大规模无监督学习构建高层特征
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无监督学习的基本概念无监督学习是机器学习领域中的一个重要分支,它与监督学习和强化学习并列,是一种通过从未标记的数据中发现模式和结构的方法。
与监督学习不同,无监督学习不需要预先标记的训练数据,而是通过对数据的自主学习和自组织来获取知识。
无监督学习在数据挖掘、模式识别、自然语言处理、计算机视觉等领域有着广泛的应用,为人工智能的发展提供了重要的思路和方法。
1. 无监督学习的基本原理无监督学习的基本原理是通过对数据的统计特性和结构进行分析,发现其中的规律和潜在的模式。
它并不依赖于外部的标签信息,而是依靠数据本身的内在特征来进行学习和预测。
在无监督学习中,数据通常以向量的形式表示,通过对这些向量进行聚类、降维、关联规则挖掘等操作,来实现对数据的理解和分析。
2. 无监督学习的应用无监督学习在实际应用中有着广泛的用途。
其中,最常见的应用包括聚类分析、降维和关联规则挖掘。
聚类分析是将数据集中的样本划分为若干个类别的过程,它可以帮助我们发现数据集中的潜在分组结构,从而对数据进行分析和理解。
降维则是将高维数据映射到低维空间的过程,它可以帮助我们发现数据中的主要特征,并减少数据的复杂性。
关联规则挖掘则是发现数据中的相关性和频繁模式,从而帮助我们理解数据的内在结构和规律。
3. 无监督学习的算法在无监督学习中,有许多经典的算法被广泛应用。
其中,最常见的包括K均值聚类、高斯混合模型、主成分分析和关联规则挖掘。
K均值聚类是一种基于距离的聚类算法,通过不断迭代更新类别中心点,将数据聚集成若干个类别。
高斯混合模型则是一种基于概率模型的聚类算法,它假设数据是由若干个高斯分布组成的,并通过最大似然估计来拟合数据的分布。
主成分分析是一种降维算法,它通过线性变换将高维数据映射到低维空间,并保留数据中的主要特征。
关联规则挖掘则是一种挖掘数据中频繁模式的算法,它可以帮助我们发现数据之间的关联性和规律。
4. 无监督学习的挑战和展望尽管无监督学习在许多领域有着重要的应用,但它也面临着许多挑战。
无监督学习的使用方法无监督学习是机器学习领域的一个重要分支,它以数据的特征为基础,通过对数据的模式和结构进行分析和挖掘,从而实现对数据的自动分类、聚类、降维等任务。
与监督学习不同,无监督学习不需要标记好的训练数据,因此在处理大规模数据时具有明显的优势。
本文将介绍一些常见的无监督学习算法以及它们的使用方法。
一、无监督学习算法1. 聚类算法聚类算法是无监督学习中最为常见的一类算法,它的主要目标是将数据集划分为若干个不同的类别,使得同一类别内的数据相似度较高,不同类别之间的数据相似度较低。
常见的聚类算法包括K均值聚类、层次聚类、DBSCAN等。
K均值聚类是一种基于距离的聚类算法,它以数据点之间的距离作为相似度的度量,通过迭代的方式将数据划分为K个不同的类别。
层次聚类算法则是一种自底向上的聚类方法,它以数据点之间的相似度作为度量,逐步合并相似度高的数据点,直到所有数据点都合并为一个类别。
DBSCAN是一种基于密度的聚类算法,它通过寻找数据集中的高密度区域来确定类别,从而克服了K均值聚类对于类别数量的先验假设。
2. 降维算法降维算法是一种将高维数据映射到低维空间的方法,它的主要目标是保留数据的重要信息同时减少数据的维度。
常见的降维算法包括主成分分析(PCA)、t-分布邻域嵌入(t-SNE)等。
PCA是一种线性的降维算法,它通过找到数据中的主成分来实现降维,从而能够在保留数据重要信息的同时减少数据的维度。
t-SNE是一种非线性的降维算法,它通过在高维空间中对数据点之间的相似度进行映射,将数据映射到低维空间中,从而实现降维并保持数据的局部结构。
3. 关联规则挖掘算法关联规则挖掘算法是一种挖掘数据集中频繁出现项集的方法,它的主要目标是发现数据集中项集之间的关联规则。
常见的关联规则挖掘算法包括Apriori算法、FP-growth算法等。
Apriori算法是一种基于候选集的方法,它通过迭代的方式发现频繁项集,并由频繁项集生成关联规则。
大规模无监督学习中的多模态融合算法随着大数据时代的到来,多模态数据的处理和分析成为了一个重要的研究领域。
多模态数据指的是包含了不同类型信息(如文本、图像、音频等)的数据集合。
在许多应用领域,如社交媒体分析、智能交通、医学图像分析等,多模态数据具有丰富的信息,能够提供更全面和准确的分析结果。
然而,由于不同类型信息之间存在着复杂的关联关系和异构性,如何有效地融合这些信息成为了一个具有挑战性的问题。
大规模无监督学习是指在没有标签或很少标签信息下进行学习任务。
与传统有监督学习不同,大规模无监督学习更加适用于处理海量且未标记的数据集。
在这种情况下,多模态融合算法可以通过挖掘不同类型信息之间隐含关系来提高数据处理和分析效果。
在大规模无监督学习中进行多模态融合算法研究时需要解决以下几个关键问题:首先是特征提取与表示问题。
由于不同类型信息具有不同的特点和表达方式,需要将它们转化为统一的特征表示形式,以便于后续的融合和分析。
传统的特征提取方法往往是针对单一类型信息设计的,无法直接应用于多模态数据。
因此,需要开发新的算法来提取多模态数据中共享和独有的特征。
其次是模态融合问题。
不同类型信息之间存在着复杂的关联关系和异构性,如何将它们有效地融合起来成为了一个关键问题。
传统方法主要采用线性加权或简单拼接方式进行模态融合,但这些方法无法充分利用多模态数据中潜在的信息互补性和相关性。
因此,需要开发新的算法来实现更有效地模态融合。
最后是无监督学习问题。
在大规模无监督学习中进行多模态数据分析时,通常缺乏标签信息或标签信息非常有限。
如何利用未标记数据进行有效学习成为了一个挑战性问题。
传统方法主要采用基于聚类或降维等技术来实现无监督学习,在多模态数据上应用这些方法时存在一定限制。
针对以上问题,在大规模无监督学习中的多模态融合算法研究中,可以采用以下方法:首先,可以采用深度学习方法进行特征提取和表示学习。
深度学习通过多层次的非线性变换,可以从原始数据中提取出高层次的抽象特征表示。
大规模无监督学习的特征选择与提取研究近年来,大规模无监督学习的特征选择与提取研究成为机器学习领域的热点。
在大数据时代,数据量的爆炸性增长给机器学习算法带来了巨大挑战。
在这种情况下,如何从海量数据中提取有用的特征成为了一个关键问题。
无监督学习作为一种重要的机器学习方法,可以从未标记的数据中发现模式和结构,因此在大规模无监督学习中进行特征选择和提取具有重要意义。
特征选择是指从原始数据中选择出最具代表性和最能表达数据结构的子集作为输入特征。
在大规模无监督学习中,由于原始数据维度高、冗余度高、噪声多等问题,进行特征选择变得尤为重要。
一方面,过多维度会导致计算复杂度增加、算法效率降低;另一方面,在高维空间下进行聚类和分类等任务容易受到维数灾难问题影响。
因此,在进行大规模无监督学习时,如何挑选出最具代表性和最能表达数据结构的特征子集,成为了一个值得研究的问题。
特征提取是指通过某种变换或映射,将原始数据映射到一个新的特征空间中。
通过特征提取,可以将原始数据转化为更加有意义和有用的表示形式。
在大规模无监督学习中,特征提取可以帮助我们发现数据中的潜在结构和模式。
常用的无监督学习方法如主成分分析(PCA)和独立成分分析(ICA)等都是基于特征提取思想。
在大规模无监督学习中,如何进行高效且准确的特征选择和提取是一个具有挑战性的问题。
一方面,由于数据量大、计算复杂度高等原因,传统的特征选择和提取方法在大规模无监督学习中难以应用。
另一方面,在没有标签信息指导下进行无监督学习,如何保证所选择或提取出来的特征能够准确地表达数据结构也是一个难点。
为了解决这些问题,在大规模无监督学习中可以采用以下策略:首先,在进行大规模无监督学习时应该考虑到算法效率和计算复杂度。
由于数据量大,传统的特征选择和提取方法往往难以满足计算需求。
因此,可以考虑使用分布式计算和并行计算等方法,以提高算法的效率和可扩展性。
其次,在大规模无监督学习中可以利用无监督学习方法自动发现数据中的模式和结构。
无监督学习是深度学习中的一个重要领域,它主要关注在没有明确标签或监督的情况下,如何从数据中自动提取有用的特征和模式。
无监督学习技术广泛应用于数据挖掘、图像识别、自然语言处理等领域。
无监督学习的主要应用场景包括:1. 聚类分析:通过将数据划分为不同的组或类别,以便更好地理解和解释数据。
这种方法在无监督学习中被广泛应用,因为它不需要明确的标签或监督。
2. 降维:通过将高维数据降至低维空间,以便更好地理解和分析数据。
这种方法有助于减少数据的复杂性,并提高模型的性能和效率。
3. 生成模型:通过生成新的数据或样本,无监督学习技术可以帮助创建有用的数据流和产品。
这种方法可用于自动创建新的图像、音频或文本数据,从而提高自动化程度和工作效率。
在深度学习中,无监督学习通常采用监督学习的方式来获得有用的特征和模式。
一种常见的技术是无监督的神经网络(如自编码器),通过学习数据的表示层次结构,能够自动从数据中提取有用的特征和模式。
另一种是无监督的迁移学习,通过利用已标记数据的先验知识,对无标签数据进行无监督学习,并从中获得有用的特征和模式。
无监督学习的优势在于它能够处理大规模的数据集,并且可以自动发现数据的内在结构和模式。
然而,它也存在一些挑战,如如何有效地处理高维数据和噪声数据,以及如何避免过拟合和欠拟合等问题。
未来无监督学习技术的发展方向包括更高效的算法和模型设计,以及更广泛的应用领域。
例如,随着深度学习技术的不断发展,无监督学习技术有望在自然语言处理、计算机视觉、智能推荐等领域发挥越来越重要的作用。
此外,随着大数据和人工智能的结合,无监督学习技术有望在更广泛的领域得到应用,如医疗诊断、金融分析、智能交通等。
总之,无监督学习技术是深度学习中一个重要的研究方向,它能够自动从大规模数据中提取有用的特征和模式,并应用于各种领域。
随着算法和模型的不断优化,无监督学习技术的应用前景将更加广阔。
无监督学习初步无监督学习是机器学习中的一种方法,与有监督学习不同,它不需要有标记的数据来进行训练。
无监督学习的目标是从未标记的数据中找到隐藏的模式和结构,这使得它在处理大规模和高维度数据方面非常有用。
1. 无监督学习的应用场景无监督学习可以应用于数据挖掘、图像处理、自然语言处理等领域。
在数据挖掘中,无监督学习可以用来对数据进行分类、聚类、异常检测等任务。
在图像处理中,无监督学习可以用来进行图像分割、计算机视觉等任务。
在自然语言处理中,无监督学习可以用来进行语义分析、文本分类等任务。
2. 无监督学习的方法无监督学习的方法包括聚类、降维、生成模型等。
其中,聚类是将数据分成若干组,使得同一组的数据具有相似性;降维是将高维度的数据转换为低维度的数据,从而使得分析和可视化更加容易;生成模型是用概率模型来生成数据,这种方法可以用来进行数据合成和数据增强。
3. 聚类方法聚类方法是无监督学习中最常用的方法之一。
它将未标记的数据分为若干个组,每个组内的数据都具有相似的特征。
聚类方法的目标是最大化组内的相似性和最小化组间的相似性。
常见的聚类方法包括K均值聚类、层次聚类、DBSCAN等。
4. 降维方法降维方法是将高维度数据转换为低维度数据的过程。
降维可以帮助我们更好地理解数据,还可以减少运算的时间和资源。
降维的方法包括主成分分析(PCA)、独立成分分析(ICA)等。
5. 生成模型方法生成模型方法是用概率模型来生成数据。
这种方法可以用来进行数据合成和数据增强。
生成模型的方法包括概率图模型、变分自编码器等。
6. 无监督学习的优缺点无监督学习的优点是可以处理大规模和高维度的数据,还可以从未标记的数据中找到隐藏的模式和结构。
缺点是模型的不确定性较高,需要更多的数据进行验证,还存在“标记漂移”问题,即模型对数据的理解可能有误。
7. 结语无监督学习是机器学习中重要的一个领域,它可以用来处理大规模和高维度的数据,并从未标记的数据中发现隐藏的模式和结构。
数据分析知识:数据挖掘中的监督学习和无监督学习在数据分析领域,数据挖掘技术被广泛运用于从数据中挖掘出有意义的信息和规律,以帮助企业和个人做出更明智的决策。
而数据挖掘主要分为监督学习和无监督学习两种方式。
本文将详细介绍这两种学习方式的概念、算法、应用场景和优缺点。
一、监督学习监督学习是指基于已知结果的数据样本,通过建立一个映射函数,将输入数据映射到输出结果,从而实现对未知数据进行预测或分类的过程。
在监督学习中,我们通常将输入数据称为自变量,输出结果称为因变量。
监督学习的核心是建立一个有效的模型,这个模型需要能够对未知数据进行良好的预测或分类。
目前常用的监督学习算法包括决策树、神经网络、支持向量机、朴素贝叶斯分类和随机森林等。
1.决策树算法决策树算法是一种基于树型结构的分类算法,它通过对数据样本的分类特征进行判断和划分,最终生成一棵树形结构,用于对未知数据进行分类或预测。
决策树算法具有易于理解、易于实现和可解释性强等优点,适合于处理中小规模的数据集。
2.神经网络算法神经网络算法是一种基于人工神经网络的分类算法,它通过多层神经元之间的相互连接和权重调整,学习输入数据和输出结果之间的复杂非线性关系,从而实现对未知数据的分类或预测。
神经网络算法具有适应性强、泛化能力好等优点,但也存在学习速度慢、容易陷入局部最优等缺点。
3.支持向量机算法支持向量机算法是一种基于核函数的分类算法,它通过定义一个最优超平面,将不同类别的数据样本分隔开来,从而实现对未知数据的分类或预测。
支持向量机算法具有泛化性能强、对于样本噪声和非线性问题具有较好的处理能力等优点,但也存在计算量大、核函数选择过程较为困难等缺点。
4.朴素贝叶斯分类算法朴素贝叶斯分类算法是一种基于概率统计的分类算法,它通过统计样本数据中各个特征值出现的概率,并根据贝叶斯公式计算出对于给定数据属于每个类别的概率,从而实现对未知数据的分类或预测。
朴素贝叶斯分类算法具有计算速度快、对于高维数据具有处理优势等优点,但也存在对于样本分布不平衡和假设独立性等问题的限制。
深度学习技术中的无监督学习详解深度学习作为人工智能领域的一个重要研究领域,已经取得了令人瞩目的成果。
而在深度学习技术中,无监督学习是一种重要的方法,它可以从未标记的数据中学习到有效的表示结构,丰富了机器学习的算法。
无监督学习的目标是通过模型自身的学习能力来发现数据的内在规律和结构,而不需要事先标记好的训练数据。
相比于有监督学习,无监督学习更加接近人类的自主学习方式,能够学习到更加普遍的潜在特征。
无监督学习的方法包括聚类、降维以及生成模型等。
聚类是无监督学习中最常见的任务之一,它通过将数据样本分成不同的类别,来探索数据的内在结构。
常用的聚类算法有K均值、层次聚类和混合高斯模型等。
在深度学习中,基于神经网络的聚类算法也相继被提出,如自编码器、变分自编码器等。
降维是另一个重要的无监督学习任务,它可以将高维的数据映射到低维空间中,同时保持数据的重要性质。
通过降维,可以减少计算复杂度,去除冗余特征,并可视化高维数据。
常用的降维方法包括主成分分析(PCA)、独立分量分析(ICA)和t-SNE等。
近年来,深度学习技术的发展也推动了基于神经网络的降维方法的出现,如自编码器、变分自编码器和t-SNE的深度变种等。
生成模型是无监督学习中的另一个重要分支,它通过学习数据的分布来生成新的数据样本。
生成模型在图像合成、语音生成和自然语言处理等领域中有广泛的应用。
常见的生成模型有概率图模型、变分自编码器和生成对抗网络(GAN)等。
GAN是一种创新性的生成模型,它由一个生成器网络和一个判别器网络组成,通过对抗学习的方式来逐步改进生成器的性能,从而生成高质量的数据样本。
在无监督学习的过程中,数据的质量和数量起着至关重要的作用。
数据的质量会影响到模型学习的准确性和鲁棒性,而数据的数量则会影响到模型的泛化能力。
因此,数据的预处理和增强技术在无监督学习中占据着重要地位。
常见的数据预处理技术包括标准化、归一化和正规化等;而数据增强技术则包括翻转、旋转、缩放和剪切等。
监督学习和无监督学习方法比较评估在机器学习领域,监督学习和无监督学习是两种常见的学习方法。
监督学习是指以有标签的训练数据为基础,通过从样本中提取特征,构建模型来预测未知样本的标签。
而无监督学习则是在没有标签的情况下,从数据中自动发现模式和结构,对数据进行分类和聚类。
在评估监督学习和无监督学习方法之前,我们首先来了解一下它们的特点和应用场景。
监督学习的特点在于需要带标签的训练数据作为输入,通过样本间的相关性来学习并进行分类预测。
在监督学习中,我们可以提前知道预测的输出结果,从而可以评估模型的性能并进行调整。
监督学习适用于需要预测和分类的问题,如画像识别、文字分类等。
常见的监督学习算法包括决策树、支持向量机、神经网络等。
与监督学习不同,无监督学习是通过对数据的统计分析和模式发现来创建模型。
无监督学习方法不需要预先知道标签信息,它能够发现数据自身的内在结构和规律,并进行聚类和降维。
无监督学习适用于无法事先确定标签或者需要探索数据背后隐藏信息的问题。
常见的无监督学习算法包括聚类算法(如K-means算法和层次聚类算法)、关联规则挖掘等。
那么,监督学习和无监督学习方法有哪些比较评估的侧重点呢?首先,监督学习的一个重要评估指标是准确率。
通过将训练数据分为训练集和测试集,通过对测试集进行预测,并将预测结果与实际标签进行比较,可以计算出模型的准确率。
准确率越高,模型的性能越好。
监督学习还可以通过其他指标如召回率、精确率、F1值等来评估模型的性能。
这些指标可以帮助我们了解模型在不同类别下的分类效果,并选择合适的模型。
与此相反,由于无监督学习没有标签信息,因此无法使用准确率等指标对模型进行评估。
无监督学习的评估较为主观,需要依靠人工对聚类结果进行分析和判断。
一种常用的评估方法是轮廓系数,它通过计算样本与自己所在簇内的平均距离和与其他簇的平均距离之差来评估聚类结果的紧密度和独立性。
轮廓系数的取值范围为[-1,1],越接近于1表示聚类结果越好。
人工智能中的监督学习与无监督学习人工智能是当今科技领域的一个热门话题,它将计算机科学、数学和统计学等多个学科结合起来,旨在开发能够模仿人类智能的系统和算法。
在人工智能的发展过程中,监督学习和无监督学习是两种重要的学习方式。
本文将介绍监督学习和无监督学习的概念和原理,并讨论它们在人工智能领域的应用。
一、监督学习监督学习是指从给定的训练数据集中学习一个模型,使得该模型能够进行预测。
在监督学习中,训练数据集包含了输入和输出的对应关系,即输入数据和对应的标签或目标输出。
监督学习通过不断地从输入数据中学习,找到输入和输出之间的关联性,并建立一个能够进行准确预测的模型。
监督学习的基本过程可以分为三个步骤:训练、验证和预测。
首先,利用训练数据集,通过一定的算法或模型对输入数据进行学习,以建立模型。
然后,利用验证数据集评估模型的性能和准确度,并进行模型的调整和改进。
最后,利用训练好的模型对新的数据进行预测。
监督学习的一个典型应用是分类问题。
例如,给定一组包含属性信息和对应类别标签的数据集,监督学习可以通过学习这些数据,建立一个模型来预测新数据的类别标签。
监督学习还可以用于回归问题,即预测连续值输出的问题,例如房价预测。
监督学习的算法有很多种,常见的包括决策树、支持向量机、神经网络和朴素贝叶斯分类器等。
每种算法都有其特点和适用场景,选择合适的算法取决于具体的应用需求和数据特征。
二、无监督学习无监督学习是指从给定的训练数据集中学习模式或结构,而无需事先知道输入和输出之间的关系。
在无监督学习中,训练数据集只包含输入数据,没有对应的标签或目标输出。
无监督学习的目标是发现数据之间的内在结构、关联性或模式,以便对未知数据进行分类、聚类或降维等操作。
无监督学习的基本过程可以分为两个步骤:训练和预测。
首先,利用训练数据集,通过一定的算法或模型对输入数据进行学习,以建立模式或结构。
然后,利用训练好的模型对新的数据进行预测,即对新数据进行聚类、分类或降维等操作。
Building High-level Features Usingunlabeled data. For example, is it possible to learn a face detector using only unlabeled images? To answer this, we train a deep sparse auto-encoder on a large data set of images (the model has 1 billion connections, the data set has 10 million 200x200 pixel images downloaded from the Internet). We train this network using model parallelism and asynchronous SGD on a cluster with 1,000 machines (16,000 cores) for three days. Contrary to what appears to be a widely-held intuition, our experimental results reveal that it is possible to train a face detector without having to label images as containing a face or not. Control experiments show that this feature detector is robust not only to translation but also to scaling and out-of-plane rotation. We also find that the same network is sensitive to other high-level concepts such as cat faces and human bodies. Starting from these learned features, we trained our network to recognize 22,000 object categories from Image Net and achieve a leap of 70% relative improvement over the previous state-of-the- art.1 IntroductionThe focus of this work is to build high-level, class-specific feature detectors from unlabeled images. For instance, we would like to understand if it is possible to build a face detector from only unlabeled images. This approach is inspired by the neuroscientific conjecture that there exist highly class-specific neurons in the human brain, generally and informally known as “grandmother neurons.” The extent of class-specificity of neurons in the brain is an area of active investigation, but current experimental evidence suggests the possibility that some neurons in the temporal cortex are highly selective for object categories such as faces or hands [1], and perhaps even specific people [2].Contemporary computer vision methodology typically emphasizes the role of labeled data to obtain these class-specific feature detectors. For example, to build a face detector, one needs a large collection of images labeled as containing faces, often with a bounding box around the face. The need for large labeled sets poses a significant challenge for problems where labeled data are rare. Although approaches that make use of inexpensive unlabeled data are often preferred, they have not been shown to work well for building high-level features.This work investigates the feasibility of building high-level features from only unlabeled data.A positive answer to this question will give rise to two significant results. Practically, this provides an inexpensive way to develop features from unlabeled data. But perhaps more importantly, it answers an intriguing question as to whether the specificity of the “grandmother neuron” could possibly be learned from unlabeled data. Informally, this would suggest that it is at least in principle possible that a baby learns to group faces into one class because it has seen many of them and not because it is guided by supervision or rewards.Unsupervised feature learning and deep learning have emerged as methodologies in machine learning for building features from unlabeled data. Using unlabeled data in the wild to learn features is the key idea behind the self-taught learning framework [3]. Successful feature learning algorithms and their applications can be found in recent literature using a variety of approaches such as RBMs [4], auto encoders [5, 6], sparse coding [7] and K-means [8]. So far, most of these algorithms have only succeeded in learning low-level feature s such as “edge” or “blob” detectors. Going beyond such simple features and capturing complex invariances is the topic of this work.Recent studies observe that it is quite time intensive to train deep learning algorithms to yield state of the art results [9]. We conjecture that the long training time is partially responsible for the lack of high-level features reported in the literature.We address this problem by scaling up the core components involved in training deep networks: the dataset, the model, and the computational resources. First, we use a large dataset generated by sampling random frames from random YouTube videos. 1 Our input data are 200x200 images, much larger than typical 32x32 images used in deep learning and unsupervised feature learning [11, 9, 12, 8]. Our model, a deep autoencoder with pooling and local contrast normalization, is scaled to these large images by using a large computer cluster. To support parallelism on this cluster, we use the idea of local receptive fields, e.g., [13, 12, 14]. This idea reduces communication costs between machines and thus allows model parallelism (parameters are distributed across machines). Asynchronous SGD is employed to support data parallelism. The model was trained in a distributed fashion on a cluster with 1,000 machines (16,000 cores) for three days.Experimental results using classification and visualization confirm that it is indeed possible to build high-level features from unlabeled data. In particular, using a hold-out test set consisting of faces and distractors, we discover a feature that is highly selective for faces. This result is also validated by visualization via numerical optimization. Control experiments show that the learned detector is not only invariant to translation but also to out-of-plane rotation and scaling. Similar experiments reveal the network also learns the concepts of cat faces and human bodies. More details about our results and analyses are discussed in the full version of our paper [15].The learned representations are also discriminative. Using the learned features, we obtain significant leaps in object recognition with Image Net. For instance, on Image Net with 22,000 categories, we achieved 15.8% accuracy, a relative improvement of 70% over the state-of-the-art. Note that, random guess achieves less than 0.005% accuracy for this dataset.2 MethodOur training dataset is constructed by sampling frames from 10 million YouTube videos. To avoid duplicates, each video contributes only one image to the dataset. Each example is a color image with 200x200 pixels.Our algorithm is can be viewed as a sparse deep auto encoder with three important ingredients: local receptive fields,pooling and local contrast normalization. First, to scale the auto encoder to large images, we use a simple idea known as local receptive fields [16, 13, 10, 12]. This biologically inspired idea proposes that each feature in the auto encoder can connect only to a small region of the lower layer. Next,to achieve invariance to local deformations, we employ local L2 pooling [17, 18, 12] and local contrast normalization [19]. L2 pooling, in particular, allows the learning of invariant features [17, 12].Our deep autoencoder is constructed by replicating three times the same stage composed of local filtering, local pooling and local contrast normalization. The output of one stage is the input to the next one and the overall model can be interpreted as a nine-layered network (see Figure 1). The first and second sub layers are often known as filtering (or simple)And pooling(or complex)respectively. The third sub layer performs local subtractive and divisive normalization and it is inspired by biological and computational models [20, 21, 19].As mentioned above, central to our approach is the use of local connectivity between neurons. In our experiments, the first sublayer has receptive fields of 18x18 pixels and the second sub-layer pools over 5x5 overlapping neighborhoods of features (i.e., pooling size). The neurons in the first sublayer connect to pixels in all input channels (or maps) whereas the neurons in the second sublayer connect to pixels of only one channel (or map). While the first sublayer outputs linear filter responses, the pooling layer outputs the square root of the sum of the squares of its inputs, and therefore, it is known as L2 pooling. Although we use local receptive fields, they are not convolutional: the parameters are not shared across different locations in the image (c.f. [16, 19, 10]). In addition to being more biologically plausible, unshared weights allow the learning of more invariances other than translational invariances [12].In terms of scale, our network is perhaps one of the largest known networks to date. It has 1 billion trainable parameters, which is more than an order of magnitude larger than other large networks reported in literature, e.g., [9, 22] with around 10 million parameters. It is worth noting that our network is still tiny compared to the human visual cortex, which is 610times larger in terms of the number of neurons and synapses [23].The model was trained using approximately 1,000 machines using model parallelism (each model is splitted into 144 machines) and asynchronous SGD (with 5 model replicas communicating the parameters asynchronously to a central server of 256 machines). Thisoptimization technique is described in detail in [24].3 ExperimentsIn this section, we first focus on analyzing learned representations in recognizing faces (“the face detector”). Results for other concepts will follow.The test set consists of 37,000 images sampled from two datasets: Labeled Faces In the Wild dataset [25] and ImageNet dataset [26]. There are 13,026 faces sampled from nonaligned Labeled Faces in The Wild. 3 The rest are distractor objects randomly sampled from ImageNet. These images are resized to fit the visible areas of the top neurons.After training, we used this test set to measure the performance of each neuron in classifying faces against distractors.For each neuron, we found its maximum and minimum activation values, then picked 20 equally spaced thresholds in between. The reported accuracy is the best classification accuracy among 20 thresholds.The best neuron in the network performs very well in recognizing faces, despite the fact that no supervisory signals were given during training. It achieves 81.7% accuracy in detecting faces. There are 13,026 faces in the test set, so guessing all negative only achieves 64.8%. The best neuron in a one-layered network only achieves 71% accuracy while best linear filter, selected among 100,000 filters sampled randomly from the training set, only achieves 74%.We also use two visualization techniques to verify if the optimal stimulus of the neuron is indeed a face. The first method is visualizing the most responsive stimuli in the test set. Since thetest set is large, this method can reliably detect near optimal stimuli of the tested neuron. The second approach is to perform numerical optimization to find the optimal stimulus [27, 28, 12]. In particular, we find the norm bounded input x which maximizes the output f of the tested neuron, by solving:Here, f(x;W,H) is the output of the tested neuron given learned parameters W,H and input x. In our experiments,this constraint optimization problem is solved by projected gradient descent with line search. Results, shown in Figure 2, confirm that the tested neuron learns the concept of faces.这里,f(x,w,h)是给定学习参数w、h和输入x的被测试神经元的输出。