обработка выложена отдельным файлом для удобства обновления и замены новыми версиями. Самая важная часть дополнительных материалов - спецификация проекта сети содержится в справке обработки, так что в принципе можно скачивать только саму обработку для экономии $ m . Функционал и документацию при этом Вы получите в полном объеме.
На этом, думаю, стоит заканчивать. Текста и так получилось многовато. Естественно, что по ходу использования обработки на конкретных данных и реальных примерах, у Вас будет возникать множество вопросов и замечаний. Основные ответы и советы приведены выше - то есть сначала внимательно читаем описание. Есть также справка в главной форме обработки. Ее тоже можно почитать. Ну а для всего остального, что не описано или не понятно - комменты.
В этот раз я решил изучить нейронные сети. Базовые навыки в этом вопросе я смог получить за лето и осень 2015 года. Под базовыми навыками я имею в виду, что могу сам создать простую нейронную сеть с нуля. Примеры можете найти в моих репозиториях на GitHub. В этой статье я дам несколько разъяснений и поделюсь ресурсами, которые могут пригодиться вам для изучения.
Шаг 1. Нейроны и метод прямого распространения
Так что же такое «нейронная сеть»? Давайте подождём с этим и сперва разберёмся с одним нейроном.
Нейрон похож на функцию: он принимает на вход несколько значений и возвращает одно.
Круг ниже обозначает искусственный нейрон. Он получает 5 и возвращает 1. Ввод - это сумма трёх соединённых с нейроном синапсов (три стрелки слева).
В левой части картинки мы видим 2 входных значения (зелёного цвета) и смещение (выделено коричневым цветом).
Входные данные могут быть численными представлениями двух разных свойств. Например, при создании спам-фильтра они могли бы означать наличие более чем одного слова, написанного ЗАГЛАВНЫМИ БУКВАМИ, и наличие слова «виагра».
Входные значения умножаются на свои так называемые «веса», 7 и 3 (выделено синим).
Теперь мы складываем полученные значения со смещением и получаем число, в нашем случае 5 (выделено красным). Это - ввод нашего искусственного нейрона.
Потом нейрон производит какое-то вычисление и выдает выходное значение. Мы получили 1, т.к. округлённое значение сигмоиды в точке 5 равно 1 (более подробно об этой функции поговорим позже).
Если бы это был спам-фильтр, факт вывода 1 означал бы то, что текст был помечен нейроном как спам.
Иллюстрация нейронной сети с Википедии.
Если вы объедините эти нейроны, то получите прямо распространяющуюся нейронную сеть - процесс идёт от ввода к выводу, через нейроны, соединённые синапсами, как на картинке слева.
Шаг 2. Сигмоида
После того, как вы посмотрели уроки от Welch Labs, хорошей идеей было бы ознакомиться с четвертой неделей курса по машинному обучению от Coursera , посвящённой нейронным сетям - она поможет разобраться в принципах их работы. Курс сильно углубляется в математику и основан на Octave, а я предпочитаю Python. Из-за этого я пропустил упражнения и почерпнул все необходимые знания из видео.
Сигмоида просто-напросто отображает ваше значение (по горизонтальной оси) на отрезок от 0 до 1.
Первоочередной задачей для меня стало изучение сигмоиды , так как она фигурировала во многих аспектах нейронных сетей. Что-то о ней я уже знал из третьей недели вышеупомянутого курса , поэтому я пересмотрел видео оттуда.
Но на одних видео далеко не уедешь. Для полного понимания я решил закодить её самостоятельно. Поэтому я начал писать реализацию алгоритма логистической регрессии (который использует сигмоиду).
Это заняло целый день, и вряд ли результат получился удовлетворительным. Но это неважно, ведь я разобрался, как всё работает. Код можно увидеть .
Вам необязательно делать это самим, поскольку тут требуются специальные знания - главное, чтобы вы поняли, как устроена сигмоида.
Шаг 3. Метод обратного распространения ошибки
Понять принцип работы нейронной сети от ввода до вывода не так уж и сложно. Гораздо сложнее понять, как нейронная сеть обучается на наборах данных. Использованный мной принцип называется
Джеймс Лой, Технологический университет штата Джорджия. Руководство для новичков, после которого вы сможете создать собственную нейронную сеть на Python.
Мотивация: ориентируясь на личный опыт в изучении глубокого обучения, я решил создать нейронную сеть с нуля без сложной учебной библиотеки, такой как, например, . Я считаю, что для начинающего Data Scientist-а важно понимание внутренней структуры .
Эта статья содержит то, что я усвоил, и, надеюсь, она будет полезна и для вас! Другие полезные статьи по теме:
Что такое нейронная сеть?
Большинство статей по нейронным сетям при их описании проводят параллели с мозгом. Мне проще описать нейронные сети как математическую функцию, которая отображает заданный вход в желаемый результат, не вникая в подробности.
Нейронные сети состоят из следующих компонентов:
- входной слой, x
- произвольное количество скрытых слоев
- выходной слой, ŷ
- набор весов и смещений между каждым слоем W и b
- выбор для каждого скрытого слоя σ ; в этой работе мы будем использовать функцию активации Sigmoid
На приведенной ниже диаграмме показана архитектура двухслойной нейронной сети (обратите внимание, что входной уровень обычно исключается при подсчете количества слоев в нейронной сети).
Создание класса Neural Network на Python выглядит просто:
Обучение нейронной сети
Выход ŷ простой двухслойной нейронной сети:
В приведенном выше уравнении, веса W и смещения b являются единственными переменными, которые влияют на выход ŷ.
Естественно, правильные значения для весов и смещений определяют точность предсказаний. Процесс тонкой настройки весов и смещений из входных данных известен как .
Каждая итерация обучающего процесса состоит из следующих шагов
- вычисление прогнозируемого выхода ŷ, называемого прямым распространением
- обновление весов и смещений, называемых
Последовательный график ниже иллюстрирует процесс:
Прямое распространение
Как мы видели на графике выше, прямое распространение - это просто несложное вычисление, а для базовой 2-слойной нейронной сети вывод нейронной сети дается формулой:
Давайте добавим функцию прямого распространения в наш код на Python-е, чтобы сделать это. Заметим, что для простоты, мы предположили, что смещения равны 0.
Однако нужен способ оценить «добротность» наших прогнозов, то есть насколько далеки наши прогнозы). Функция потери как раз позволяет нам сделать это.
Функция потери
Есть много доступных функций потерь, и характер нашей проблемы должен диктовать нам выбор функции потери. В этой работе мы будем использовать сумму квадратов ошибок в качестве функции потери.
Сумма квадратов ошибок - это среднее значение разницы между каждым прогнозируемым и фактическим значением.
Цель обучения - найти набор весов и смещений, который минимизирует функцию потери.
Обратное распространение
Теперь, когда мы измерили ошибку нашего прогноза (потери), нам нужно найти способ распространения ошибки обратно и обновить наши веса и смещения.
Чтобы узнать подходящую сумму для корректировки весов и смещений, нам нужно знать производную функции потери по отношению к весам и смещениям.
Напомним из анализа, что производная функции - это тангенс угла наклона функции.
Если у нас есть производная, то мы можем просто обновить веса и смещения, увеличив/уменьшив их (см. диаграмму выше). Это называется .
Однако мы не можем непосредственно вычислить производную функции потерь по отношению к весам и смещениям, так как уравнение функции потерь не содержит весов и смещений. Поэтому нам нужно правило цепи для помощи в вычислении.
Фух! Это было громоздко, но позволило получить то, что нам нужно - производную (наклон) функции потерь по отношению к весам. Теперь мы можем соответствующим образом регулировать веса.
Добавим функцию backpropagation (обратного распространения) в наш код на Python-е:
Проверка работы нейросети
Теперь, когда у нас есть наш полный код на Python-е для выполнения прямого и обратного распространения, давайте рассмотрим нашу нейронную сеть на примере и посмотрим, как это работает.
Идеальный набор весов Наша нейронная сеть должна изучить идеальный набор весов для представления этой функции.
Давайте тренируем нейронную сеть на 1500 итераций и посмотрим, что произойдет. Рассматривая график потерь на итерации ниже, мы можем ясно видеть, что потеря монотонно уменьшается до минимума. Это согласуется с алгоритмом спуска градиента, о котором мы говорили ранее.
Посмотрим на окончательное предсказание (вывод) из нейронной сети после 1500 итераций.
Мы сделали это! Наш алгоритм прямого и обратного распространения показал успешную работу нейронной сети, а предсказания сходятся на истинных значениях.
Заметим, что есть небольшая разница между предсказаниями и фактическими значениями. Это желательно, поскольку предотвращает переобучение и позволяет нейронной сети лучше обобщать невидимые данные.
Финальные размышления
Я многому научился в процессе написания с нуля своей собственной нейронной сети. Хотя библиотеки глубинного обучения, такие как TensorFlow и Keras, допускают создание глубоких сетей без полного понимания внутренней работы нейронной сети, я нахожу, что начинающим Data Scientist-ам полезно получить более глубокое их понимание.
Я инвестировал много своего личного времени в данную работу, и я надеюсь, что она будет полезной для вас!
