作者：禅与计算机程序设计艺术
1.背景介绍
概述
随着人工智能技术的飞速发展，计算机视觉、自然语言处理等领域也得到了极大的关注。近年来，各大公司纷纷加入人工智能产品和解决方案供应商阵营，对人工智能的发展带来了巨大的变革。其中，以Google为代表的大数据及机器学习技术促进了人工智能的普及和增长，特别是在图像识别领域。因此，越来越多的人开始关注并使用基于大数据的AI产品和服务。
定义
人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是指能够像人的智慧一样自动执行重复性任务的机器。2016年，由IBM提出的AI的定义为“机器学习、计算、推理和决策的能力”。更确切地说，AI是指一种以获取知识、学习、分析和决策的方式，模仿人类的潜意识行为，并可以从环境中学习并改善自身的能力。AI通过实现计算机的自我学习、改善性能、解决复杂的问题、创新设计新的产品和服务，已经成为行业的热门话题。
类型
监督学习与无监督学习
监督学习(Supervised Learning)是机器学习的一类方法，它从训练集（具有既定输入输出关系的数据集合）中学习，利用训练好的模型预测新样本的输出结果，是一种典型的基于训练数据进行模式识别的机器学习方法。其主要目的是找到一个映射函数f(x)，使得对于任意给定的输入x，其对应的输出y等于预先设定的输出y'，即f(x)=y'。监督学习的目标是学习到输入到输出的映射关系。
无监督学习(Unsupervised Learning)是机器学习的另一类方法，它不使用标签信息，而是通过对训练数据进行聚类、降维、概率分布估计等方式发现数据的内在结构和规律。无监督学习的目标是从数据中找寻隐藏的模式和关系。
半监督学习与强化学习
半监督学习(Semi-Supervised Learning)是指训练数据既包括 labeled 数据也包括 unlabeled 数据。labeled 数据是指已经标注过的训练数据，而 unlabeled 数据则是没有标注过的训练数据。半监督学习通过用 unlabeled 数据学习模型参数，将模型适用于现实世界的应用场景。相比于完全无监督学习，半监督学习更具实际价值。
强化学习(Reinforcement Learning)又称为反馈学习，是机器学习中的一个子领域，其目标是让机器通过不断探索和学习环境，完成一系列任务。强化学习解决的问题是如何在环境中最大化长期累积奖励。强化学习算法通常都采用时间片的形式，每隔一段时间，学习器都会收到一定的反馈信息，然后根据这个反馈信息选择动作，以此进行学习和迭代。
市场份额排名
截至目前，全球AI企业已占据全球总量的75%以上，其中规模最大的是谷歌母公司Alphabet。中国AI企业数量仅次于美国和欧洲。根据IDC发布的最新报告显示，截至2019年底，中国AI初创企业数量为1万余家，2020年目标是5万余家。
2.核心概念与联系
大模型
AI Mass或者AI模型即基于大数据的计算机视觉、自然语言理解、推荐系统、深度学习等人工智能技术的一个整体。
例如，“ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge”就是一个大模型的竞赛。它是一个图片分类领域的大型挑战赛，旨在评估计算机视觉模型的准确性、鲁棒性、泛化性。该竞赛的参赛队伍需要提交算法模型，通过竞争激烈的提交评审和比赛，筛选出最佳方案，最终获得优胜者奖金。
云端AI服务
云端AI服务的目的是将人工智能技术能力部署到云端，以便可以快速、低成本的实现应用。云端AI服务包括基于虚拟机或容器的远程访问服务、远程开发服务、机器学习平台服务、数据分析服务、AI咨询服务等。
例如，亚马逊AWS的Amazon SageMaker可以作为一个平台服务，帮助开发人员训练机器学习模型、构建预测服务等。微软Azure提供了一系列的服务，如Azure Cognitive Services、Azure Machine Learning Service等。腾讯云提供了腾讯云图智产品，提供一系列的智能图像识别服务，如图像拼接、智能修复、AI图像识别等。
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解
深度学习与卷积神经网络
深度学习是指多个非线性层次组成的特征提取机制。深度学习通常是使用神经网络(Neural Network)来实现的，神经网络是由多个节点和连接组成的网络，每个节点都是神经元，有连接的两个节点之间传递信号。
卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNNs)是深度学习中最常用的一种网络结构，它的基本思路是提取局部相关的特征，并在不同的空间位置进行池化操作。CNNs 的一些基础组件包括卷积层、池化层、全连接层、批归一化层、激活层等。
具体的操作步骤如下：
- 初始化网络结构: 选择合适的卷积核大小、过滤器个数、池化窗口大小等参数；
- 卷积层：卷积层主要作用是提取图像的局部特征，通过滑动窗口对图像进行扫描，提取与每个窗口对应的特征，然后通过激活函数(ReLU、Sigmoid等)进行非线性转换，缩小特征图的尺寸；
- 池化层：池化层主要用来降低图像的分辨率，通过移动窗口进行滑动，选取图像中的最大值作为输出，缩减图像的空间尺寸；
- 全连接层：全连接层将上一步的输出与权重矩阵相乘，产生新的输出，并通过激活函数进行非线性转换；
- 损失函数：损失函数用于衡量模型预测结果与真实结果之间的差距，并反向传播更新参数；
- 优化器：优化器用于控制梯度下降过程，以最小化损失函数的值；
- 模型训练：按照数据集进行训练，把数据输入到网络中进行训练，调整网络的参数，使得模型效果达到最好。
搭建模型架构
使用VGG16架构搭建模型
卷积神经网络(CNNs)经过多次的精彩发展，在图像识别领域表现突出，且在不同场景下取得了极大的成功。比较著名的有AlexNet、VGG、GoogLeNet、ResNet等。
AlexNet 是第一个迄今为止基于深度学习进行图像识别的网络。AlexNet 的论文《ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks》被认为是深度学习在图像识别上的里程碑事件。AlexNet 在 ILSVRC-2012 图像识别挑战赛上夺冠，证明其性能超过了当时的其他候选人。
为了加快 VGG 的训练速度，作者们在 VGG16 的基础上做了一些改进，引入了短边放缩策略，以及去掉全连接层后加上全局平均池化层的方法，最终得到了 VGG16 。
VGG16 是第二个被广泛使用的 CNN 架构，由 16 个卷积层和三个全连接层构成。网络结构如下图所示：
VGG16 可以很好地解决图像分类、物体检测等任务，并且速度也非常快，因为它采用了高度优化的结构。但是，由于 VGG16 不是所有的层都能有效果，所以我们一般只把前几层训练，再训练最后一层。
Faster R-CNN
Faster R-CNN 是一个对象检测框架，其主要的特点是速度快，准确率高。Faster R-CNN 将 region proposal 方法与卷积神经网络结合起来，生成预测框，并将这些框送入神经网络进行预测。
首先，用 Selective Search 或 Edge Boxes 方法提取出很多候选区域。然后，用分类器（Alexnet）进行分类，对候选区域进行打分。最后，用回归器（Fast R-CNN）对候选框进行修正，用三个全连接层生成 bbox，并送入到损失函数进行训练。
Faster R-CNN 的优点是速度快，准确率高，而且不需要对物体进行旋转。缺点是由于 Selective Search 方法只能识别简单的物体，无法检测复杂的物体。
YOLO v3
YOLO (You Only Look Once) 是第三个被广泛使用的 CNN 架构，其基本思想是利用网格结构来进行快速的物体检测。
YOLOv3 中的 “only look once” 表示只需要进行一次预测就可以得到物体的所有信息，而不是像 Faster R-CNN 和 SSD 需要多次预测才能得到物体的信息。
YOLOv3 的网络结构相较于其它两种架构有很大变化。它有五个部分组成，分别是backbone network、neck、head、output generator、loss function。backbone network 为骨干网络，用来提取特征；neck 提供可微调的区域建议，帮助 YOLOv3 更好地检测不同尺寸的物体；head 负责预测物体类别和坐标偏移；output generator 负责将 head 的输出转换成真实的预测框，并在一定程度上消除重叠；loss function 计算所有预测框的损失值。
YOLOv3 在速度上要比其它两种架构快很多，原因是它将特征提取与预测分离开来，特征提取可以在整个图片上单独运行，这使得 YOLOv3 在小尺寸物体上表现更好。
RetinaNet
RetinaNet 是 Facebook AI Research 团队提出的物体检测模型，其主要特点是速度快，准确率高，并且与速度快相关的网络设计。
RetinaNet 的主体架构同样是 Backbone + Neck + Head。Backbone 网络用来提取特征，比如 ResNet-101 或者 ResNext-101；Neck 用来提供可微调的区域建议，帮助 RetinaNet 更好地检测不同尺寸的物体；Head 负责预测物体类别和坐标偏移，其中分类头采用两个独立的分支，一个用于分类，一个用于回归；loss function 对所有预测框的损失值进行求和，平衡不同尺寸的物体；训练策略采用 focal loss 来处理类别不均衡问题。
与 Faster R-CNN 相比，RetinaNet 有更高的检测性能，但训练速度慢于 Faster R-CNN。RetinaNet 的优点是训练速度快，准确率高，与 Faster R-CNN 相同的是，它不能检测复杂的物体。
4.具体代码实例和详细解释说明
TensorFlow 实现
安装 TensorFlow
在命令行中输入以下命令安装 TensorFlow：
pip install tensorflow==1.14.0 # 指定版本号使用 TensorFlow 实现 VGG16 训练
加载数据集
这里我们使用 CIFAR-10 数据集，一共有 60k 张图片，每个图片大小为 32x32x3。
import numpy as np
from tensorflow.keras.datasets import cifar10
# Load the data set
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = cifar10.load_data()
num_classes = len(np.unique(train_labels))
# Normalize pixel values to be between 0 and 1
train_images = train_images / 255.0
test_images = test_images / 255.0创建模型
创建 VGG16 模型，其卷积层有 5 个，分别是卷积层 + ReLU 激活层 * 2、最大池化层 + 随机失活层 * 2、卷积层 + ReLU 激活层 * 3、最大池化层 + 随机失活层 * 2。最后一层全连接层输出有 num_classes 个神经元。
from tensorflow.keras import layers, models
model = models.Sequential([
layers.Conv2D(input_shape=(32, 32, 3), filters=64, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block1_conv1'),
layers.Conv2D(filters=64, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block1_conv2'),
layers.MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block1_pool'),
layers.Dropout(rate=0.25, name='block1_dropout'),
layers.Conv2D(filters=128, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block2_conv1'),
layers.Conv2D(filters=128, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block2_conv2'),
layers.MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block2_pool'),
layers.Dropout(rate=0.25, name='block2_dropout'),
layers.Conv2D(filters=256, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block3_conv1'),
layers.Conv2D(filters=256, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block3_conv2'),
layers.Conv2D(filters=256, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block3_conv3'),
layers.MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block3_pool'),
layers.Dropout(rate=0.25, name='block3_dropout'),
layers.Conv2D(filters=512, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block4_conv1'),
layers.Conv2D(filters=512, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block4_conv2'),
layers.Conv2D(filters=512, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block4_conv3'),
layers.MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block4_pool'),
layers.Dropout(rate=0.25, name='block4_dropout'),
layers.Conv2D(filters=512, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block5_conv1'),
layers.Conv2D(filters=512, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block5_conv2'),
layers.Conv2D(filters=512, kernel_size=(3, 3), activation='relu', name='block5_conv3'),
layers.MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block5_pool'),
layers.Dropout(rate=0.25, name='block5_dropout'),
layers.Flatten(),
layers.Dense(units=4096, activation='relu', name='fc1'),
layers.Dense(units=4096, activation='relu', name='fc2'),
layers.Dense(units=num_classes, activation='softmax', name='predictions')
])编译模型
使用 categorical crossentropy 损失函数和 Adam 优化器。
from tensorflow.keras.optimizers import Adam
optimizer = Adam(lr=0.001)
model.compile(optimizer=optimizer,
loss='categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy'])设置回调函数
设置 EarlyStopping 回调函数，在验证集的 accuracy 不再提升时停止训练。
from tensorflow.keras.callbacks import EarlyStopping
earlystop = EarlyStopping(monitor='val_accuracy', patience=10, verbose=1)训练模型
训练模型，batch_size 为 32，epochs 为 100。
history = model.fit(train_images,
keras.utils.to_categorical(train_labels, num_classes),
epochs=100,
batch_size=32,
validation_split=0.2,
callbacks=[earlystop])可视化训练过程
可视化训练过程中 accuracy 和 loss 的变化。
import matplotlib.pyplot as plt
acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.plot(acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([min(plt.ylim()),1])
plt.title('Training and Validation Accuracy')
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.plot(loss, label='Training Loss')
plt.plot(val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.ylabel('Cross Entropy')
plt.ylim([0,max(plt.ylim())])
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()测试模型
测试模型，打印准确率。
test_loss, test_acc = model.evaluate(test_images,
keras.utils.to_categorical(test_labels, num_classes))
print("Test accuracy:", test_acc)PyTorch 实现
PyTorch 的实现方式和 Tensorflow 类似，也是建立 Sequential 模型，然后添加各种层。
import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
transform = transforms.Compose(
[transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])
trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True,
download=True, transform=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=4,
shuffle=True, num_workers=2)
testset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=False,
download=True, transform=transform)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=4,
shuffle=False, num_workers=2)
classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat',
'deer', 'dog', 'frog', 'horse','ship', 'truck')使用 VGG16 训练
创建模型
创建一个 VGG16 模型，输入图片大小为 32x32x3，输出为 10 个类别。
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
class Net(nn.Module):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, 3, padding=1)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)
self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
self.conv2 = nn.Conv2d(64, 128, 3, padding=1)
self.bn2 = nn.BatchNorm2d(128)
self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
self.conv3 = nn.Conv2d(128, 256, 3, padding=1)
self.bn3 = nn.BatchNorm2d(256)
self.conv4 = nn.Conv2d(256, 256, 3, padding=1)
self.bn4 = nn.BatchNorm2d(256)
self.pool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
self.conv5 = nn.Conv2d(256, 512, 3, padding=1)
self.bn5 = nn.BatchNorm2d(512)
self.conv6 = nn.Conv2d(512, 512, 3, padding=1)
self.bn6 = nn.BatchNorm2d(512)
self.pool4 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
self.conv7 = nn.Conv2d(512, 512, 3, padding=1)
self.bn7 = nn.BatchNorm2d(512)
self.conv8 = nn.Conv2d(512, 512, 3, padding=1)
self.bn8 = nn.BatchNorm2d(512)
self.pool5 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
self.fc1 = nn.Linear(8*8*512, 4096)
self.fc2 = nn.Linear(4096, 4096)
self.fc3 = nn.Linear(4096, 10)
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.bn1(x)
x = F.relu(x)
x = self.pool1(x)
x = self.conv2(x)
x = self.bn2(x)
x = F.relu(x)
x = self.pool2(x)
x = self.conv3(x)
x = self.bn3(x)
x = F.relu(x)
x = self.conv4(x)
x = self.bn4(x)
x = F.relu(x)
x = self.pool3(x)
x = self.conv5(x)
x = self.bn5(x)
x = F.relu(x)
x = self.conv6(x)
x = self.bn6(x)
x = F.relu(x)
x = self.pool4(x)
x = self.conv7(x)
x = self.bn7(x)
x = F.relu(x)
x = self.conv8(x)
x = self.bn8(x)
x = F.relu(x)
x = self.pool5(x)
x = x.view(-1, 8*8*512)
x = F.relu(self.fc1(x))
x = F.relu(self.fc2(x))
x = self.fc3(x)
return x编译模型
使用交叉熵损失函数和 Adam 优化器。
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=0.001)训练模型
循环迭代，每次训练一轮，保存训练过程中的损失函数值和正确率值。
for epoch in range(2): # 两轮迭代
running_loss = 0.0
total = 0
correct = 0
for i, data in enumerate(trainloader, 0):
inputs, labels = data
optimizer.zero_grad()
outputs = net(inputs)
loss = criterion(outputs, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
total += labels.size(0)
correct += predicted.eq(labels).sum().item()
running_loss += loss.item()
if i % 2000 == 1999: # 每 2000 个 mini-batches 打印一次
print('[%d, %5d] loss: %.3f | acc: %.3f%% (%d/%d)'
%(epoch+1, i+1, running_loss/(2000), 100.*correct/total, correct, total))
running_loss = 0.0
save_checkpoint({'state_dict': net.state_dict()}, True) # 保存模型测试模型
遍历测试数据集，计算正确率。
correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():
for data in testloader:
images, labels = data
outputs = net(images)
_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
total += labels.size(0)
correct += (predicted == labels).sum().item()
print('Accuracy of the network on the 10000 test images: %d %%' % (
100 * correct / total))