AI应用实战课学习总结（9）Hello 深度学习

大家好，我是Edison。

最近入坑黄佳老师的《AI应用实战课》，记录下我的学习之旅，也算是总结回顾。

今天是我们的第9站，一起了解下大数据和GPU时代下的深度学习和 PyTorch框架。

深度学习介绍

根据之前的学习，我们知道了人工智能的范围很广阔，而机器学习是人工智能的一个重要分支，而今天要学习的深度学习又是机器学习的一个重要分支。

在大数据和GPU的加持下，我们现在正处于深度学习的黄金时代。

深度学习是机器学习实践方法中的一种，它是基于神经网络的机器学习方法。

所谓神经网络，说的其实是它在模拟人类大脑神经系统，通过多个层次的大量参数来模拟一层一层的神经元的效果，这些多层次的参数节点最终形成一个巨大的参数网络，然后通过不断的参数调参，进而完成如预测、分类、NLP等任务。

神经网络最厉害的地方在于：特征的自动抽取能力。也就是说，我们不需要告诉算法该如何去抽取要解决问题的特征（在机器学习中通常这块工作量很大），它自己就可以学习和抽取特征。例如，下面这个用CNN（卷积神经网络）进行手写数字的识别，要告诉算法特征值工作量很大，但是用神经网络它自己就可以一层一层地抽取到特征。

而深度神经网络，通常是指层数很多（网络隐藏层）的神经网络，例如上图中的网络隐层。现在的网络隐藏层可以是几万层或者无限层，层数越多，下一层就可能学习到新的特征，也就能够处理越复杂的问题，处理问题的效果也就越好，当然，需要的计算资源也越高，成本当然也就越高。

近年来，深度学习常常用在复杂问题的处理上，如图像识别、目标检测、NLP、机器翻译等领域，它需要大量的数据和大量计算资源，特别典型的基于深度学习的模型就是Transformer。

下图展示了各种现代神经网络模型，你一定用过或听过一个或多个：

深度学习 vs 传统机器学习

前面几篇我们学习到的就是传统的机器学习方法，现在也叫它“浅层机器学习”，因为它没有多层的神经网络，无法自己学习提取特征，因此它就不适合做结构不良好的数据集的分类或回归等任务。

相反，深度学习就可以处理结构不良好的数据集的机器学习任务，特别是感知类的问题。所谓感知类问题，通常涉及视觉和听觉，比如图像、音频、视频包括文字的理解等等。

如果我们遇到的是一个结构良好的数据集，那么我们完全可以使用传统机器学习方法进行回归和分类等任务。

而如果我们遇到的是一个感知类的问题，那么我们就需要考虑使用深度学习方法了。

神经网络是如何学习的

假设有一个成千上万层的网络，一层层地堆叠起来，你把输入数据假设是一张猫的图片丢给它，网络会通过各种各样的参数进行提纯和过滤，通过损失函数判断当前网络的效能（类似于一个裁判，判别网络识别的正确与否），然后通过优化器（梯度下降）来调整权重，寻找到从输入到输出的最佳函数，进而得到输出也就是识别结果是猫。

当然，这个最佳函数特别复杂，可能无法用一个数学公式写出来，也没必要写出来。

NOTE：损失函数在判断正确与否时，当得到的是一个错误的结果，网络中神经元的权重就会受到惩罚，优化器（梯度下降工具）就会去调整权重。

多层神经网络的前向和反向传播

在神经网络中存在前向和反向传播：

（1）前向传播从输入层开始，经过各个网络隐藏层，计算出最终结果的过程。比如，丢一张猫图片进去，网络给到结果：0代表猫，1代表狗之类的。

大体过程：

输入数据
线性转换
激活函数
每一层重复上述步骤
损失函数计算损失

（2）反向传播是从输出层开始，比如当识别结果错误时，通过计算梯度向前面的层进行反馈，告知其更新权重。

大体过程：

计算输出层的梯度
计算隐藏层的梯度
更新权重和偏置
迭代反复

从上可以看出，识别到错误的结果不重要，重要的是反向传播迭代更新，最终就能提高识别准确率。毕竟，知错能改，善莫大焉。

PyTorch：深度学习框架

了解了深度学习的一些基本概念，那么我们小白如何参与深度学习呢，借助各种深度学习框架，就可以事半功倍。常见的深度学习框架有 TensorFlow 和 PyTorch，今天我们主要了解PyTorch。

PyTorch 是一个开源的机器学习库，主要用于应用如计算机视觉和自然语言处理等领域。它由 Facebook 的 AI 研究团队开发，并以 Python 编程语言为基础，提供了强大的 GPU 加速支持。PyTorch 旨在让研究人员和开发者能够以一种直观、灵活的方式来构建和训练神经网络。

目前，PyTorch以其灵活、高效、易上手的特点以及丰富的预训练模型和工具、活跃的社区和生态资源等优势，成为深度学习和机器学习领域的热门框架之一。

你可以通过pip快速安装PyTorch：

pip install torch torchvision

基于PyTorch使用ResNet完成目标检测

接下来，我们就通过一个例子来看看如何基于PyTorch来使用一个视觉模型ResNet快速完成目标检测，从中可以看出基于PyTorch可以很方便地使用丰富的预训练神经网络模型。至于模型的训练，就留到下一篇吧。

假设我们要识别一张图片中的狗，自行车和汽车，刚好我们也有一张这样的图片，它来自公开的COCO数据集，想要丢给模型让其帮助识别出来，并给我标注好图片中他们分别在哪个位置。

这里我们使用PyTorch集成好的一个预训练视觉检测模型ResNet50：

Step1 导入必要库

import torchimport torchvisionfrom torchvision.models.detection import fasterrcnn_resnet50_fpnfrom torchvision.transforms import functional as Ffrom PIL import Image, ImageDrawimport matplotlib.pyplot as plt

Step2 导入ResNet50模型

从pytorch中直接引入：

model = fasterrcnn_resnet50_fpn(pretrained=True)model.eval()

Step3 加载图片并进行预测

image = Image.open('dog_bike_car.jpg')image = image.resize((800, 600))image_tensor = F.to_tensor(image)with torch.no_grad():    prediction = model([image_tensor])

Step4 筛选分数>=0.7的预测

labels = prediction[0]['labels']scores = prediction[0]['scores']boxes = prediction[0]['boxes']# 筛选分数大于0.7的预测threshold = 0.7labels = labels[scores > threshold]boxes = boxes[scores > threshold].cpu().numpy()scores = scores[scores > threshold].cpu().numpy()

分数定义的越高，识别出来的可能就越少，因为你要求的准确度高啊。

Step5 绘制最终识别结果

为了清晰地看到结果，绘制带边界框的结果图：

COCO_CLASSES = [    'N/A', 'person', 'bicycle', 'car', 'motorcycle', 'airplane', 'bus',    'train', 'truck', 'boat', 'traffic light', 'fire hydrant', 'N/A',    'stop sign', 'parking meter', 'bench', 'bird', 'cat', 'dog', 'horse',    'sheep', 'cow', 'elephant', 'bear', 'zebra', 'giraffe', 'N/A', 'backpack',    'umbrella', 'N/A', 'N/A', 'handbag', 'tie', 'suitcase', 'frisbee', 'skis',    'snowboard', 'sports ball', 'kite', 'baseball bat', 'baseball glove', 'skateboard',    'surfboard', 'tennis racket', 'bottle', 'N/A', 'wine glass', 'cup', 'fork', 'knife',    'spoon', 'bowl', 'banana', 'apple', 'sandwich'


    
, 'orange', 'broccoli', 'carrot', 'hot dog',    'pizza', 'donut', 'cake', 'chair', 'couch', 'potted plant', 'bed', 'N/A', 'dining table', 'N/A',    'N/A', 'toilet', 'N/A', 'tv', 'laptop', 'mouse', 'remote', 'keyboard', 'cell phone',    'microwave', 'oven', 'toaster', 'sink', 'refrigerator', 'N/A', 'book',    'clock', 'vase', 'scissors', 'teddy bear', 'hair drier', 'toothbrush']# 使用PIL在图像上绘制边界框draw = ImageDraw.Draw(image)for box, label, score in zip(boxes, labels, scores):    class_name = COCO_CLASSES[label.item()]    draw.rectangle(box, outline='yeloow', width=3)    draw.text((box[0], box[1]), text=f'{class_name} {score:.2f}', fill='blue')# 绘制最终结果图plt.imshow(image)plt.axis('off')plt.show()

最终的识别结果如下所示：

小结

本文介绍了深度学习和神经网络的基本概念，深度学习和传统机器学习的差别，还了解了PyTorch框架，最后通过一个例子演示了如何基于PyTorch使用一个视觉检测模型来快速完成图片的目标检测任务，十分方便。