Типы нейронных сетей. Принцип их работы и сфера применения

Какими бывают нейронные сети?

Из архитектуры и режима работы нейросети следует несколько особенностей, ключевых для понимания направления. Нейросети закрыты. Мы не можем сказать, по каким критериям программа «решает», что на картинке изображен человек или что текст является стихотворением. Все это происходит автоматически; задача разработчика — правильно описать структуру и задать формулы. Примерно так же мы не можем достоверно сказать, что именно происходит в человеческом мозгу, почему он понимает, что собака — это собака, даже если впервые видит незнакомую породу. Если у собаки не будет хвоста, она окажется бесшерстной или покрашенной в неестественный цвет, мы все равно определим ее как собаку — по ряду характеристик, которые до конца не осознаем сами. Нейроны в сетях независимы. Каждый нейрон никак не связан с процессом работы других. Да, они получают друг от друга информацию, но их внутренняя деятельность не зависит от других элементов. Поэтому даже если один нейрон выйдет из строя, другой продолжит работать — это важно в вопросе отказоустойчивости. Подобная устойчивость свойственна и биологическим нейронным сетям, которые продолжают работать, даже если оказываются повреждены. Но у независимости есть и недостаток: из-за нее решения оказываются многоступенчатыми и порой хаотичными, их сложно предсказать и повлиять на них. Нейросети очень гибкие. Так как нейроны сами подбирают критерии и не зависят друг от друга, нейросети более гибкие, чем другие модели машинного обучения. Их архитектура унаследовала важные свойства биологической нервной системы: способность самообучаться и приспосабливаться к новым данным, возможность игнорировать «шумы» и неважные детали входной информации. Как живой человек сможет различить знакомого в толпе, так нейросеть можно научить выделять нужное и отбрасывать ненужное. Гибкость проявляется не только в этом. Нейросети способны решать широкий спектр задач, и их можно адаптировать практически под любые обстоятельства. Нейросети приблизительны. Мы уже говорили: любой результат, выданный нейронной сетью, приблизителен и неточен. Например, сеть, которая распознает картинки, может сказать «Здесь изображена корова» только с определенной вероятностью. И эта вероятность всегда будет меньше единицы, то есть ниже ста процентов. Более того: если два раза показать нейросети одну и ту же картинку, она может выдать разные вероятности в качестве ответа. Различаться они, конечно, будут на сотые и тысячные доли, но это все же неодинаковый, недетерминированный результат. Нейросети могут ошибаться. Любой искусственный интеллект уступает человеческому. Это происходит из-за того, что мощности нашего мозга до сих пор невозможно повторить. В теле человека 86 миллиардов нейронов, и еще не создана сеть, которая хотя бы немного приблизилась к этому числу. В современных нейросетях содержится примерно 10 миллиардов нейронов. Даже при наличии продвинутых формул искусственная нейросеть все равно остается упрощенной моделью — например, в ней нет понятия силы импульса, которое есть в биологических нервах. У биологических нейронных сетей, конечно, тоже бывают ошибки. Но для нейросетей они проявляются более ярко за счет их упрощенной структуры. Читайте также: Искусственный интеллект против сценаристов: как нейросети создают истории

Любой нейрон состоит из двух типов данных: входных и выходных. У первого слоя входные данные равняются выходным. В других случаях на вход попадает суммарная информация предыдущих слоёв, после чего она нормализуется (все значения, которые выпадают из требуемого диапазона, преобразуются с помощью функции активации).

Биологические нейронные сети. Нервная система живого существа состоит из нейронов — клеток, которые накапливают и передают информацию в виде электрических и химических импульсов. У нейронов есть аксон — основная часть клетки, и дендрит — длинный отросток на ее конце, который может достигать сантиметра в длину. Дендриты передают информацию с одной клетки на другую и работают как «провода» для нервных импульсов. С помощью специальных шипов они цепляются за другие нейроны, и так сигналы передаются по всей нервной системе. В качестве примера можно привести любое осознанное действие. Например, человек решает поднять руку: импульс сначала появляется в его мозгу, потом через сеть нейронов информация передается от одной клетки к другой. По пути она преобразуется и в конечном итоге достигает клеток в руке. Рука поднимается. Так работает большинство процессов в организме — тех, которые управляются мозгом. Но главная особенность нейронных сетей — способность обучаться. И именно она легла в основу машинных нейросетей. Первые машинные нейросети. В сороковых годах прошлого века люди впервые попытались описать сеть нейронов математически. Затем, в пятидесятых, — воссоздать ее модель с помощью кода. Получилась та самая структура, которую назвали перцептрон. На графиках и иллюстрациях ее обычно рисуют как набор кругов и прямых, их соединяющих — это и есть нейроны, образующие сетку. Перцептрон был проще современных нейросетей. Он имел всего один слой и три типа элементов: первый тип принимал информацию, второй обрабатывал и создавал ассоциативные связи, третий выдавал результат. Но даже элементарная структура уже могла обучаться и более-менее точно решать простые задачи. Например, перцептрон мог ответить, есть ли на картинке предмет, который его научили распознавать. Он был способен отвечать только на вопросы, где есть два варианта ответов: «да» и «нет». После этого развитие нейросетей замедлилось. Существующих на тот момент технологий было недостаточно, чтобы создать мощную систему. Наработки шли неторопливо, но чем больше развивалась компьютерная отрасль, тем больше интереса вызывал концепт.

Современные нейронные сети. Когда компьютеры развились до современных мощностей, концепция нейронной сети снова стала привлекательной. К тому моменту ученые успели описать много алгоритмов, которые помогали распространять информацию по нейронам, и предложили несколько структур. Это были как однослойные, так и многослойные сети, однонаправленные и рекуррентные — подробнее мы расскажем о классификации далее. Чем более продвинутыми становились компьютеры, тем больше сложных и интересных задач могли реализовать нейронные сети. Мощность системы играет важную роль, т.к. каждый нейрон постоянно выполняет ресурсоемкие вычисления. Чтобы решить сложную задачу, обычно нужно много нейронов, их масштабная структура и множество математических функций. Понятно, что для этого понадобится очень сильный компьютер.

Но это далеко не все варианты классификации и виды нейронных сетей. Также их делят: 1. В зависимости от типов нейронов: — однородные; — гибридные. 2. В зависимости от метода нейронных сетей по обучению: — обучение с учителем; — без учителя; — с подкреплением. 3. По типу входной информации нейронные сети бывают: — аналоговые; — двоичные; — образные. 4. По характеру настройки синапсов: — с фиксированными связями; — с динамическими связями.

Так как современные нейронные сети имеют очень большие способности и разные варианты использования, их популярность растёт, а развитие отрасли тоже идёт семимильными шагами. Их учат играть в компьютерные игры, узнавать голоса и т. д. По сути, искусственные сети создаются по принципу биологических, а значит, мы можем обучить их выполнению тех процессов, которые человек выполняет не вполне осознанно.

В результате на результат оказывают влияние не нейроны, а конкретно синапсы, которые дают совокупность веса входных данных, ведь собственно сами нейроны постоянно выполняют абсолютно одинаковые вычисления. Выставление весов осуществляется в случайном порядке.

У нейросетей есть общие черты — например, наличие входного слоя, который принимает информацию на вход. Но много и различий. Для каждой из перечисленных выше задач потребуется своя нейронная сеть. У них будут различаться структуры, архитектура, типы нейронов и многое другое. Создать универсальный алгоритм невозможно, по крайней мере пока, поэтому сети отдельно оптимизируют под определенные спектры задач. Однонаправленные. Нейросети работают в одном направлении — как оригинальный перцептрон. Это значит, что у них нет «памяти», а поток информации передается только в одну сторону. Структура выходит более простой, чем в случае с рекуррентными сетями, о которых мы поговорим ниже. Но это не плохо: для решения некоторых задач простые структуры подходят лучше. Однонаправленные сети хорошо подходят для задач распознавания. Суть примерно та же, что и в случае с восприятием окружающего мира реальным мозгом. Органы чувств получают информацию и передают ее в одном направлении, та в процессе трансформируется и распознается. Мозг делает вывод: «я вижу собаку», «слышна рок-музыка», «на улице холодно». Однонаправленная модель работает по тому же принципу, но более упрощенно. Еще один вариант применения — прогнозирование. Принцип такой же: «На улице тучи — значит, пойдет дождь». Но критерии, по которым нейросети делают выводы, до конца непонятны. Рекуррентные. У этих сетей есть эффект «памяти» благодаря тому, что данные передаются в двух направлениях, а не в одном. В результате они воспринимают предыдущую полученную информацию и могут глубже ее «анализировать». Это полезно, если перед сетью стоит сложная задача вроде перевода текста. Однонаправленная нейросеть переведет каждое слово по отдельности, и получится бессвязная «каша». Рекуррентная сможет учесть контекст и перевести, например, apple tree не как «яблоко дерево», а как «яблоня». Или более сложный пример: идиома that’s a piece of cake в контексте переведется не как «это кусок торта», а как «проще простого» в зависимости от стиля текста. На это сейчас способны не все переводчики. Задачи для рекуррентной сети можно сформулировать так: это работа с большим объемом данных, которые надо разбить на более мелкие и обработать. Причем с учетом связей между друг другом. Правильно настроенная рекуррентная нейронная сеть способна отличать контекст одной ситуации от другой. Это важно, например, при создании «говорящих» ботов: вспомните, как «обижаются» голосовые помощники, если сказать им что-то грубое. Сверточные. Это отдельная категория нейронных сетей, менее закрытая, чем другие, благодаря принципиальной многослойности. Многослойными называются нейронные сети, в которых нейроны сгруппированы в слои. При этом каждый нейрон предыдущего слоя связан со всеми нейронами следующего слоя, а внутри слоев связи между нейронами отсутствуют. Сверточные сети используют для распознавания образов. У них особая структура слоев: часть занимается «свертыванием», преобразованием картинки, а часть — группировкой и распознаванием маленьких дискретных элементов, созданных на сверточных слоях. Таких слоев несколько. Результат — более высокая точность и качественное восприятие информации. Интересный факт: как обычные нейросети были основаны на нейронах в головном мозгу, так сверточные — на структуре зрительной коры. Это та часть мозга, которая отвечает за восприяти
е картинок. В ней чередуются «простые» и «сложные» клетки: первые реагируют на определенные линии и очертания, вторые — на активацию конкретных простых клеток. Так происходит процесс распознавания образов в мозгу, и примерно так же устроена сверточная нейросеть. Сверточные слои «воспринимают» отдельные элементы картинки как простые клетки — линии. Особые слои, называемые субдискретизирующими, реагируют на конкретные найденные элементы. Чем больше слоев, тем более абстрактные детали способна заметить и определить сеть. На результат работы промежуточных слоев можно посмотреть, если заглянуть в файлы нейросети. Поэтому она и считается менее закрытой. Результат больше всего напоминает карту признаков из машинного обучения.

Схема и концепция работы

Нейросеть — это связка нейронов. Каждый из этих нейронов получает данные, обрабатывает их, а потом передаёт другому нейрону. И каждый нейрон обрабатывает сигналы одинаково. Но каким же тогда образом мы получаем разный результат? За это отвечают синапсы, соединяющие нейроны друг с другом. Каждый нейрон способен иметь множество синапсов, которые ослабляют или усиливают сигнал. Нейроны способны менять свои характеристики в течение определённого времени. Кстати, правильно выбрав параметры синапсов, мы сможем получать на выходе правильные результаты преобразования входной информации.

Сейчас на слуху «творчество нейросетей»: сгенерированные машиной тексты и стихи, несуществующие картины и фотографии людей, почти похожие на настоящие. Для человека вне IT это выглядит как чудо. Но на самом деле нейронные сети хорошо объясняются математически, хотя результат их работы действительно невозможно предсказать.

Нейросети действительно используются для решения задач, похожих на те, которые решает человеческий мозг. Но даже мощная нейросеть может ошибиться. И в некоторых случаях цена этой ошибки может быть крайне велика, а ее вероятность намного больше, чем если задачу решает человек. Поэтому сейчас нейронные сети используются скорее для ассистирования, чем для полномасштабной самостоятельной работы. Существуют проблемы, в решении которых машины действительно могут заменить человека. Это некоторые аналитические задачи, а также те, которые связаны с более-менее однообразными действиями. Например, с помощью нейросети может работать робот-почтальон. Но далеко не все задачи можно решить вот так. Например, робот может ответить на более менее стандартные вопросы в банковском приложении, но не поймет, что делать, если человек задаст что-то неочевидное.

Не совсем. Нейронные сети относят к глубокому обучению (Deep Learning), которое является частью машинного, но от классического ML подход сильно отличается. В стандартном машинном обучении программе предварительно рассказывают, как выглядит то, что она должна сделать. Например, если нужно отличить мужчину от женщины, потребуется «объяснить» модели, в чем принципиальные различия между фигурами. Это делается с помощью математических формул и абстракций, которые будут описывать параметры. Выше мы говорили про понятие карты признаков — по сути, это она и есть. При обучении нейросети такой задачи не стоит. Признаки сеть находит сама, их не нужно описывать. Необходимо только задать коэффициенты и результаты, соответствующие каждому возможному исходу. Это и хорошо, и плохо. Плохо — потому что приводит к уже описанной выше непредсказуемости. Хорошо — потому что дает больше гибкости: два необученных исходника одной и той же сети можно обучить на выполнение двух разных задач. Не понадобится писать другой алгоритм и задавать новые параметры. Можно оставить ту же архитектуру, главное — чтобы она изначально была оптимальной для этого типа задач.

Кроме количества слоёв, нейронные сети можно классифицировать по направлению распределения информации по синапсам между нейронами: 1. Нейросети прямого распространения (однонаправленные). В этой структуре сигнал перемещается строго по направлению от входного слоя к выходному. Движение сигнала в обратном направлении не осуществляется и в принципе невозможно. Сегодня разработки этого плана распространены широко и на сегодняшний день успешно решают задачи распознавания образов, прогнозирования и кластеризации. 2. Рекуррентные нейронные сети (с обратными связями). Здесь сигнал двигается и в прямом, и в обратном направлении. В итоге результат выхода способен возвращаться на вход. Выход нейрона определяется весовыми характеристиками и входными сигналами, плюс дополняется предыдущими выходами, снова вернувшимися на вход. Этим нейросетям присуща функция кратковременной памяти, на основании чего сигналы восстанавливаются и дополняются во время их обработки. 3. Радиально-базисные функции. 4. Самоорганизующиеся карты.

Нейросети — математические модели и их программное воплощение, основанные на строении человеческой нервной системы. Самую простую нейронную сеть, перцептрон (модель восприятия информации мозгом), вы сможете легко самостоятельно написать и запустить на своем компьютере, не используя сторонние мощности и дополнительные устройства. Пройдите наш тест и узнайте, какой контент подготовил искусственный интеллект, а какой — реальный человек. Чтобы лучше понять, что это такое, попробуем сначала разобраться, как работают биологические нейронные сети — те, что находятся внутри нашего организма. Именно они стали прообразом для машинных нейронных сетей.