京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
作者 | Jean-Louis Queguiner
来源 | 机器之心
「神经网络就像数数一样简单」,「卷积层只是一个蝙蝠信号灯」……在本文中,一位奶爸从手写数字识别入手,用这样简单的语言向自己 8 岁的女儿解释了一下「深度学习」。当然,用这篇文章向女朋友(如果有的话)科普自己的工作也是可以的。
机器学习,尤其是深度学习是一个热门话题,你肯定会在媒体上看到流行语「人工智能」。
然而,这些并非新概念。第一个人工神经网络(ANN)是在 40 年代引入的。那么为什么最近的热点话题都是关于神经网络和深度学习的呢?我们将在 GPU 和机器学习的一系列博客文章中探讨这些概念。
在 80 年代,我记得我父亲构建了用于银行支票的字符识别工具。检查这么多不同类型的笔迹真的是一件痛苦的事,因为他需要一个方程来适应所有的变化。
在过去几年中,很明显,处理这类问题的最佳方法是通过卷积神经网络。人类设计的方程不再适合处理无限的手写模式。
让我们来看看最经典的例子之一:构建一个数字识别系统,一个识别手写数字的神经网络。
事实 1:神经网络就像数数一样简单
我们首先计算最上面一行的红色形状在每个黑色手写数字中出现了几次。
▲手写数字的简化矩阵
现在让我们尝试通过计算具有相同红色形状的匹配数来识别(推断)新的手写数字。然后我们将其与之前的表格进行比较,以确定这个数字与哪个数字有最强的关联:
▲匹配手写数字的形状
恭喜!你刚刚构建了世界上最简单的神经网络系统,用于识别手写数字。
事实 2:图像只是一个矩阵
计算机将图像视为矩阵。一张黑白图像是个 2D 矩阵。
我们来考虑一张图像。为了简单起见,我们拍摄一张数字 8 的小黑白图像,方形尺寸为 28 像素。
矩阵的每个单元表示从 0(表示黑色)到 255(表示纯白色像素)的像素强度。
因此,图像将表示为以下 28×28 的像素矩阵。
▲手写数字 8 的图像和相关的强度矩阵
事实 3:卷积层只是一个蝙蝠信号灯
为了确定图片中显示的图案(此处指手写数字 8),我们将使用一种蝙蝠信号灯/手电筒。在机器学习中,手电筒被称为过滤器(filter)。该过滤器用于执行 Gimp 等常见图像处理软件中用到的经典卷积矩阵计算。
过滤器将扫描图片,以便在图像中找到图案,并在匹配成功时触发正反馈。它有点像儿童形状分类盒:三角形过滤器匹配三角形孔,方形过滤器匹配方孔等。
▲图像过滤器像儿童形状分类盒一样工作。
事实 4:过滤器匹配是一项易并行任务
更科学地来讲,图像过滤过程看起来有点像下面的动画。如你所见,过滤器扫描的每个步骤都是相互独立的,这意味着此任务可以高度并行化。
要注意,数十个过滤器将同时运行,因为它们不相互依赖。
事实 5:尽可能多次重复过滤操作(矩阵卷积)
我们刚刚看到,输入图像/矩阵使用多个矩阵卷积进行过滤。
为了提高图像识别的准确率,只需从前一个操作中获取过滤后的图像,然后一次又一次地过滤......
当然,我们过分简化了一些事情,但通常你使用的过滤器越多,按顺序重复这个操作的次数越多,你的结果就越精确。
这就像创建新的抽象层以获得更清晰的对象过滤器描述,从原始过滤器到看起来像边缘、轮子、正方形、立方体等的过滤器......
事实 6:矩阵卷积只是乘、加运算
一图胜千言:下图是使用卷积过滤器(3×3)过滤的源图像(8×8)的简化视图。手电筒(此处为 Sobel Gx 过滤器)的投影提供一个值。
▲应用于输入矩阵的卷积过滤器(Sobel Gx)示例
这就是这种方法的神奇之处,简单的矩阵运算是高度并行化的,完全符合通用图形处理单元的用例。
事实 7:需要简化和总结检测到的内容吗?只需使用 max()
我们需要总结过滤器检测到的内容,以便学到概括性的知识。
为此,我们将对先前过滤操作的输出进行采样。
此操作称为池化或下采样,但实际上它是为了减小矩阵的大小。
你可以使用任何缩小操作,例如:最大化,最小化,取平均值,计数,取中位数,求和等等。
▲最大池化层示例
事实 8:将输出扁平化,得出最终结果
不要忘记我们正在研究的神经网络的主要目的:建立一个图像识别系统,也称为图像分类。
如果神经网络的目的是检测手写数字,那么输入图像最后将被映射到 10 个类:[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]。
要在通过所有这些过滤器和下采样层之后,才将此输入映射到类,我们将只有 10 个神经元(每个神经元代表一个类),每个神经元将连接到最后一个子采样层。
以下是由 Yann Lecun 设计的原始 LeNet-5 卷积神经网络的概述,他是早期采用该技术进行图像识别的人之一。
▲原始论文中的 LeNet-5 架构
事实 9:深度学习只是基于反馈回路的持续改进
技术之美不仅来自卷积,而且来自网络自身学习和适应的能力。通过实现名为反向传播的反馈回路,网络将使用权重来减轻和抑制不同层中的一些「神经元」。
我们来看看网络的输出,如果猜测(输出 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 或 9)是错误的,我们要看一下是哪个/些过滤器「出了错」,找到之后,我们给这个/些过滤器一个小小的权重,这样它们下次就不会犯同样的错误。瞧!系统在学习并不断改进自己。
事实 10:这一切都说明,深度学习是易并行过程
提取数千个图像,运行数十个过滤器,采用下采样,扁平化输出...... 所有这些步骤可以并行完成,这使得系统易于并行。它只是 GPGPU(通用图形处理单元)的完美用例,非常适合大规模并行计算。
事实 11:需要更精确?那网络就再深一点
当然这有点过于简单化,但如果我们看一下主要的「图像识别竞赛」,即 ImageNet 挑战,我们就可以看到错误率随着神经网络的深度增加而降低。人们普遍认为,排除其他因素,网络深度的增加将带来更好的泛化能力和准确性。
▲Imagenet 挑战赛获胜者错误率 VS 网络中的层数
结论
我们简要介绍了应用于图像识别的深度学习概念。值得注意的是,几乎所有用于图像识别的新架构(医疗、卫星、自动驾驶......)都使用相同的原理,只是具有不同数量的层,不同类型的滤波器,不同的初始化点,不同的矩阵大小,不同的技巧(如图像增强、dropout、权重压缩...)。概念都是一样的:
▲手写数字识别过程
深度学习模型的训练和推理可以归结为并行完成的大量基本矩阵运算,确切地说,这正是我们已有的图形处理器(GPU)的用途。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
一、问题:为什么 ID 会"断号" 很多刚接触 MySQL 的同学都会有一个困惑:表里的主键 ID 是自增的,删了中间几行数据之后,ID 变 ...
2026-10-22一、问题场景:为什么会重复 JOIN 同一个子查询 在写复杂 SQL 时,经常遇到这种需求:同一张表或同一个聚合子查询,要和主表关联 ...
2026-10-22人力资源专员是HR体系的执行入口。招聘信息发布、简历初筛、面试安排、考勤汇总、入离职手续、劳动合同与档案管理,大多由这个岗 ...
2026-10-22人力资源经理问“必学技巧”,真正要解决的不是知识清单不够长,而是时间有限、业务催得紧,学完却用不上。更有效的路径是:先用 ...
2026-10-22内容营销岗位的核心任务,不是“把文案写得更漂亮”,而是围绕目标受众,用持续的内容供给影响认知、推动转化并沉淀复购。它至少 ...
2026-10-22理财经理培训课程很多,难的是判断“先学什么、后学什么、学完能做什么”。与其按课程名称罗列,不如先看岗位任务:客户分层与维 ...
2026-10-22理财经理的知识结构,可以先用一句话概括:合规与产品知识决定“不出错”,客户经营与资产配置决定“够不够专业”,市场研判与数 ...
2026-10-22经济学背景做数据分析,优势不在工具,而在问题意识:供需如何相互作用、成本与收益如何权衡、变量之间是相关还是因果。真正的缺 ...
2026-10-22需要,但要把“需要”理解准确。经济学本身就在处理数据:GDP、物价、就业、企业营收、问卷调研,都是经济分析的原料。真正的区 ...
2026-10-22经济学分析能力不是单一技能,它至少由三层构成:把现实问题转成可检验假设的理论框架能力、用数据与统计方法验证假设的工具能力 ...
2026-10-22金融分析师的知识提升,先补的不是更多模型,而是让结论可复核的底层能力。按任务顺序,大致是四层:财务与业务理解、指标口径管 ...
2026-10-22金融分析师的“通用技能”,指换到不同机构、不同行业组仍用得上的底层能力,而非某家公司内部系统的操作经验。按任务拆,日常要 ...
2026-10-22先给结论:数据分析证书不是金融分析师的准入条件,招聘方也不会因为一张证书就直接判断你能做分析。要不要考,取决于你当前任务 ...
2026-10-22金融分析师的核心技能,不是“会看K线”或“会讲宏观”,而是能把一家公司、一个行业或一类资产,转化为可核查的数据判断与书面 ...
2026-10-22产品经理的知识提升,不是把需求文档、原型、SQL、数据分析、项目管理都学一遍,而是先对准目标岗位的真实任务,找出自己最缺的 ...
2026-10-22产品专员提升工作知识,最有效的方式不是先囤课程,而是围绕日常交付的四件事来补:需求调研与优先级判断、原型与PRD表达、竞品 ...
2026-10-22产品运营专员提升个人能力,常见误区是先把Excel、SQL、Python列成一张学习清单,然后从第一个工具开始学。更有效的做法是先回答 ...
2026-10-22产品运营的能力提升,最怕从“课程目录”出发:今天学增长模型,明天背SQL语法,学完却说不清自己负责的功能为什么激活率低。更 ...
2026-10-22产品经理的技能和影响力不是两条分开的赛道。技能决定你能不能把问题分析清楚、把方案设计对;影响力决定你的判断能否被团队接受 ...
2026-10-22产品经理要学的数据分析能力,不是“会写SQL”或“会用BI工具”这么简单。更准确地说,是围绕需求评估、功能迭代、指标监控、实 ...
2026-10-22