拍照就能識別萬物，AI是怎么看“懂”圖片的？

歡迎來到科普中國特別推出的寒假精品欄目“給孩子的高新科技課”！

人工智能作為當(dāng)今最前沿的科技之一，正在以令人驚嘆的速度改變著我們的生活。從智能語音助手到無人駕駛汽車，從 AI 繪畫到機器學(xué)習(xí)，它為我們打開了一個充滿無限可能的未來。本欄目將以通俗易懂的方式，用視頻和文字給孩子講述人工智能的原理、應(yīng)用及其對社會的深遠影響。

快跟我們一起開啟這場 AI 之旅吧！

以下為文字版本：

生活中，AI 圖像識別無處不在。

看到不認識的植物？拍張照片，分分鐘就能找到答案。自動駕駛汽車也好像長了眼睛一樣，能輕輕松松判斷出，哪里是道路，哪里是樹木。人臉識別技術(shù)，也讓我們實現(xiàn)了刷臉支付。

而這一切，都離不開一項技術(shù)——卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這項技術(shù)，就像 AI 的眼睛。

想了解 AI 的眼睛是怎么工作的，我們先要看一看動物的眼睛是怎么工作的。

從貓眼到 AI 眼：視覺神經(jīng)元的啟示

20 世紀(jì) 50 到 60 年代，大衛(wèi)·休伯爾和托斯坦·威澤爾對貓的視覺進行了研究，他們發(fā)現(xiàn)，在一幅畫面進入貓的視野之后，貓大腦中負責(zé)視覺的神經(jīng)元，被不同的東西激活了。

為了方便理解，我們看個例子。比如這樣一幅畫面，有的神經(jīng)元對畫面中物體的邊緣線條非常感興趣，會著重處理這些信息，有的神經(jīng)元對大塊的顏色比較敏感，更擅長處理這些信息。這些神經(jīng)細胞一起工作，幫助生物識別各種復(fù)雜的圖像。

埃德加·德加 《去外省的賽馬場》（At the Races in the Countryside）1869

這項研究，讓大衛(wèi)和托斯坦獲得了 1981 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，也啟發(fā)了人工智能領(lǐng)域一個非常重要的算法，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

在 1980 年代，日本科學(xué)家福島邦彥設(shè)計了一個叫做 Neocognitron 的模型，用來識別日文手寫字符，Neocognitron 中有不同的“層”，用來提取對不同的信息，最后綜合這些信息對識別到的字符進行判斷。

這啟發(fā)了一位叫做揚·樂昆的法國科學(xué)家，揚·樂昆設(shè)計出了最早的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了 LeNet 模型。這個模型在當(dāng)時被很多銀行用來識別手寫字符。我們通過一個簡單的例子，來看看卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何工作的。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：圖像識別的幕后英雄

和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在識別圖片的時候，多了兩個過程：卷積和匯聚。

卷積，這個過程，是由一個叫卷積核的東西完成的。

一張圖片，在計算機的眼里，其實是一個個像素點組成的矩陣，卷積核不是單獨去考慮每一個像素點上的信息，而是同時對某個區(qū)域，比如 3×3，5×5 的像素點信息進行處理。這樣可以綜合考慮相鄰像素點的信息，更好地提取出更高級特征。

你可以想象一下，卷積核就像是一個觀測員拿著有特定視野的望遠鏡去看一幅圖片，把看到的信息處理記錄下來。

而且我們可以設(shè)置有不同側(cè)重點的觀測員，以提取圖片中的不同維度信息。比如，有的觀測員著重提取顏色信息，有的著重提取物體邊緣輪廓信息，有的專門提取某個特定形狀的信息。最后綜合這些信息，幫助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做出更好的判斷。

此外，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還有一個重要的步驟——匯聚（又稱池化）。

圖片往往是一個非常大的矩陣，匯聚能夠把一塊區(qū)域里的信息壓縮成一個信息。假如，對一個 16×16 的矩陣，可以通過匯聚的方法，提取 2×2 格子里顏色最深一格的信息，就能把它變成這樣的 8×8 的矩陣。如果再進行一次相同的匯聚，就可以把 8×8 的矩陣，變成 4×4 的矩陣。雖然圖像匯聚后會有一些變化，但是依然保留了整個圖像中的基本特征。

卷積和匯聚，讓卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠非常好地對圖片信息進行提取，對于圖像的學(xué)習(xí)處理效率上有了非常大的提升。

當(dāng)然，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也會使用跟神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣的反向傳播算法，不斷根據(jù)已知結(jié)果逆向調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)，以做出越來越準(zhǔn)確的判斷。

那么，AI如何改變一些行業(yè)的生態(tài)？接下來的幾集中，我們將一同探究。

策劃制作

本文為科普中國-創(chuàng)作培育計劃作品

出品｜中國科協(xié)科普部

監(jiān)制｜中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨北京云御紀(jì)文化傳播有限公司

審核丨秦曾昌 北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 副教授

策劃丨符思佳

責(zé)編丨符思佳

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