0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое нейросеть

Простыми словами о сложном: что такое нейронные сети?

Искусственный интеллект, нейронные сети, машинное обучение — что на самом деле означают все эти нынче популярные понятия? Для большинства непосвященных людей, коим являюсь и я сам, они всегда казались чем-то фантастическим, но на самом деле суть их лежит на поверхности. У меня давно созревала идея написать простым языком об искусственных нейронных сетях. Узнать самому и рассказать другим, что представляет собой эта технология, как она работает, рассмотреть ее историю и перспективы. В этой статье я постарался не залезать в дебри, а просто и популярно рассказать об этом перспективном направление в мире высоких технологий.

Немного истории

Впервые понятие искусственных нейронных сетей (ИНС) возникло при попытке смоделировать процессы головного мозга. Первым серьезным прорывом в этой сфере можно считать создание модели нейронных сетей МакКаллока-Питтса в 1943 году. Учеными впервые была разработана модель искусственного нейрона. Ими также была предложена конструкция сети из этих элементов для выполнения логических операций. Но самое главное, учеными было доказано, что подобная сеть способна обучаться.

Следующим важным шагом стала разработка Дональдом Хеббом первого алгоритма вычисления ИНС в 1949 году, который стал основополагающем на несколько последующих десятилетий. В 1958 году Фрэнком Розенблаттом был разработан парцептрон — система, имитирующая процессы головного мозга. В свое время технология не имела аналогов и до сих пор является основополагающей в нейронных сетях. В 1986 году практически одновременно, независимо друг от друга американскими и советскими учеными был существенно доработан основополагающий метод обучения многослойного перцептрона. В 2007 году нейронные сети перенесли второе рождение. Британский информатик Джеффри Хинтоном впервые разработал алгоритм глубокого обучения многослойных нейронных сетей, который сейчас, например, используется для работы беспилотных автомобилей.

Коротко о главном

В общем смысле слова, нейронные сети — это математические модели, работающие по принципу сетей нервных клеток животного организма. ИНС могут быть реализованы как в программируемые, так и в аппаратные решения. Для простоты восприятия нейрон можно представить, как некую ячейку, у которой имеется множество входных отверстий и одно выходное. Каким образом многочисленные входящие сигналы формируются в выходящий, как раз и определяет алгоритм вычисления. На каждый вход нейрона подаются действенные значения, которые затем распространяются по межнейронным связям (синопсисам). У синапсов есть один параметр — вес, благодаря которому входная информация изменяется при переходе от одного нейрона к другому. Легче всего принцип работы нейросетей можно представить на примере смешения цветов. Синий, зеленый и красный нейрон имеют разные веса. Информация того нейрона, вес которого больше будет доминирующей в следующем нейроне.

Сама нейросеть представляет собой систему из множества таких нейронов (процессоров). По отдельности эти процессоры достаточно просты (намного проще, чем процессор персонального компьютера), но будучи соединенными в большую систему нейроны способны выполнять очень сложные задачи.

В зависимости от области применения нейросеть можно трактовать по-разному, Например, с точки зрения машинного обучения ИНС представляет собой метод распознавания образов. С математической точки зрения — это многопараметрическая задача. С точки зрения кибернетики — модель адаптивного управления робототехникой. Для искусственного интеллекта ИНС — это основополагающее составляющее для моделирования естественного интеллекта с помощью вычислительных алгоритмов.

Основным преимуществом нейросетей над обычными алгоритмами вычисления является их возможность обучения. В общем смысле слова обучение заключается в нахождении верных коэффициентов связи между нейронами, а также в обобщении данных и выявлении сложных зависимостей между входными и выходными сигналами. Фактически, удачное обучение нейросети означает, что система будет способна выявить верный результат на основании данных, отсутствующих в обучающей выборке.

Сегодняшнее положение

И какой бы многообещающей не была бы эта технология, пока что ИНС еще очень далеки от возможностей человеческого мозга и мышления. Тем не менее, уже сейчас нейросети применяются во многих сферах деятельности человека. Пока что они не способны принимать высокоинтеллектуальные решения, но в состоянии заменить человека там, где раньше он был необходим. Среди многочисленных областей применения ИНС можно отметить: создание самообучающихся систем производственных процессов, беспилотные транспортные средства, системы распознавания изображений, интеллектуальные охранные системы, робототехника, системы мониторинга качества, голосовые интерфейсы взаимодействия, системы аналитики и многое другое. Такое широкое распространение нейросетей помимо прочего обусловлено появлением различных способов ускорения обучения ИНС.

На сегодняшний день рынок нейронных сетей огромен — это миллиарды и миллиарды долларов. Как показывает практика, большинство технологий нейросетей по всему миру мало отличаются друг от друга. Однако применение нейросетей — это очень затратное занятие, которое в большинстве случаев могут позволить себе только крупные компании. Для разработки, обучения и тестирования нейронных сетей требуются большие вычислительные мощности, очевидно, что этого в достатке имеется у крупных игроков на рынке ИТ. Среди основных компаний, ведущих разработки в этой области можно отметить подразделение Google DeepMind, подразделение Microsoft Research, компании IBM, Facebook и Baidu.

Конечно, все это хорошо: нейросети развиваются, рынок растет, но пока что главная задача так и не решена. Человечеству не удалось создать технологию, хотя бы приближенную по возможностям к человеческому мозгу. Давайте рассмотрим основные различия между человеческим мозгом и искусственными нейросетями.

Почему нейросети еще далеки до человеческого мозга?

Самым главным отличием, которое в корне меняет принцип и эффективность работы системы — это разная передача сигналов в искусственных нейронных сетях и в биологической сети нейронов. Дело в том, что в ИНС нейроны передают значения, которые являются действительными значениями, то есть числами. В человеческом мозге осуществляется передача импульсов с фиксированной амплитудой, причем эти импульсы практически мгновенные. Отсюда вытекает целый ряд преимуществ человеческой сети нейронов.

Читать еще:  Что должно быть в аптечке первой помощи

Во-первых, линии связи в мозге намного эффективнее и экономичнее, чем в ИНС. Во-вторых, импульсная схема обеспечивает простоту реализации технологии: достаточно использование аналоговых схем вместо сложных вычислительных механизмов. В конечном счете, импульсные сети защищены от звуковых помех. Действенные числа подвержены влиянию шумов, в результате чего повышается вероятность возникновения ошибки.

Итог

Безусловно, в последнее десятилетие произошел настоящий бум развития нейронных сетей. В первую очередь это связано с тем, что процесс обучения ИНС стал намного быстрее и проще. Также стали активно разрабатываться так называемые «предобученные» нейросети, которые позволяют существенно ускорить процесс внедрения технологии. И если пока что рано говорить о том, смогут ли когда-то нейросети полностью воспроизвести возможности человеческого мозга, вероятность того, что в ближайшее десятилетие ИНС смогут заменить человека на четверти существующих профессий все больше становится похожим на правду.

Для тех, кто хочет знать больше

Подписывайтесь на наш нескучный канал в Telegram, чтобы ничего не пропустить.

Чем «думают» нейронные сети — объяснение на пальцах

Они рисуют картины, пишут стихи, водят автомобили и обыгрывают человека в Го. Их внедряют в свои сервисы ведущие компании мира. Google посвятила целый блок нейросетям и ИИ на I/O 2017, Apple на WWDC 2017 рассказала о планах их применения, Qualcomm и Facebook объявили о совместной работе над машинным обучением — главным инструментом их развития. Того и гляди, через несколько лет какая-нибудь особенно умная сеть самообучится до уровня полноценного ИИ, и всем настанет полный «Скайнет». О том, возможно ли это, что вообще такое нейросети и как они работают — в этой статье.

Оговоримся сразу: нейронные сети — понятие очень обширное, имеющее отношение к математике, физике и даже химии, пересекающееся с областью искусственного интеллекта, машинного обучения, и уж само собой — программирования. В изучении и развитии этой сферы участвовало огромное количество людей, и процесс начался давно. Поэтому, чтобы не превратить познавательный текст в учебник по истории и теории нейросетей, придётся пойти на компромисс: опустить значительную часть деталей, имён и дат ради понимания самой сути вопроса.

Краткая история

Говорить «история нейросетей» было бы не совсем верно, поскольку человеческий головной мозг фактически представляет собой крайне сложную нейронную сеть, и его история — один из аспектов эволюции. Первые эксперименты в области искусственных нейронных сетей (далее — ИНС) относятся к 1940-м годам, и ставились они именно с целью моделирования и изучения человеческого мозга.

1943 год. Нейропсихолог Уоррен Мак-Каллок и нейролингвист Уолтер Питтс создали первую рабочую искусственную нейросеть. Несмотря на примитивность первых ИНС, нейроны которых могли оперировать только двоичными числами, их потенциал считался огромным за счёт возможности самообучения.

1960 год. Более пятнадцати лет ушло на создание первого нейрокомпьютера, или персептрона «Марк-1», который был разработан психологом и нейрофизиологом Фрэнком Розенблаттом. Устройство с помощью фотоэлементов могло распознавать отпечатанные на карточках буквы.

Первый нейрокомпьютер «Марк-1»

1969 год. Учёные Марвин Мински и Сеймур Пейперт показали существенные ограничения искусственных нейронных сетей. Помимо элементарного недостатка ресурсов для решения по-настоящему сложных задач, ИНС были неспособны реализовать, некоторые простые логические функции, например, «исключающее ИЛИ».

1975 год. Созданы многослойные нейросети, способные менять стратегию решения той или иной задачи в зависимости от исходных и поступающих данных. Развитие ИНС сдвинулось с мёртвой точки.

1982 год. Реализован полноценный двусторонний обмен данными между соседними нейронами, что ещё больше расширило возможности ИНС. Фактически, единственным ограничением оставались ресурсы компьютеров, которые всё ещё были слишком слабы для сколь-нибудь серьёзных задач.

1980-е годы. Разработана NETtalk — первая нейросеть, получившая широкое распространение. В задачи сети входило изучение произношения английских букв в слове в зависимости от контекста — соседних букв. На её основе также изучался механизм обучения нейросетей, причём не только искусственных. В следующие десятилетия нейросети усложнялись, появлялись их новые типы для решения разных задач. Параллельно развивался Интернет — то есть шло накопление структурированных данных, необходимых для работы ИНС. И самое важное — росла производительность компьютеров.

Сегодня несложная нейросеть способна функционировать на не самых мощных серверах или даже в смартфонах, выполняя задачи, которые ещё в конце прошлого века с трудом решали суперкомпьютеры.

Принцип работы — на пальцах

На сегодняшний день считается, что человеческий мозг состоит примерно из 86 миллиардов нейронов, между которыми существует синаптическая (говоря грубо — электрическая) связь. Искусственные нейросети, даже самые мощные и масштабные, намного «беднее» и, следовательно, намного менее производительны — они по-прежнему претендуют в лучшем случае на модель мозга, но никак не на полноценный искусственный мозг.

Схематичное изображение нейронной связи в мозге человека

Классическая и самая простая нейронная сеть, или персептрон, выглядит очень просто: есть слой нейронов-рецепторов, которые принимают информацию извне. В зависимости от настроек, они либо передают сигнал дальше в сеть, либо нет. Следующий слой нейронов принимает сигналы с рецепторов (как правило, нескольких), обрабатывает их в соответствии с заданным алгоритмом и, если результат достигает определённого — порогового — значения, передают информацию дальше, выходному слою нейронов, которые и выдают результат.

Схема строения персептрона

Учитывая структуру ИНС — множество нейронов, разделённых на слои — любая подобная сеть производит параллельные вычисления. Некую последовательность даёт слойность, но весьма условную и фактически нивелируемую двусторонним обменом данных между нейронами на разных слоях.

Также важно отметить, что каждый нейрон обладает так называемым весовым коэффициентом — говоря простым языком, коэффициентом значимости для нейронов, с которыми он связан. Именно это и определяет важнейшую функцию ИНС — способность самообучаться.

Суть обучаемости ИНС

Прежде всего, что такое обучаемость? Грубо говоря, это способность понять, что конечный результат неверный, и изменить действия для получения верного в этой и аналогичных ситуациях. Как это делает нейросеть? Точно так же, как нейроны в человеческом мозге: в зависимости от поступающей информации, интенсивность синаптической связи между ними может изменяться. В ИНС каждый нейрон обладает определённым весовым коэффициентом, который изменяется в зависимости от правильности/неправильности полученного результата.

Читать еще:  Как стать пластическим хирургом

Правильность ответа определяется человеком или классической (то есть не нейро-) программой на основе обучающей выборки с метками (например: «Это — машина. Это — не машина»). Имея некое количество правильных ответов, ИНС может дать верный результат вне обучающей выборки. Такое машинное обучение называется обучением с учителем.

Пример формирования простейшей выборки правильных ответов

В простой ИНС с минимальным количеством «двоичных» нейронов такое обучение занимает очень много времени, а результат слишком незначительный. Поэтому с годами ИНС становились всё сложнее: появлялись дополнительные скрытые слои (в каждой функциональной единице человеческого мозга их всего шесть), а достижением, определяющим будущее ИНС, стали нейроны с двусторонней связью. Такие нейросети получили название рекуррентных, в них нейроны «перекидывают» информацию между собой по несколько раз, меняя свои весовые коэффициенты, до тех пор, пока последний слой не выдаёт правильный ответ. Правильность ответа регулируется автоматически на основе анализа данных обучающей выборки без каких-либо меток. Это обучение без учителя. Когда нейросеть выдаёт результат и только потом получает информацию о его правильности/неправильности — это обучение с подкреплением.

Упрощённая схема многослойной нейросети с обратной нейронной связью

Выбор типа обучения той или иной ИНС определяется задачами, для которой создаётся сеть. Обучение с учителем идеально для определения объектов на фотографии; без учителя — для задач структуризации, упорядочивания больших объёмов данных; с подкреплением — для прогнозирования, когда входные данные постоянно меняются.

Кроме классификации по способу обучения, сети делятся на разные виды по структуре, характеру связей, типу входных данных и другим характеристикам.

Скажем, для распознавания изображений используются так называемые свёрточные сети. Принцип их работы почерпнут из принципов работы зрительной коры мозга. От конкретных особенностей изображения нейросеть переходит к более абстрактным деталям, и далее к ещё более абстрактным деталям вплоть до выделения понятий высокого уровня. В качестве примера рассмотрим ИНС, анализирующую данные с дорожной камеры видеонаблюдения. Её первая задача — определить автомобиль в кадре. Затем следующие задачи: скорость автомобиля, пристёгнут ли ремень безопасности, не числится ли машина в угоне (для этого нужно считать номер и провести сверку с базой данных) и так далее. Опционально: определить цвет и марку автомобиля (если он в угоне), найти информацию о водителе, владельце. Всё это способна сделать одна правильно обученная свёрточная нейросеть при наличии достаточного количества ресурсов.

Возникает логичный вопрос: каков вообще теоретически известный предел развития нейросетей, насколько «умными» они могут стать? Мы решили задать этот вопрос специалисту по ИНС.

«Есть два серьёзных ограничения — количество различных данных для обучения и вычислительные мощности, на которых можно учиться. Нейросети могут решать задачи с понятными условиями и понятными критериями успешности. Например, в распознавании голоса есть понятный критерий качества: количество правильно распознанных слов. А в задаче написания литературного произведения непонятно, как оценивать прогресс, поэтому такая задача для обучения нейронной сети пока видится нерешаемой», — руководитель службы компьютерного зрения «Яндекса» Александр Крайнов.

Области применения

Если сводить все области, в которых сегодня применяются ИНС, получится приличная энциклопедия. Например, в электронном видоискателе определение лица, улыбки, жеста, движения — всё это работа нейросети. В основе нашумевшего приложения Prisma лежит ИНС. Перевод с иностранного языка и обратно, определение текста на фото, голосовые ассистенты, рисование котиков на основе скетчей — всё это… ну, вы поняли. Активно используются ИНС и в поисковых сервисах, и в беспилотных автомобилях.

«В Яндексе нейросети используются, чтобы делать самые разные сервисы лучше. Например, в поиске (чтобы лучше понимать смысл пользовательских запросов), при модерации рекламы на соответствие картинок и текста, в поиске по картинкам (понимает, что изображено на картинке с помощью компьютерного зрения), при фильтрации взрослого контента, а также в комплексе речевых технологий SpeechKit. SpeechKit, в частности, работает в голосовом помощнике Яндекса, который недавно появился в бета-версии, а нейросети в компьютерном зрении помогают беспилотным автомобилям Яндекс.Такси», — руководитель службы компьютерного зрения «Яндекса» Александр Крайнов.

Автомобиль-беспилотник Яндекса

Для удобства объединим вышеперечисленное в категорию потребительского использования ИНС — чрезвычайно обширную, но не единственную. Учитывая, что человеческий мозг — по-прежнему загадка для человека, нейропсихологами, нейролингвистами и прочими нейроспециалистами ведётся активное изучение разума и интеллекта, в том числе с помощью ИНС. Так, компания IBM и Швейцарский федеральный технический институт Лозанны в 2005 году запустили Blue Brain Project, в рамках которого надеются создать максимально точную компьютерную модель человеческого мозга. Ещё один любопытный эксперимент, но попроще, IBM провела совместно с компанией «Двадцатый век фокс»: они «показали» суперкомпьютеру Watson фильм, тот довольно точно определил наиболее эмоциональные его фрагменты и смонтировал трейлер.

Разумеется, ИНС активно помогает осваивать новые технологии и развивать существующие. Взять хотя бы те же беспилотные автомобили, в которых нейросети в режиме реального времени анализируют окружающую обстановку. IBM Watson из года в год открывает для себя всё новые области, включая медицину. В Google существует целое подразделение, которое занимается непосредственно искусственным интеллектом… Стоп. Значит, нейросети всё-таки успели стать искусственным интеллектом или, по крайней мере, есть такая вероятность в будущем? Снова обращаемся к специалисту.

«Можно сказать, что ИИ — это глубокие (многослойные) нейронные сети, решающие сложные задачи на уровне, близком к уровню человека, и, в той или иной степени, «самообучающиеся». Причём «самообучение» в данном случае — способность самостоятельно извлекать полезный сигнал из «сырых» данных. Вообще же вопрос того, что можно назвать искусственным интеллектом, а что нет, — это скорее предмет договорённостей. Человечество, по большому счёту, так и не пришло к однозначной формулировке, что такое интеллект вообще, не говоря уже об искусственном», — руководитель службы компьютерного зрения «Яндекса» Александр Крайнов.

Читать еще:  Как рассчитать потребительский кредит

Вывод

Искусственные нейронные сети прочно вошли во все IT-сферы: технология сколь проста по сути, столь и перспективна. Причём теоретический предел этой перспективы до сих пор неизвестен, а визуализация работы нейросети порой даёт весьма неожиданные результаты. Это немного пугает, особенно учитывая, что даже профильные специалисты аккуратно уходят от ответа на вопрос: станет ли когда-нибудь нейросеть искусственным интеллектом — таким, каким мы знаем его из книжек, например, Айзека Азимова? Впрочем, не все: один из пионеров в области Рэй Куртцвейл предсказывает, что ИИ сможет успешно проходить тест Тьюринга в 2029 году, а к 2045-му станет умнее человека. Но пока этого не произошло, почему бы в своё удовольствие не рисовать страшных котиков и не делать селфи в стиле Репина или Пикассо.

Нейронные сети

Нейронные сети

Нейронные сети – это современный тренд, применяемый в науке и технике. С их помощью улучшаются программы и создаются целые системы, способные автоматизировать, ускорять и помогать в работе человеку. Основная урбанистическая цель – научить систему самостоятельно принимать решения в сложных ситуациях так, как это делает человек.

Биологические нейронные сети

Многое из того, что человечество желает достичь искусственно, уже сделано природой. Человеческий мозг наделен великолепной нейронной сетью, изучение которой ведется и по сей день. Генетически, биологические нейронные сети устроены довольно сложно и человеку без соответствующей технической подготовки будет сложно понять процесс работы естественной нейросети.

В упрощённой трактовке можно сказать так: биологическая нейронная сеть это та часть нервной системы, что находится в мозге человека. Совокупность нейронов и сети позволяет нам думать, принимать решения и воспринимать окружающий мир. Биологический нейрон – клетка, основные составляющие которой: ядро, отростки, тела и иные компоненты для тесной связи с тысячами нейронов. По этой связи передаются электрохимические импульсы, приводящие нейронную сеть в состояние спокойствия или возбуждения. Например, перед сдачей экзаменов или другим важным событием, порождается импульс и распространяется по всей нейронной сети в головном мозге, проводя сеть в состояние возбуждения. Затем, по нервной системе передается это состояние другим органам, что приводит к учащению сердцебиения, частому морганию ресниц и прочим проявлениям волнения.

По упрощенной теории естественной нейросети рассмотрим составляющие нейрона. Состоит он из тела клетки и ядра. К телу относится множество ответвлений, называемых дендритами. Длинные дендриты называться Аксонами. С их помощью проходит связь между нейронами с помощью синапсов (места контакта двух нейронов, по которым проходит импульс). В этом случае можно уловить закономерность. На дендрит приходит сигнал (значит это вход), по аксону (выход) передается на другую нейронную клетку. В точке синаптической передачи импульса, его частота и амплитуда может изменяться (переменные составляющие сложного уравнения, влияющие на состояние сигнала). Примерно так работает естественная нейросеть в голове каждого человека. В таком случае, почему бы не создать искусственную нейросеть наподобие естественной, откинув биологическую составляющую. Дендрит будет выступать в роли входа, аксон – выход, тело нейрона в виде сумматора, а кодом, состоящим из 0 и 1 можно регулировать частоту, импульс сигнала, перед подачей на сумматор в разделе «Веса». Это основная составляющая нейрона. В целом, математическую и графическую модель нейрона можно записать так.

Нарисовать и представить алгоритм работы можно с помощью абстрактной схемы. Есть несколько методов представления схем нейронных сетей, но для наглядности проще будет использовать кружки со стрелками.

Изучив основные аспекты, можно дать определение искусственной нейронной сети – это построенная по математическим правилам модель естественной нейросети, которая воплощена в жизнь с помощью программных и аппаратных составляющих.

История нейронных сетей

Развитие искусственной нейросети началось с появлением электронно-вычислительных машин (ЭВМ) в конце 1940 года. В это время, канадский физиолог и нейропсихолог Дональд Хебб создал алгоритм нейронной сети, и заложил принципы его работы в ЭВМ. Затем, важными точками в развитии искусственных нейросетей были такие даты: 1. 1954 год – на рабочей ЭВМ впервые на практике применили нейросеть. 2. 1958 год – американским ученым по нейрофизиологии и искусственного интеллекта, Фрэнком Розенблаттом был разработан алгоритм распознавания образов и предоставлено его краткое изложение для общественности. 3. 1960 год – ЭВМ не могла должным образом из-за слабых мощностей выполнять сложные задачи, возложенные на нее, поэтому интерес к технологии немного угас. 4. За двадцатилетний период полным ходом шла «компьютеризация», и мощности тогдашних компьютеров хватило, чтобы вновь разжечь интерес к нейросетям. В 1980 году появилась система с механизмом обратной связи и начались разработки алгоритмов по самообучению. 5. Спустя следующие 20 лет, мощности компьютеров выросли настолько, что в 2000 году ученые-исследователи смогли применять нейросети во многих сферах. Появились программы распознавания речи, имитация зрения, когнитивного восприятия информации. Нейросеть, машинное обучение, робототехника, компьютеризация стали частью нечто большего, под названием «искусственный интеллект».

Типы нейронных сетей

За период развития, нейронные сети поделились на множество типов, которые переплетаются между собой в различных задачах. На данный момент сложно классифицировать какую-либо сеть только по одному признаку. Это можно сделать по принципу применения, типу входной информации, характеру обучения, характеру связей, сфере применения.

Источники:

http://gagadget.com/another/27575-prostyimi-slovami-o-slozhnom-chto-takoe-nejronnyie-seti/
http://4pda.ru/2017/06/11/343492/
http://future2day.ru/nejronnye-seti/

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector