Buzzword Bingo: Data Science – Teil I

Rund um das Thema Data Science gibt es unglaublich viele verschiedene Buzzwords, die Ihnen sicherlich auch schon vielfach begegnet sind. Sei es der Begriff Künstliche Intelligenz, Big Data oder auch Deep Learning. Die Bedeutung dieser Begriffe ist jedoch nicht immer ganz klar und häufig werden Begriffe auch vertauscht oder in missverständlichen Zusammenhängen benutzt. Höchste Zeit also, sich einmal mit den genauen Definitionen dieser Begriffe zu beschäftigen!

Buzzword Bingo: Data Science – Teil 1: Künstliche Intelligenz, Algorithmen & Maschinelles Lernen

Im ersten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns zunächst mit den drei Begriffen „Künstliche Intelligenz“, „Algorithmus“ und „Maschinelles Lernen“.

Künstliche Intelligenz

Der im Bereich der Data Science u. a. am häufigsten genutzte Begriff ist derjenige der „Künstlichen Intelligenz“. Viele Menschen denken bei dem Begriff sofort an hochspezialisierte Maschinen à la „The Matrix“ oder „I, Robot“. Dabei ist der Begriff deutlich älter als viele denken. Bereits 1956 wurde der englische Begriff “artificial intelligence” zum ersten Mal in einem Workshop-Titel am US-amerikanischen Dartmouth College genutzt.

Heutzutage besitzt der Begriff der künstlichen Intelligenz keine allgemeingültige Definition. Es handelt sich bei künstlicher Intelligenz grundsätzlich um ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der Automatisierung von intelligentem Verhalten befasst. Es geht also darum, dass ein Computerprogramm auf eine Eingabe eine intelligente Reaktion zeigt. Zu beachten ist hierbei, dass eine künstliche Intelligenz nur ein scheinbar intelligentes Verhalten zeigen kann. Künstliche Intelligenz wird heutzutage sehr weit gefasst und kann vieles umfassen: von klassischen, regelbasierten Algorithmen bis hin zu selbstlernenden künstlichen neuronalen Netzen.

Das zentrale Forschungsziel ist die Entwicklung einer sogenannten Allgemeinen Künstlichen Intelligenz, also einer Maschine, die in der Lage sein wird, autonom beliebige Probleme zu lösen. Es gibt eine fortlaufende Debatte darüber, ob dieses Ziel jemals erreicht werden kann bzw. ob es erreicht werden sollte.

In den vergangenen Jahren ist auch die sogenannte xAI (engl. Explainable AI; erklärbare künstliche Intelligenz) in den Mittelpunkt der Forschungsinteressen gerückt. Dabei geht es um die Problematik, dass künstliche Intelligenzen sogenannte Black Boxen sind. Das bedeutet, dass ein menschlicher User die Entscheidung einer künstlichen Intelligenz üblicherweise nicht nachvollziehen kann. Eine xAI wäre im Vergleich jedoch eine Glass Box, die Entscheidungen einer solchen künstlichen Intelligenz wären für Menschen also nachvollziehbar.

Algorithmen

Algorithmen sind klar definierte, vorgegebene Prozeduren, mit denen klar definierte Aufgaben gelöst werden können. Dabei kann der Lösungsweg des Algorithmus entweder durch Menschen vorgegeben, also programmiert werden oder Algorithmen lernen durch Methoden des maschinellen Lernens selbstständig den Lösungsweg für eine Prozedur.

Im Bereich der Data Science bezeichnen wir mit Algorithmen kleine Programme, die scheinbar intelligent handeln. Dementsprechend stecken auch hinter künstlichen Intelligenzen Algorithmen. Werden Algorithmen mit klar definierten Eingaben versorgt, führen sie somit zu einem eindeutigen, konstanten Ergebnis. Dabei gilt aber leider auch der Grundsatz der Informatik „Mist rein, Mist raus“. Ein Algorithmus kann immer nur auf sinnvolle Eingaben sinnvolle Ausgaben erzeugen. Die Komplexität von Algorithmen kann sehr vielfältig sein und je komplexer ein solcher Algorithmus ist, desto „intelligenter“ erscheint er oftmals.

Maschinelles Lernen

Maschinelles Lernen ist ein Überbegriff für eine Vielzahl von Verfahren, mit denen ein Computer oder eine künstliche Intelligenz automatisch Muster in Daten erkennt. Beim maschinellen Lernen wird grundsätzlich zwischen dem überwachten und unüberwachten Lernen unterschieden.

Beim überwachten Lernen lernt ein Algorithmus den Zusammenhang zwischen bekannten Eingabe- und Ausgabewerten. Nachdem dieser Zusammenhang vom Algorithmus erlernt wurde, kann dieses maschinelle Modell dann auf neue Eingabewerte angewandt und somit unbekannte Ausgabewerte vorhergesagt werden. Beispielsweise könnte mithilfe einer Regression zunächst der Zusammenhang zwischen Lufttemperatur und dem Wochentag (jeweils bekannte Eingabewerte) sowie der Anzahl der verkauften Eiskugeln (für die Vergangenheit bekannte Ausgabewerte) in einem Freibad untersucht werden. Sobald dieser Zusammenhang einmal ausreichend genau bestimmt worden ist, kann er auch für die Zukunft fortgeschrieben werden. Das bedeutet, es wäre dann möglich, anhand des nächsten Wochentages sowie der vorhergesagten Lufttemperatur (bekannte Eingabewerte für die Zukunft) die Anzahl der verkauften Eiskugeln (unbekannte Ausgabewerte für die Zukunft) zu prognostizieren und somit die Absatzmenge genauer planen zu können.

Beim unüberwachten Lernen auf der anderen Seite sind nur Eingabedaten vorhanden, es gibt keine den Eingabedaten zugehörigen Ausgabedaten. Hier wird dann mit Methoden wie beispielsweise dem Clustering versucht, verschiedene Datenpunkte anhand ihrer Eigenschaften in verschiedene Gruppen aufzuteilen. Beispielsweise könnte ein Clustering-Algorithmus verschiedene Besucher:innen eines Webshops in verschiedene Gruppen einteilen: Es könnte beispielsweise eine Gruppe von Besucher:innen geben, die sehr zielstrebig ein einzelnes Produkt in den Warenkorb legen und ihren Kauf direkt abschließen. Andere Besucher:innen könnten allerdings viele verschiedene Produkte ansehen, in den Warenkorb legen und am Ende nur wenige oder vielleicht sogar gar keine Käufe tätigen. Wieder andere Kund:innen könnten unter Umständen lediglich auf der Suche nach Artikeln im Sale sein und keine anderen Produkte ansehen.

Aufgrund ihres Nutzungsverhaltens auf der Website könnte ein Clustering-Algorithmus mit ausreichend aufbereiteten Daten nun all diese Kund:innen in verschiedene Gruppen oder Cluster einteilen. Was der Algorithmus jedoch nicht leisten kann ist zu erklären, was die erkannten Cluster genau bedeuten. Hierfür braucht es nach wie vor menschliche Intelligenz gepaart mit Fachwissen.

Wie Maschinen uns verstehen: Natural Language Understanding

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Natural Language Understanding (NLU) ist ein Teilbereich von Computer Science, der sich damit beschäftigt natürliche Sprache, also beispielsweise Texte oder Sprachaufnahmen, verstehen und verarbeiten zu können. Das Ziel ist es, dass eine Maschine in der gleichen Weise mit Menschen kommunizieren kann, wie es Menschen untereinander bereits seit Jahrhunderten tun.

Was sind die Bereiche von NLU?

Eine neue Sprache zu erlernen ist auch für uns Menschen nicht einfach und erfordert viel Zeit und Durchhaltevermögen. Wenn eine Maschine natürliche Sprache erlernen will, ist es nicht anders. Deshalb haben sich einige Teilbereiche innerhalb des Natural Language Understandings herausgebildet, die notwendig sind, damit Sprache komplett verstanden werden kann.

Diese Unterteilungen können auch unabhängig voneinander genutzt werden, um einzelne Aufgaben zu lösen:

  • Speech Recognition versucht aufgezeichnete Sprache zu verstehen und in textuelle Informationen umzuwandeln. Das macht es für nachgeschaltete Algorithmen einfacher die Sprache zu verarbeiten. Speech Recognition kann jedoch auch alleinstehend genutzt werden, beispielsweise um Diktate oder Vorlesungen in Text zu verwandeln.
  • Part of Speech Tagging wird genutzt, um die grammatikalische Zusammensetzung eines Satzes zu erkennen und die einzelnen Satzbestandteile zu markieren.
  • Named Entity Recognition versucht innerhalb eines Textes Wörter und Satzbausteine zu finden, die einer vordefinierten Klasse zugeordnet werden können. So können dann zum Beispiel alle Phrasen in einem Textabschnitt markiert werden, die einen Personennamen enthalten oder eine Zeit ausdrücken.
  • Sentiment Analysis klassifiziert das Sentiment, also die Gefühlslage, eines Textes in verschiedene Stufen. Dadurch kann beispielsweise automatisiert erkannt werden, ob eine Produktbewertung eher positiv oder eher negativ ist.
  • Natural Language Generation ist eine allgemeine Gruppe von Anwendungen mithilfe derer automatisiert neue Texte generiert werden sollen, die möglichst natürlich klingen. Zum Beispiel können mithilfe von kurzen Produkttexten ganze Marketingbeschreibungen dieses Produkts erstellt werden.

Welche Algorithmen nutzt man für NLP?

Die meisten, grundlegenden Anwendungen von NLP können mit den Python Modulen spaCy und NLTK umgesetzt werden. Diese Bibliotheken bieten weitreichende Modelle zur direkten Anwendung auf einen Text, ohne vorheriges Trainieren eines eigenen Algorithmus. Mit diesen Modulen ist ohne weiteres ein Part of Speech Tagging oder Named Entity Recognition in verschiedenen Sprachen möglich.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Bibliotheken ist die Ausrichtung. NLTK ist vor allem für Entwickler gedacht, die eine funktionierende Applikation mit Natural Language Processing Modulen erstellen wollen und dabei auf Performance und Interkompatibilität angewiesen sind. SpaCy hingegen versucht immer Funktionen bereitzustellen, die auf dem neuesten Stand der Literatur sind und macht dabei möglicherweise Einbußen bei der Performance.

Für umfangreichere und komplexere Anwendungen reichen jedoch diese Optionen nicht mehr aus, beispielsweise wenn man eine eigene Sentiment Analyse erstellen will. Je nach Anwendungsfall sind dafür noch allgemeine Machine Learning Modelle ausreichend, wie beispielsweise ein Convolutional Neural Network (CNN). Mithilfe von Tokenizern von spaCy oder NLTK können die einzelnen in Wörter in Zahlen umgewandelt werden, mit denen wiederum das CNN als Input arbeiten kann. Auf heutigen Computern sind solche Modelle mit kleinen Neuronalen Netzwerken noch schnell trainierbar und deren Einsatz sollte deshalb immer erst geprüft und möglicherweise auch getestet werden.

Jedoch gibt es auch Fälle in denen sogenannte Transformer Modelle benötigt werden, die im Bereich des Natural Language Processing aktuell state-of-the-art sind. Sie können inhaltliche Zusammenhänge in Texten besonders gut mit in die Aufgabe einbeziehen und liefern daher bessere Ergebnisse beispielsweise bei der Machine Translation oder bei Natural Language Generation. Jedoch sind diese Modelle sehr rechenintensiv und führen zu einer sehr langen Rechenzeit auf normalen Computern.

Was sind Transformer Modelle?

In der heutigen Machine Learning Literatur führt kein Weg mehr an Transformer Modellen aus dem Paper „Attention is all you need“ (Vaswani et al. (2017)) vorbei. Speziell im Bereich des Natural Language Processing sind die darin erstmals beschriebenen Transformer Modelle nicht mehr wegzudenken.

Transformer werden aktuell vor allem für Übersetzungsaufgaben genutzt, wie beispielsweise auch bei www.deepl.com. Darüber hinaus sind diese Modelle auch für weitere Anwendungsfälle innerhalb des Natural Language Understandings geeignet, wie bspw. das Beantworten von Fragen, Textzusammenfassung oder das Klassifizieren von Texten. Das GPT-2 Modell ist eine Implementierung von Transformern, dessen Anwendungen und die Ergebnisse man hier ausprobieren kann.

Was macht den Transformer so viel besser?

Soweit wir wissen, ist der Transformer jedoch das erste Transduktionsmodell, das sich ausschließlich auf die Selbstaufmerksamkeit (im Englischen: Self-Attention) stützt, um Repräsentationen seiner Eingabe und Ausgabe zu berechnen, ohne sequenzorientierte RNNs oder Faltung (im Englischen Convolution) zu verwenden.

Übersetzt aus dem englischen Originaltext: Attention is all you need (Vaswani et al. (2017)).

In verständlichem Deutsch bedeutet dies, dass das Transformer Modell die sogenannte Self-Attention nutzt, um für jedes Wort innerhalb eines Satzes die Beziehung zu den anderen Wörtern im gleichen Satz herauszufinden. Dafür müssen nicht, wie bisher, Recurrent Neural Networks oder Convolutional Neural Networks zum Einsatz kommen.

Was dieser Mechanismus konkret bewirkt und warum er so viel besser ist, als die vorherigen Ansätze wird im folgenden Beispiel deutlich. Dazu soll der folgende deutsche Satz mithilfe von Machine Learning ins Englische übersetzt werden:

„Das Mädchen hat das Auto nicht gesehen, weil es zu müde war.“

Für einen Computer ist diese Aufgabe leider nicht so einfach, wie für uns Menschen. Die Schwierigkeit an diesem Satz ist das kleine Wort „es“, dass theoretisch für das Mädchen oder das Auto stehen könnte. Aus dem Kontext wird jedoch deutlich, dass das Mädchen gemeint ist. Und hier ist der Knackpunkt: der Kontext. Wie programmieren wir einen Algorithmus, der den Kontext einer Sequenz versteht?

Vor Veröffentlichung des Papers „Attention is all you need“ waren sogenannte Recurrent Neural Networks die state-of-the-art Technologie für solche Fragestellungen. Diese Netzwerke verarbeiten Wort für Wort eines Satzes. Bis man also bei dem Wort „es“ angekommen ist, müssen erst alle vorherigen Wörter verarbeitet worden sein. Dies führt dazu, dass nur noch wenig Information des Wortes „Mädchen“ im Netzwerk vorhanden sind bis den Algorithmus überhaupt bei dem Wort „es“ angekommen ist. Die vorhergegangenen Worte „weil“ und „gesehen“ sind zu diesem Zeitpunkt noch deutlich stärker im Bewusstsein des Algorithmus. Es besteht also das Problem, dass Abhängigkeiten innerhalb eines Satzes verloren gehen, wenn sie sehr weit auseinander liegen.

Was machen Transformer Modelle anders? Diese Algorithmen prozessieren den kompletten Satz gleichzeitig und gehen nicht Wort für Wort vor. Sobald der Algorithmus das Wort „es“ in unserem Beispiel übersetzen will, wird zuerst die sogenannte Self-Attention Layer durchlaufen. Diese hilft dem Programm andere Wörter innerhalb des Satzes zu erkennen, die helfen könnten das Wort „es“ zu übersetzen. In unserem Beispiel werden die meisten Wörter innerhalb des Satzes einen niedrigen Wert für die Attention haben und das Wort Mädchen einen hohen Wert. Dadurch ist der Kontext des Satzes bei der Übersetzung erhalten geblieben.

Training of Deep Learning AI models

Ein KI Projekt richtig umsetzen : So geht’s

Sie wollen in Ihrem Unternehmen Kosten senken und effizientere Workflows einführen? Dann haben Sie vielleicht schon darüber nachgedacht, Prozesse mit Künstlicher Intelligenz zu automatisieren. Für einen gelungenen Start, besprechen wir nun, wie ein KI-Projekt abläuft und wie man es richtig umsetzt.

Wir von DATANOMIQ und pixolution teilen unsere Erfahrungen aus Deep Learning Projekten, wo es vor allem um die Optimierung und Automatisierung von Unternehmensprozessen rund um visuelle Daten geht, etwa Bilder oder Videos. Wir stellen Ihnen die einzelnen Projektschritte vor, verraten Ihnen, wo dabei die Knackpunkte liegen und wie alle Beteiligten dazu beitragen können, ein KI-Projekt zum Erfolg zu führen.

1. Erstgespräch

In einem Erstgespräch nehmen wir Ihre Anforderungen auf.

  • Bestandsaufnahme Ihrer aktuellen Prozesse und Ihrer Änderungswünsche: Wie sind Ihre aktuellen Prozesse strukturiert? An welchen Prozessen möchten Sie etwas ändern?
  • Zielformulierung: Welches Endergebnis wünschen Sie sich? Wie genau sollen die neuen Prozesse aussehen? Das Ziel sollte so detailliert wie möglich beschrieben werden.
  • Budget: Welches Budget haben Sie für dieses Projekt eingeplant? Zusammen mit dem formulierten Ziel gibt das Budget die Wege vor, die wir zusammen in dem Projekt gehen können. Meist wollen Sie durch die Einführung von KI Kosten sparen oder höhere Umsätze erreichen. Das spielt für Höhe des Budgets die entscheidende Rolle.
  • Datenlage: Haben Sie Daten, die wir für das Training verwenden können? Wenn ja, welche und wieviele Daten sind das? Ist eine kontinuierliche Datenerfassung vorhanden, die während des Projekts genutzt werden kann, oder muss dafür erst die Grundlage geschaffen werden?

2. Evaluation

In diesem Schritt evaluieren und planen wir mit Ihnen gemeinsam die Umsetzung des Projekts. Das bedeutet im Einzelnen folgendes.

Begutachtung der Daten und weitere Datenplanung

Wir sichten von Ihnen bereitgestellte Trainingsdaten, z.B. gelabelte Bilder, und machen uns ein Bild davon, ob diese für das Training sinnvoll verwendet werden können. Da man für Deep Learning sehr viele Trainingsdaten benötigt, ist das ein entscheidender Punkt. In die Begutachtung der Daten fließt auch die Beurteilung der Qualität und Ausgewogenheit ein, denn davon ist abhängig wie gut ein KI-Modell lernt und korrekte Vorhersagen trifft.

Wenn von Ihnen keinerlei Daten zum Projektstart bereitgestellt werden können, wird zuerst ein separates Projekt notwendig, das nur dazu dient, Daten zu sammeln. Das bedeutet für Sie etwa je nach Anwendbarkeit den Einkauf von Datensets oder Labeling-Dienstleistungen.
Wir stehen Ihnen dabei beratend zur Seite.

Während der gesamten Dauer des Projekts werden immer wieder neue Daten benötigt, um die Qualität des Modells weiter zu verbessern. Daher müssen wir mit Ihnen gemeinsam planen, wie Sie fortlaufend diese Daten erheben, falsche Predictions des Modells erkennen und korrigieren, sodass Sie diese uns bereitstellen können. Die richtig erkannten Daten sowie die falsch erkannten und dann korrigierten Daten werden nämlich in das nächste Training einfließen.

Definition des Minimum Viable Product (MVP)

Wir definieren mit Ihnen zusammen, wie eine minimal funktionsfähige Version der KI aussehen kann. Die Grundfrage hierbei ist: Welche Komponenten oder Features sollten als Erstes in den Produktivbetrieb gehen, sodass Sie möglichst schnell einen Mehrwert aus
der KI ziehen?

Ein Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass Sie den neuen KI-basierten Prozess in kleinem Maßstab testen können. Gleichzeitig können wir Verbesserungen schneller identifizieren. Zu einem späteren Zeitpunkt können Sie dann skalieren und weitere Features aufnehmen. Die schlagenden Argumente, mit einem MVP zu starten, sind jedoch die Kostenreduktion und Risikominimierung. Anstatt ein riesiges Projekt umzusetzen wird ein kleines Mehrwert schaffendes Projekt geschnürt und in der Realität getestet. So werden Fehlplanungen und
-entwicklungen vermieden, die viel Geld kosten.

Definition der Key Performance Indicators (KPI)

Key Performance Indicators sind für die objektive Qualitätsmessung der KI und des Business Impacts wichtig. Diese Zielmarken definieren, was das geplante System leisten soll, damit es erfolgreich ist. Key Performance Indicators können etwa sein:

  • Durchschnittliche Zeitersparnis des Prozesses durch Teilautomatisierung
  • Garantierte Antwortzeit bei maximalem Anfrageaufkommen pro Sekunde
  • Parallel mögliche Anfragen an die KI
  • Accuracy des Modells
  • Zeit von Fertigstellung bis zur Implementierung des KI Modells

Planung in Ihr Produktivsystem

Wir planen mit Ihnen die tiefe Integration in Ihr Produktivsystem. Dabei sind etwa folgende Fragen wichtig: Wie soll die KI in der bestehenden Softwareumgebung und im Arbeitsablauf genutzt werden? Was ist notwendig, um auf die KI zuzugreifen?

Mit dem Erstgespräch und der Evaluation ist nun das Fundament für das Projekt gelegt. In den Folgeschritten treiben wir die Entwicklung nun immer weiter voran. Die Schritte 3 bis 5 werden dabei solange wiederholt bis wir von der minimal funktionsfähigen
Produktversion, dem MVP, bis zum gewünschten Endprodukt gelangt sind.

3. Iteration

Wir trainieren den Algorithmus mit dem Großteil der verfügbaren Daten. Anschließend überprüfen wir die Performance des Modells mit ungesehenen Daten.

Wie lange das Training dauert ist abhängig von der Aufgabe. Man kann jedoch sagen, dass das Trainieren eines Deep Learning Modells für Bilder oder Videos komplexer und zeitaufwändiger ist als bei textbasierten maschinellen Lernaufgaben. Das liegt daran, dass wir tiefe Modelle (mit vielen Layern) verwenden und die verarbeiteten Datenmengen in der Regel sehr groß sind.

Das Trainieren des Modells ist je nach Projekt jedoch nur ein Bruchstück des ganzen Entwicklungsprozesses, den wir leisten. Oft ist es notwendig, dass wir einen eigenen Prozess aufbauen, in den das Modell eingebettet werden kann, wie z.B. einen Webservice.

4. Integration

Ist eine akzeptable Qualitätsstufe des Modells nach dem Training erreicht, liefern wir Ihnen eine erste Produktversion aus. Üblicherweise stellen wir Ihnen die Version als Docker Image mit API zur Verfügung. Sie beginnen dann mit der Integration in Ihr System und Ihre Workflows. Wir begleiten Sie dabei.

5. Feedback erfassen

Nachdem die Integration in den Produktivbetrieb erfolgt ist, ist es sehr wichtig, dass Sie aus der Nutzung Daten sammeln. Nur so können Sie beurteilen, ob die KI funktioniert wie Sie es sich vorgestellt haben und ob es in die richtige Richtung geht. Es geht also darum, zu erfassen was das Modell im Realbetrieb kann und was nicht. Diese Daten sammeln Sie und übermitteln sie an uns. Wir speisen diese dann in nächsten Trainingslauf ein.

Es ist dabei nicht ungewöhnlich, dass diese Datenerfassung im Realbetrieb eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Das ist natürlich davon abhängig, in welchem Umfang Sie Daten erfassen. Bis zum Beginn der nächsten Iteration können so üblicherweise Wochen oder sogar Monate vergehen.

Die nächste Iteration

Um mit der nächsten Iteration eine signifikante Steigerung der Ergebnisqualität zu erreichen, kann es notwendig sein, dass Sie uns mehr Daten oder andere Daten zur Verfügung stellen, die aus dem Realbetrieb anfallen.

Eine nächste Iteration kann aber auch motiviert sein durch eine Veränderung in den Anforderungen, wenn etwa bei einem Klassifikationsmodell neue Kategorien erkannt werden müssen. Das aktuelle Modell kann für solche Veränderungen dann keine guten Vorhersagen treffen und muss erst mit entsprechenden neuen Daten trainiert werden.

Tipps für ein erfolgreiches KI Projekt

Ein entscheidender Knackpunkt für ein erfolgreiches KI Projekt ist das iterative Vorgehen und schrittweise Einführen eines KI-basierten Prozesses, mit dem die Qualität und Funktionsbreite der Entwicklung gesteigert wird.

Weiterhin muss man sich darüber klar sein, dass die Bereitstellung von Trainingsdaten kein statischer Ablauf ist. Es ist ein Kreislauf, in dem Sie als Kunde eine entscheidende Rolle einnehmen. Ein letzter wichtiger Punkt ist die Messbarkeit des Projekts. Denn nur wenn die Zielwerte während des Projekts gemessen werden, können Rückschritte oder Fortschritte gesehen werden und man kann schließlich am Ziel ankommen.

Möglich wurde dieser Artikel durch die großartige Zusammenarbeit mit pixolution, einem Unternehmen für AI Solutions im Bereich Computer Vision (Visuelle Bildsuche und individuelle KI Lösungen).

Einführung in die Welt der Autoencoder

An wen ist der Artikel gerichtet?

In diesem Artikel wollen wir uns näher mit dem neuronalen Netz namens Autoencoder beschäftigen und wollen einen Einblick in die Grundprinzipien bekommen, die wir dann mit einem vereinfachten Programmierbeispiel festigen. Kenntnisse in Python, Tensorflow und neuronalen Netzen sind dabei sehr hilfreich.

Funktionsweise des Autoencoders

Ein Autoencoder ist ein neuronales Netz, welches versucht die Eingangsinformationen zu komprimieren und mit den reduzierten Informationen im Ausgang wieder korrekt nachzubilden.

Die Komprimierung und die Rekonstruktion der Eingangsinformationen laufen im Autoencoder nacheinander ab, weshalb wir das neuronale Netz auch in zwei Abschnitten betrachten können.

 

 

 

Der Encoder

Der Encoder oder auch Kodierer hat die Aufgabe, die Dimensionen der Eingangsinformationen zu reduzieren, man spricht auch von Dimensionsreduktion. Durch diese Reduktion werden die Informationen komprimiert und es werden nur die wichtigsten bzw. der Durchschnitt der Informationen weitergeleitet. Diese Methode hat wie viele andere Arten der Komprimierung auch einen Verlust.

In einem neuronalen Netz wird dies durch versteckte Schichten realisiert. Durch die Reduzierung von Knotenpunkten in den kommenden versteckten Schichten werden die Kodierung bewerkstelligt.

Der Decoder

Nachdem das Eingangssignal kodiert ist, kommt der Decoder bzw. Dekodierer zum Einsatz. Er hat die Aufgabe mit den komprimierten Informationen die ursprünglichen Daten zu rekonstruieren. Durch Fehlerrückführung werden die Gewichte des Netzes angepasst.

Ein bisschen Mathematik

Das Hauptziel des Autoencoders ist, dass das Ausgangssignal dem Eingangssignal gleicht, was bedeutet, dass wir eine Loss Funktion haben, die L(x , y) entspricht.

L(x, \hat{x})

Unser Eingang soll mit x gekennzeichnet werden. Unsere versteckte Schicht soll h sein. Damit hat unser Encoder folgenden Zusammenhang h = f(x).

Die Rekonstruktion im Decoder kann mit r = g(h) beschrieben werden. Bei unserem einfachen Autoencoder handelt es sich um ein Feed-Forward Netz ohne rückkoppelten Anteil und wird durch Backpropagation oder zu deutsch Fehlerrückführung optimiert.

Formelzeichen Bedeutung
\mathbf{x}, \hat{\mathbf{x}} Eingangs-, Ausgangssignal
\mathbf{W}, \hat{\mathbf{W}} Gewichte für En- und Decoder
\mathbf{B}, \hat{\mathbf{B}} Bias für En- und Decoder
\sigma, \hat{\sigma} Aktivierungsfunktion für En- und Decoder
L Verlustfunktion

Unsere versteckte Schicht soll mit \latex h gekennzeichnet werden. Damit besteht der Zusammenhang:

(1)   \begin{align*} \mathbf{h} &= f(\mathbf{x}) = \sigma(\mathbf{W}\mathbf{x} + \mathbf{B}) \\ \hat{\mathbf{x}} &= g(\mathbf{h}) = \hat{\sigma}(\hat{\mathbf{W}} \mathbf{h} + \hat{\mathbf{B}}) \\ \hat{\mathbf{x}} &= \hat{\sigma} \{ \hat{\mathbf{W}} \left[\sigma ( \mathbf{W}\mathbf{x} + \mathbf{B} )\right]  + \hat{\mathbf{B}} \}\\ \end{align*}

Für eine Optimierung mit der mittleren quadratischen Abweichung (MSE) könnte die Verlustfunktion wie folgt aussehen:

(2)   \begin{align*} L(\mathbf{x}, \hat{\mathbf{x}}) &= \mathbf{MSE}(\mathbf{x}, \hat{\mathbf{x}}) = \|  \mathbf{x} - \hat{\mathbf{x}} \| ^2 &=  \| \mathbf{x} - \hat{\sigma} \{ \hat{\mathbf{W}} \left[\sigma ( \mathbf{W}\mathbf{x} + \mathbf{B} )\right]  + \hat{\mathbf{B}} \} \| ^2 \end{align*}

 

Wir haben die Theorie und Mathematik eines Autoencoder in seiner Ursprungsform kennengelernt und wollen jetzt diese in einem (sehr) einfachen Beispiel anwenden, um zu schauen, ob der Autoencoder so funktioniert wie die Theorie es besagt.

Dazu nehmen wir einen One Hot (1 aus n) kodierten Datensatz, welcher die Zahlen von 0 bis 3 entspricht.

    \begin{align*} [1, 0, 0, 0] \ \widehat{=}  \ 0 \\ [0, 1, 0, 0] \ \widehat{=}  \ 1 \\ [0, 0, 1, 0] \ \widehat{=}  \ 2 \\ [0, 0, 0, 1] \ \widehat{=} \  3\\ \end{align*}

Diesen Datensatz könnte wie folgt kodiert werden:

    \begin{align*} [1, 0, 0, 0] \ \widehat{=}  \ 0 \ \widehat{=}  \ [0, 0] \\ [0, 1, 0, 0] \ \widehat{=}  \ 1 \ \widehat{=}  \  [0, 1] \\ [0, 0, 1, 0] \ \widehat{=}  \ 2 \ \widehat{=}  \ [1, 0] \\ [0, 0, 0, 1] \ \widehat{=} \  3 \ \widehat{=}  \ [1, 1] \\ \end{align*}

Damit hätten wir eine Dimensionsreduktion von vier auf zwei Merkmalen vorgenommen und genau diesen Vorgang wollen wir bei unserem Beispiel erreichen.

Programmierung eines einfachen Autoencoders

 

Typische Einsatzgebiete des Autoencoders sind neben der Dimensionsreduktion auch Bildaufarbeitung (z.B. Komprimierung, Entrauschen), Anomalie-Erkennung, Sequenz-to-Sequenz Analysen, etc.

Ausblick

Wir haben mit einem einfachen Beispiel die Funktionsweise des Autoencoders festigen können. Im nächsten Schritt wollen wir anhand realer Datensätze tiefer in gehen. Auch soll in kommenden Artikeln Variationen vom Autoencoder in verschiedenen Einsatzgebieten gezeigt werden.

CAPTCHAs lösen via Maschine Learning

Wie weit ist das maschinelle Lernen auf dem Gebiet der CAPTCHA-Lösung fortgeschritten?

Maschinelles Lernen ist mehr als ein Buzzword, denn unter der Haube stecken viele Algorithemen, die eine ganze Reihe von Problemen lösen können. Die Lösung von CAPTCHA ist dabei nur eine von vielen Aufgaben, die Machine Learning bewältigen kann. Durch die Arbeit an ein paar Problemen im Zusammenhang mit dem konvolutionellen neuronalen Netz haben wir festgestellt, dass es in diesem Bereich noch viel Verbesserungspotenzial gibt. Die Genauigkeit der Erkennung ist oftmals noch nicht gut genug. Schauen wir uns im Einzelnen an, welche Dienste wir haben, um dieses Problem anzugehen, und welche sich dabei als die besten erweisen.

Was ist CAPTCHA?

CAPTCHA ist kein fremder Begriff mehr für Web-Benutzer. Es handelt sich um die ärgerliche menschliche Validierungsprüfung, die auf vielen Websites hinzugefügt wird. Es ist ein Akronym für Completely Automated Public Turing test for tell Computer and Humans Apart. CAPTCHA kann als ein Computerprogramm bezeichnet werden, das dazu entwickelt wurde, Mensch und Maschine zu unterscheiden, um jede Art von illegaler Aktivität auf Websites zu verhindern. Der Sinn von CAPTCHA ist, dass nur ein Mensch diesen Test bestehen können sollte und Bots bzw. irgend eine Form automatisierter Skripte daran versagen. So entsteht ein Wettlauf zwischen CAPTCHA-Anbietern und Hacker-Lösungen, die auf den Einsatz von selbstlernenden Systemen setzen.

Warum müssen wir CAPTCHA lösen?

Heutzutage verwenden die Benutzer automatisierte CAPTCHA-Lösungen für verschiedene Anwendungsfälle. Und hier ein entscheidender Hinweis: Ähnlich wie Penetrationstesting ist der Einsatz gegen Dritte ohne vorherige Genehmigung illegal. Gegen eigene Anwendungen oder gegen Genehmigung (z. B. im Rahmen eines IT-Security-Tests) ist die Anwendung erlaubt. Hacker und Spammer verwenden die CAPTCHA-Bewältigung, um die E-Mail-Adressen der Benutzer zu erhalten, damit sie so viele Spams wie möglich erzeugen können oder um Bruteforce-Attacken durchführen zu können. Die legitimen Beispiele sind Fälle, in denen ein neuer Kunde oder Geschäftspartner zu Ihnen gekommen ist und Zugang zu Ihrer Programmierschnittstelle (API) benötigt, die noch nicht fertig ist oder nicht mit Ihnen geteilt werden kann, wegen eines Sicherheitsproblems oder Missbrauchs, den es verursachen könnte.

Für diese Anwendungsfälle sollen automatisierte Skripte CAPTCHA lösen. Es gibt verschiedene Arten von CAPTCHA: Textbasierte und bildbasierte CAPTCHA, reCAPTCHA und mathematisches CAPTCHA.

Es gibt einen Wettlauf zwischen CAPTCHA-Anbieter und automatisierten Lösungsversuchen. Die in CAPTCHA und reCAPTCHA verwendete Technologie werden deswegen immer intelligenter wird und Aktualisierungen der Zugangsmethoden häufiger. Das Aufrüsten hat begonnen.

Populäre Methoden für die CAPTCHA-Lösung

Die folgenden CAPTCHA-Lösungsmethoden stehen den Benutzern zur Lösung von CAPTCHA und reCAPTCHA zur Verfügung:

  1. OCR (optische Zeichenerkennung) via aktivierte Bots – Dieser spezielle Ansatz löst CAPTCHAs automatisch mit Hilfe der OCR-Technik (Optical Character Recognition). Werkzeuge wie Ocrad, tesseract lösen CAPTCHAs, aber mit sehr geringer Genauigkeit.
  2. Maschinenlernen — Unter Verwendung von Computer Vision, konvolutionalem neuronalem Netzwerk und Python-Frameworks und Bibliotheken wie Keras mit Tensorflow. Wir können tiefe neuronale Konvolutionsnetzmodelle trainieren, um die Buchstaben und Ziffern im CAPTCHA-Bild zu finden.
  3. Online-CAPTCHA-Lösungsdienstleistungen — Diese Dienste verfügen teilweise über menschliche Mitarbeiter, die ständig online verfügbar sind, um CAPTCHAs zu lösen. Wenn Sie Ihre CAPTCHA-Lösungsanfrage senden, übermittelt der Dienst sie an die Lösungsanbieter, die sie lösen und die Lösungen zurückschicken.

Leistungsanalyse der OCR-basierten Lösung

OCR Die OCR ist zwar eine kostengünstige Lösung, wenn es darum geht, eine große Anzahl von trivialen CAPTCHAs zu lösen, aber dennoch liefert sie nicht die erforderliche Genauigkeit. OCR-basierte Lösungen sind nach der Veröffentlichung von ReCaptcha V3 durch Google selten geworden. OCR-fähige Bots sind daher nicht dazu geeignet, CAPTCHA zu umgehen, die von Titanen wie Google, Facebook oder Twitter eingesetzt werden. Hierfür müsste ein besser ausgestattetes CAPTCHA-Lösungssystem eingesetzt werden.

OCR-basierte Lösungen lösen 1 aus 3 trivialen CAPTCHAs korrekt.

Leistungsanalyse der ML-basierten Methode

Schauen wir uns an, wie Lösungen auf dem Prinzip des Maschinenlernens funktionieren:

Die ML-basierte Verfahren verwenden OpenCV, um Konturen in einem Bild zu finden, das die durchgehenden Gebiete feststellt. Die Bilder werden mit der Technik der Schwellenwertbildung vorverarbeitet. Alle Bilder werden in Schwarzweiß konvertiert. Wir teilen das CAPTCHA-Bild mit der OpenCV-Funktion findContour() in verschiedene Buchstaben auf. Die verarbeiteten Bilder sind jetzt nur noch einzelne Buchstaben und Ziffern. Diese werden dann dem CNN-Modell zugeführt, um es zu trainieren. Und das trainierte CNN-Modell ist bereit, die richtige Captchas zu lösen.

Die Präzision einer solchen Lösung ist für alle textbasierten CAPTCHAs weitaus besser als die OCR-Lösung. Es gibt auch viele Nachteile dieser Lösung, denn sie löst nur eine bestimmte Art von CAPTCHAs und Google aktualisiert ständig seinen reCAPTCHA-Generierungsalgorithmus. Die letzte Aktualisierung schien die beste ReCaptcha-Aktualisierung zu sein, die disen Dienst bisher beeinflusst hat: Die regelmäßigen Nutzer hatten dabei kaum eine Veränderung der Schwierigkeit gespürt, während automatisierte Lösungen entweder gar nicht oder nur sehr langsam bzw. inakkurat funktionierten.

Das Modell wurde mit 1⁰⁴ Iterationen mit korrekten und zufälligen Stichproben und 1⁰⁵ Testbildern trainiert, und so wurde eine mittlere Genauigkeit von ~60% erreicht.

Bild-Quelle: “CAPTCHA Recognition with Active Deep Learning” @ TU München https://www.researchgate.net/publication/301620459_CAPTCHA_Recognition_with_Active_Deep_Learning

Wenn Ihr Anwendungsfall also darin besteht, eine Art von CAPTCHA mit ziemlich einfacher Komplexität zu lösen, können Sie ein solches trainiertes ML-Modell hervorragend nutzen. Eine bessere Captcha-Lösungslösung als OCR, muss aber noch eine ganze Menge Bereiche umfassen, um die Genauigkeit der Lösung zu gewährleisten.

Online-Captcha-Lösungsdienst

Online-CAPTCHA-Lösungsdienste sind bisher die bestmögliche Lösung für dieses Problem. Sie verfolgen alle Aktualisierungen von reCAPTCHA durch Google und bieten eine tadellose Genauigkeit von 99%.

Warum sind Online-Anti-Captcha-Dienste leistungsfähiger als andere Methoden?

Die OCR-basierten und ML-Lösungen weisen nach den bisherigen Forschungsarbeiten und Weiterentwicklungen viele Nachteile auf. Sie können nur triviale CAPTCHAs ohne wesentliche Genauigkeit lösen. Hier sind einige Punkte, die in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen sind:

– Ein höherer Prozentsatz an korrekten Lösungen (OCR gibt bei wirklich komplizierten CAPTCHAs ein extrem hohes Maß an falschen Antworten; ganz zu schweigen davon, dass einige Arten von CAPTCHA überhaupt nicht mit OCR gelöst werden können, zumindest vorerst).

– Kontinuierlich fehlerfreie Arbeit ohne Unterbrechungen mit schneller Anpassung an die neu hinzugekommene Komplexität.

– Kostengünstig mit begrenzten Ressourcen und geringen Wartungskosten, da es keine Software- oder Hardwareprobleme gibt; alles, was Sie benötigen, ist eine Internetverbindung, um einfache Aufträge über die API des Anti-Captcha-Dienstes zu senden.

Die großen Anbieter von Online-Lösungsdiensten

Jetzt, nachdem wir die bessere Technik zur Lösung Ihrer CAPTCHAs geklärt haben, wollen wir unter allen Anti-Captcha-Diensten den besten auswählen. Einige Dienste bieten eine hohe Genauigkeit der Lösungen, API-Unterstützung für die Automatisierung und schnelle Antworten auf unsere Anfragen. Dazu gehören Dienste wie 2captcha, Imagetyperz, CaptchaSniper, etc.

2CAPTCHA ist einer der Dienste, die auf die Kombination von Machine Learning und echten Menschen setzen, um CAPTCHA zuverlässig zu lösen. Dabei versprechen Dienste wie 2captcha:

  • Schnelle Lösung mit 17 Sekunden für grafische und textuelle Captchas und ~23 Sekunden für ReCaptcha
  • Unterstützt alle populären Programmiersprachen mit einer umfassenden Dokumentation der fertigen Bibliotheken.
  • Hohe Genauigkeit (bis zu 99% je nach dem CAPTCHA-Typ).
  • Das Geld wird bei falschen Antworten zurückerstattet.
  • Fähigkeit, eine große Anzahl von Captchas zu lösen (mehr als 10.000 pro Minute)

Schlussfolgerung

Convolutional Neural Networks (CNN) wissen, wie die einfachsten Arten von Captcha zu bewältigen sind und werden auch mit der weiteren Enwicklung schritthalten können. Wir haben es mit einem Wettlauf um verkomplizierte CAPTCHAs und immer fähigeren Lösungen der automatisierten Erkennung zutun. Zur Zeit werden Online-Anti-Captcha-Dienste, die auf einen Mix aus maschinellem Lernen und menschlicher Intelligenz setzen, diesen Lösungen vorerst voraus sein.

Fehler-Rückführung mit der Backpropagation

Dies ist Artikel 4 von 6 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Das Gradienten(abstiegs)verfahren ist der Schlüssel zum Training einzelner Neuronen bzw. deren Gewichtungen zu den Neuronen der vorherigen Schicht. Wer dieses Prinzip verstanden hat, hat bereits die halbe Miete zum Verständnis des Trainings von künstlichen neuronalen Netzen.

Der Gradientenabstieg wird häufig fälschlicherweise mit der Backpropagation gleichgesetzt, jedoch ist das nicht ganz richtig, denn die Backpropagation ist mehr als die Anwendung des Gradientenabstiegs.

Bevor wir die Backpropagation erläutern, nochmal kurz zurück zur Forward-Propagation, die die eigentliche Prädiktion über ein künstliches neuronales Netz darstellt:

Forward-Propagation

Abbildung 1: Ein simples kleines künstliches neuronales Netz mit zwei Schichten (+ Eingabeschicht) und zwei Neuronen pro Schicht.

In einem kleinen künstlichen neuronalen Netz, wie es in der Abbildung 1 dargestellt ist, und das alle Neuronen über die Sigmoid-Funktion aktiviert, wird jedes Neuron eine Nettoeingabe z berechnen…

z = w^{T} \cdot x

… und diese Nettoeingabe in die Sigmoid-Funktion einspeisen…

\phi(z) = sigmoid(z) = \frac{1}{1 + e^{-z}}

… die dann das einzelne Neuron aktiviert. Die Aktivierung erfolgt also in der mittleren Schicht (N-Schicht) wie folgt:

N_{j} = \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{ij} \cdot x_{i}) }}

Die beiden Aktivierungsausgaben N werden dann als Berechnungsgrundlage für die Ausgaben der Ausgabeschicht o verwendet. Auch die Ausgabe-Neuronen berechnen ihre jeweilige Nettoeingabe z und aktivieren über Sigmoid(z).

Ausgabe eines Ausgabeknotens als Funktion der Eingänge und der Verknüpfungsgewichte für ein dreischichtiges neuronales Netz, mit nur zwei Knoten je Schicht, kann also wie folgt zusammen gefasst werden:

O_{k} = \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{jk} \cdot \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{ij} \cdot x_{i}) }}) }}

Abbildung 2: Forward-Propagation. Aktivierung via Sigmoid-Funktion.

Sollte dies die erste Forward-Propagation gewesen sein, wird der Output noch nicht auf den Input abgestimmt sein. Diese Abstimmung erfolgt in Form der Gewichtsanpassung im Training des neuronalen Netzes, über die zuvor erwähnte Gradientenmethode. Die Gradientenmethode ist jedoch von einem Fehler abhängig. Diesen Fehler zu bestimmen und durch das Netz zurück zu führen, das ist die Backpropagation.

Back-Propagation

Um die Gewichte entgegen des Fehlers anpassen zu können, benötigen wir einen möglichst exakten Fehler als Eingabe. Der Fehler berechnet sich an der Ausgabeschicht über eine Fehlerfunktion (Loss Function), beispielsweise über den MSE (Mean Squared Error) oder über die sogenannte Kreuzentropie (Cross Entropy). Lassen wir es in diesem Beispiel einfach bei einem simplen Vergleich zwischen dem realen Wert (Sollwert o_{real}) und der Prädiktion (Ausgabe o) bleiben:

e_{o} = o_{real} - o

Der Fehler e ist also einfach der Unterschied zwischen dem Ziel-Wert und der Prädiktion. Jedes Training ist eine Wiederholung von Prädiktion (Forward) und Gewichtsanpassung (Back). Im ersten Schritt werden üblicherweise die Gewichtungen zufällig gesetzt, jede Gewichtung unterschiedlich nach Zufallszahl. So ist die Wahrscheinlichkeit, gleich zu Beginn die “richtigen” Gewichtungen gefunden zu haben auch bei kleinen neuronalen Netzen verschwindend gering. Der Fehler wird also groß sein und kann über den Gradientenabstieg durch Gewichtsanpassung verkleinert werden.

In diesem Beispiel berechnen wir die Fehler e_{1} und e_{2} und passen danach die Gewichte w_{j,k} (w_{1,1} & w_{2,1} und w_{1,2} & w_{2,2}) der Schicht zwischen dem Hidden-Layer N und dem Output-Layer o an.

Abbildung 3: Anpassung der Gewichtungen basierend auf dem Fehler in der Ausgabe-Schicht.

Die Frage ist nun, wie die Gewichte zwischen dem Input-Layer X und dem Hidden-Layer N anzupassen sind. Es stellt sich die Frage, welchen Einfluss diese auf die Fehler in der Ausgabe-Schicht haben?

Um diese Gewichtungen anpassen zu können, benötigen wir den Fehler-Anteil der beiden Neuronen N_{1} und N_{2}. Dieser Anteil am Fehler der jeweiligen Neuronen ergibt sich direkt aus den Gewichtungen w_{j,k} zum Output-Layer:

e_{N_{1}} = e_{o1} \cdot \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{1,2}} + e_{o2} \cdot \frac{w_{1,2}}{w_{1,1} + w_{1,2}}

e_{N_{2}} = e_{o1} \cdot \frac{w_{2,1}}{w_{2,1} + w_{2,2}} + e_{o2} \cdot \frac{w_{2,2}}{w_{2,1} + w_{2,2}}

Wenn man das nun generalisiert:

    \[ e_{N} = \left(\begin{array}{rr} \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{1,2}} & \frac{w_{1,2}}{w_{1,1} + w_{1,2}} \\ \frac{w_{2,1}}{w_{2,1} + w_{2,2}} & \frac{w_{2,2}}{w_{2,1} + w_{2,2}} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c} e_{1} \\ e_{2} \end{array}\right) \qquad \]

Dabei ist es recht aufwändig, die Gewichtungen stets ins Verhältnis zu setzen. Diese Berechnung können wir verkürzen, indem ganz einfach direkt nur die Gewichtungen ohne Relativierung zur Kalkulation des Fehleranteils benutzt werden. Die Relationen bleiben dabei erhalten!

    \[ e_{N} = \left(\begin{array}{rr} w_{1,1} & w_{1,2} \\ w_{2,1} & w_{2,2} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c} e_{1} \\ e_{2} \end{array}\right) \qquad \]

Oder folglich in Kurzform: e_{N} = w^{T} \cdot e_{o}

Abbildung 4: Vollständige Gewichtsanpassung auf Basis der Fehler in der Ausgabeschicht und der Fehleranteile in der verborgenden Schicht.

Und nun können, basierend auf den Fehleranteilen der verborgenden Schicht N, die Gewichtungen w_{i,j} zwischen der Eingabe-Schicht I und der verborgenden Schicht N angepasst werden, entgegen dieser Fehler e_{N}.

Die Backpropagation besteht demnach aus zwei Schritten:

  1. Fehler-Berechnung durch Abgleich der Soll-Werte mit den Prädiktionen in der Ausgabeschicht und durch Fehler-Rückführung zu den Neuronen der verborgenden Schichten (Hidden-Layer)
  2. Anpassung der Gewichte entgegen des Gradientenanstiegs der Fehlerfunktion (Loss Function)

Buchempfehlungen

Die folgenden zwei Bücher haben mir sehr beim Verständnis und beim Verständlichmachen der Backpropagation in künstlichen neuronalen Netzen geholfen.

Neuronale Netze selbst programmieren: Ein verständlicher Einstieg mit Python Deep Learning. Das umfassende Handbuch: Grundlagen, aktuelle Verfahren und Algorithmen, neue Forschungsansätze (mitp Professional)

Training eines Neurons mit dem Gradientenverfahren

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Das Training von neuronalen Netzen erfolgt nach der Forward-Propagation über zwei Schritte:

  1. Fehler-Rückführung über aller aktiver Neuronen aller Netz-Schichten, so dass jedes Neuron “seinen” Einfluss auf den Ausgabefehler kennt.
  2. Anpassung der Gewichte entgegen den Gradienten der Fehlerfunktion

Beide Schritte werden in der Regel zusammen als Backpropagation bezeichnet. Machen wir erstmal einen Schritt vor und betrachten wir, wie ein Neuron seine Gewichtsverbindungen zu seinen Vorgängern anpasst.

Gradientenabstiegsverfahren

Der Gradientenabstieg ist ein generalisierbarer Algorithmus zur Optimierung, der in vielen Verfahren des maschinellen Lernens zur Anwendung kommt, jedoch ganz besonders als sogenannte Backpropagation im Deep Learning den Erfolg der künstlichen neuronalen Netze erst möglich machen konnte.

Der Gradientenabstieg lässt sich vom Prinzip her leicht erklären: Angenommen, man stünde im Gebirge im dichten Nebel. Das Tal, und somit der Weg nach Hause, ist vom Nebel verdeckt. Wohin laufen wir? Wir können das Ziel zwar nicht sehen, tasten uns jedoch so heran, dass unser Gehirn den Gradienten (den Unterschied der Höhen beider Füße) berechnet, somit die Steigung des Bodens kennt und sich entgegen dieser Steigung unser Weg fortsetzt.

Konkret funktioniert der Gradientenabstieg so: Wir starten bei einem zufälligen Theta \theta (Random Initialization). Wir berechnen die Ausgabe (Forwardpropogation) und vergleichen sie über eine Verlustfunktion (z. B. über die Funktion Mean Squared Error) mit dem tatsächlich korrekten Wert. Auf Grund der zufälligen Initialisierung haben wir eine nahe zu garantierte Falschheit der Ergebnisse und somit einen Verlust. Für die Verlustfunktion berechnen wir den Gradienten für gegebene Eingabewerte. Voraussetzung dafür ist, dass die Funktion ableitbar ist. Wir bewegen uns entgegen des Gradienten in Richtung Minimum der Verlustfunktion. Ist dieses Minimum (fast) gefunden, spricht man auch davon, dass der Lernalgorithmus konvergiert.

Das Gradientenabstiegsverfahren ist eine Möglichkeit der Gradientenverfahren, denn wollten wir maximieren, würden wir uns entlang des Gradienten bewegen, was in anderen Anwendungen sinnvoll ist.

Ob als “Cost Function” oder als “Loss Function” bezeichnet, in jedem Fall ist es eine “Error Function”, aber auf die Benennung kommen wir später zu sprechen. Jedenfalls versuchen wir die Fehlerrate zu senken! Leider sind diese Funktionen in der Praxis selten so einfach konvex (zwei Berge mit einem Tal dazwischen).

 

Aber Achtung: Denn befinden wir uns nur zwischen zwei Bergen, finden wir das Tal mit Sicherheit über den Gradienten. Befinden wir uns jedoch in einem richtigen Gebirge mit vielen Bergen und Tälern, gilt es, das richtige Tal zu finden. Bei der Optimierung der Gewichtungen von künstlichen neuronalen Netzen wollen wir die besten Gewichtungen finden, die uns zu den geringsten Ausgaben der Verlustfunktion führen. Wir suchen also das globale Minimum unter den vielen (lokalen) Minima.

Programmier-Beispiel in Python

Nachfolgend ein Beispiel des Gradientenverfahrens zur Berechnung einer Regression. Wir importieren numpy und matplotlib.pyplot und erzeugen uns künstliche Datenpunkte:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt


X = 2 * np.random.rand(1000, 1)
y = 5 + 2 * X + np.random.randn(1000, 1)

plt.figure(figsize = (15, 15))
plt.plot(X, y, "b.")
plt.axis([0, 2, 0, 15])
plt.show()

Nun wollen wir einen Lernalgorithmus über das Gradientenverfahren erstellen. Im Grunde haben wir hier es bereits mit einem linear aktivierten Neuron zutun:

Bei der linearen Regression, die wir durchführen wollen, nehmen wir zwei-dimensionale Daten (wobei wir die Regression prinzipiell auch mit x-Dimensionen durchführen können, dann hätte unser Neuron weitere Eingänge). Wir empfangen einen Bias (w_0) der stets mit einer Eingangskonstante multipliziert und somit als Wert erhalten bleibt. Der Bias ist das Alpha \alpha in einer Schulmathe-tauglichen Formel wie y = \beta \cdot x + \alpha.

Beta \beta ist die Steigung, der Gradient, der Funktion.

Sowohl \alpha als auch \beta sind uns unbekannt, versuchen wir jedoch über die Betrachtung unserer Prädiktion durch Berechnung der Formel \^y = \beta \cdot x + \alpha und den darauffolgenden Abgleich mit dem tatsächlichen y herauszufinden. Anfangs behaupten wir beispielsweise einfach, sowohl \beta als auch \alpha seien 0.00. Folglich wird \^y = \beta \cdot x + \alpha ebenfalls gleich 0.00 sein und die Fehlerfunktion (Loss Function) wird maximal sein. Dies war der erste Durchlauf des Trainings, die sogenannte erste Epoche!

Die Epochen (Durchläufe) und dazugehörige Fehlergrößen. Wenn die Fehler sinken und mit weiteren Epochen nicht mehr wesentlich besser werden, heißt es, das der Lernalogorithmus konvergiert.

Als Fehlerfunktion verwenden wir bei der Regression die MSE-Funktion (Mean Squared Error):

MSE = \sum(\^y_i - y_i)^2

Um diese Funktion wird sich nun alles drehen, denn diese beschreibt den Fehler und gibt uns auch die Auskunft darüber, ob wie stark und in welche Richtung sie ansteigt, so dass wir uns entgegen der Steigung bewegen können. Wer die Regeln der Ableitung im Kopf hat, weiß, dass die Ableitung der Formel leichter wird, wenn wir sie vorher auf halbe Werte runterskalieren. Da die Proportionen dabei erhalten bleiben und uns quadrierte Fehlerwerte unserem menschlichen Verstand sowieso nicht so viel sagen (unser Gehirn denkt nunmal nicht exponential), stört das nicht:

MSE = \frac{\frac{1}{2} \cdot \sum(\^y_i - y_i)^2}{n}

MSE = \frac{\frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2}{n}

Wenn die Mathematik der partiellen Ableitung (Ableitung einer Funktion nach jedem Gradienten) abhanden gekommen ist, bitte nochmal folgende Regeln nachschlagen, um die nachfolgende Ableitung verstehen zu können:

  • Allgemeine partielle Ableitung
  • Kettenregel

Ableitung der MSD-Funktion nach dem einen Gewicht w bzw. partiell nach jedem vorhandenen w_j:

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{\partial}{\partial w} \frac{1}{2} \cdot \sum(\^y - y_i)^2

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{\partial}{\partial w} \frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i) \cdot x_{ij}

Woher wir das x_{ij} am Ende her haben? Das ergibt sie aus der Kettenregel: Die äußere Funktion wurde abgeleitet, so wurde aus \frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2 dann \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i). Jedoch muss im Sinne eben dieser Kettenregel auch die innere Funktion abgeleitet werden. Da wir nach w_j ableiten, bleibt nur x_ij erhalten.

Damit können wir arbeiten! So kompliziert ist die Formel nun auch wieder nicht: \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i) \cdot x_{ij}

Mit dieser Formel können wir unsere Gewichte an den Fehler anpassen: (f\nabla ist der Gradient der Funktion!)

w_j = w_j - \nabla MSE(w_j)

Initialisieren der Gewichtungen

Die Gewichtungen \alpha und \beta müssen anfänglich mit Werten initialisiert werden. In der Regression bietet es sich an, die Gewichte anfänglich mit 0.00 zu initialisieren.

Bei vielen neuronalen Netzen, mit nicht-linearen Aktivierungsfunktionen, ist das jedoch eher ungünstig und zufällige Werte sind initial besser. Gut erprobt sind normal-verteilte Zufallswerte.

Lernrate

Nur eine Kleinigkeit haben wir bisher vergessen: Wir brauchen einen Faktor, mit dem wir anpassen. Hier wäre der Faktor 1. Das ist in der Regel viel zu groß. Dieser Faktor wird geläufig als Lernrate (Learning Rate) \eta (eta) bezeichnet:

w_j = w_j - \eta \cdot \nabla MSE(w_j)

Die Lernrate \eta ist ein Knackpunkt und der erste Parameter des Lernalgorithmus, den es anzupassen gilt, wenn das Training nicht konvergiert.

Die Lernrate \eta darf nicht zu groß klein gewählt werden, da das Training sonst zu viele Epochen benötigt. Ungeduldige erhöhen die Lernrate möglicherweise aber so sehr, dass der Lernalgorithmus im Minimum der Fehlerfunktion vorbeiläuft und diesen stets überspringt. Hier würde der Algorithmus also sozusagen konvergieren, weil nicht mehr besser werden, aber das resultierende Modell wäre weit vom Optimum entfernt.

Beginnen wir mit der Implementierung als Python-Klasse:

class LinearRegressionGD(object):
    
    def __init__(self, eta = 0.0001, n_iter = 50):
        
        self.eta = eta                  # Lernrate
        self.n_iter = n_iter            # Epochen
        
    def fit(self, X, y):
        
        self.w_ = np.zeros(1 + X.shape[1]) # <- 1 für den Bias + alle weiteren Columns für die Steigungen
                                           # In diesem Beispiel self.w_ = [0.0, 0.] = [Alpha, Beta]
                                           # Dabei initialisieren wir Alpha und Beta mit 0.00-Werten
        
        self.cost_ = []                    # Cost Function (der Verlauf der Loss Function MSE)
        
        for i in range(self.n_iter):       # Für jede Epoche...
            
            output = self.predict(X)       # Die Funktion x * Beta + Alpha ausrechnen  
                                           # Batch-Verfahren, denn wir trainieren jede Epoche mit allen X-Werten

            errors = y.flatten() - output  # y_predicted - y_real

            mse = ((errors ** 2).sum() / 2.0) / len(X)  # Loss Function MSE
            
            self.cost_.append(mse)                      # Loss Function wird Teil der Cost Function
            
            self.w_[1:] += self.eta * X.T.dot(errors)   # Anpassen des Gewichts Beta (und falls es sie gäbe: aller weiteren Gewichte)
            self.w_[0] += self.eta * errors.sum()      # Anpassen des Gewichts Alpha
            
            
            #print(output)
            #print(errors)
            #print("Beta  -> ", self.w_[1:])
            #print("Alpha -> ", self.w_[0])                   
            
        return self
        
    def predict(self, X):
        return np.dot(X, self.w_[1:]) + self.w_[0]      # y = x * Beta + Alpha

Die Klasse sollte so funktionieren, bevor wir sie verwenden, sollten wir die Input-Werte standardisieren:

x_std = (X - X.mean()) / X.std()
y_std = (y - y.mean()) / y.std()

Bei diesem Beispiel mit künstlich erzeugten Werten ist das Standardisieren bzw. das Fehlen des Standardisierens zwar nicht kritisch, aber man sollte es sich zur Gewohnheit machen. Testweise es einfach mal weglassen 🙂

Kommen wir nun zum Einsatz der Klasse, die die Regression via Gradientenabstieg absolvieren soll:

lrGD = LinearRegressionGD()  # Instanziieren
lrGD.fit(x_std, y_std)       # Trainieren (das ".fit()" entspricht dem Wording von scikit-learn, ".train()" wäre mir sonst lieber :-)

Was tut diese Instanz der Klasse LinearRegressionGD nun eigentlich?

Bildlich gesprochen, legt sie eine Gerade auf den Boden des Koordinatensystems, denn die Gewichtungen werden mit 0.00 initialisiert, y ist also gleich 0.00, egal welche Werte in x enthalten sind. Der Fehler ist dann aber sehr groß (sollte maximal sein, im Vergleich zu zukünftigen Epochen). Die Gewichte werden also angepasst, die Gerade somit besser in die Punktwolke platziert. Mit jeder Epoche wird die Gerade erneut in die Punktwolke gelegt, der Gesamtfehler (über alle x, da wir es hier mit dem Batch-Verfahren zutun haben) berechnet, die Werte angepasst… bis die vorgegebene Zahl an Epochen abgelaufen ist.

Schauen wir uns das Ergebnis des Trainings an:

plt.figure(figsize = (15, 15))
plt.plot(x_std, y_std, "b.")                                # Scatter, wie zuvor!
plt.plot(x_std, lrGD.predict(x_std), "r-", linewidth = 5)   # Regressionsgerade als Linie
plt.show()

Die Linie sieht passend aus, oder? Da wir hier nicht zu sehr in die Theorie der Regressionsanalyse abdriften möchten, lassen wir das testen und prüfen der Akkuratesse mal aus, hier möchte ich auf meinen Artikel Regressionsanalyse in Python mit Scikit-Learn verweisen.

Prüfen sollten wir hingegen mal, wie schnell der Lernalgorithmus mit der vorgegebenen Lernrate eta konvergiert:

plt.figure(figsize = (15, 15))
plt.plot(range(1, lrGD.n_iter + 1), lrGD.cost_)
plt.xlabel('Epochen')
plt.ylabel('Summe quadrierter Abweichungen')
plt.show()

Hier die Verlaufskurve der Cost Function:

Die Kurve zeigt uns, dass spätestens nach 40 Epochen kaum noch Verbesserung (im Sinne der Gesamtfehler-Minimierung) erreicht wird.

Wichtige Hinweise

Natürlich war das nun nur ein erster kleiner Einstieg und wer es verstanden hat, hat viel gewonnen. Denn erst dann kann man sich vorstellen, wie ein einzelnen Neuron eines künstlichen neuronalen Netzes grundsätzlich trainiert werden kann.

Folgendes sollte noch beachtet werden:

  • Lernrate \eta:
    Die Lernrate ist ein wichtiger Parameter. Wer das Programmier-Beispiel bei sich zum Laufen gebracht hat, einfach mal die Lernrate auf Werte zwischen 10.00 und 0.00000001 setzen, schauen was passiert 🙂
  • Globale Minima vs lokale Minima:
    Diese lineare zwei-dimensionale Regression ist ziemlich einfach. Neuronale Netze sind hingegen komplexer und haben nicht einfach nur eine simple konvexe Fehlerfunktion. Hier gibt es mehrere Hügel und Täler in der Fehlerfunktion und die Gefahr ist groß, in einem lokalen, nicht aber in einem globalen Minimum zu landen.
  • Stochastisches Gradientenverfahren:
    Wir haben hier das sogenannte Batch-Verfahren verwendet. Dieses ist grundsätzlich besser als die stochastische Methode. Denn beim Batch verwenden wir den gesamten Stapel an x-Werten für die Fehlerbestimmung. Allerdings ist dies bei großen Daten zu rechen- und speicherintensiv. Dann werden kleinere Unter-Stapel (Sub-Batches) zufällig aus den x-Werten ausgewählt, der Fehler daraus bestimmt (was nicht ganz so akkurat ist, wie als würden wir den Fehler über alle x berechnen) und der Gradient bestimmt. Dies ist schon Rechen- und Speicherkapazität, erfordert aber meistens mehr Epochen.

Buchempfehlung

Die folgenden zwei Bücher haben mir bei der Erstellung dieses Beispiels geholfen und kann ich als hilfreiche und deutlich weiterführende Lektüre empfehlen:

 

Machine Learning mit Python und Scikit-Learn und TensorFlow: Das umfassende Praxis-Handbuch für Data Science, Predictive Analytics und Deep Learning (mitp Professional) Hands-On Machine Learning with Scikit-Learn and TensorFlow: Concepts, Tools, and Techniques for Building Intelligent Systems

 

Über die Integration symbolischer Inferenz in tiefe neuronale Netze

Tiefe neuronale Netze waren in den letzten Jahren eine enorme Erfolgsgeschichte. Viele Fortschritte im Bereich der KI, wie das Erkennen von Objekten, die fließende Übersetzung natürlicher Sprache oder das Spielen von GO auf Weltklasseniveau, basieren auf tiefen neuronalen Netzen. Über die Grenzen dieses Ansatzes gab es jedoch nur wenige Berichte. Eine dieser Einschränkungen ist die Unfähigkeit, aus einer kleinen Anzahl von Beispielen zu lernen. Tiefe neuronale Netze erfordern in der Regel eine Vielzahl von Trainingsbeispielen, während der Mensch aus nur einem einzigen Beispiel lernen kann. Wenn Sie eine Katze einem Kind zeigen, das noch nie zuvor eine gesehen hat, kann es eine weitere Katze anhand dieser einzigen Instanz erkennen. Tiefe neuronale Netze hingegen benötigen Hunderttausende von Bildern, um zu erlernen, wie eine Katze aussieht. Eine weitere Einschränkung ist die Unfähigkeit, Rückschlüsse aus bereits erlerntem Allgemeinwissen zu ziehen. Beim Lesen eines Textes neigen Menschen dazu, weitreichende Rückschlüsse auf mögliche Interpretationen des Textes zu ziehen. Der Mensch ist dazu in der Lage, weil er Wissen aus sehr unterschiedlichen Bereichen abrufen und auf den Text anwenden kann.

Diese Einschränkungen deuten darauf hin, dass in tiefen neuronalen Netzen noch etwas Grundsätzliches fehlt. Dieses Etwas ist die Fähigkeit, symbolische Bezüge zu Entitäten in der realen Welt herzustellen und sie in Beziehung zueinander zu setzen. Symbolische Inferenz in Form von formaler Logik ist seit Jahrzehnten der Kern der klassischen KI, hat sich jedoch als spröde und komplex in der Anwendung erwiesen. Gibt es dennoch keine Möglichkeit, tiefe neuronale Netze so zu verbessern, dass sie in der Lage sind, symbolische Informationen zu verarbeiten? Tiefe neuronale Netzwerke wurden von biologischen neuronalen Netzwerken wie dem menschlichen Gehirn inspiriert. Im Wesentlichen sind sie ein vereinfachtes Modell der Neuronen und Synapsen, die die Grundbausteine des Gehirns ausmachen. Eine solche Vereinfachung ist, dass statt mit zeitlich begrenzten Aktionspotenzialen nur mit einem Aktivierungswert gearbeitet wird. Aber was ist, wenn es nicht nur wichtig ist, ob ein Neuron aktiviert wird, sondern auch, wann genau. Was wäre, wenn der Zeitpunkt, zu dem ein Neuron feuert, einen relationalen Kontext herstellt, auf den sich diese Aktivierung bezieht? Nehmen wir zum Beispiel ein Neuron, das für ein bestimmtes Wort steht. Wäre es nicht sinnvoll, wenn dieses Neuron jedes Mal ausgelöst würde, wenn das Wort in einem Text erscheint? In diesem Fall würde das Timing der Aktionspotenziale eine wichtige Rolle spielen. Und nicht nur das Timing einer einzelnen Aktivierung, sondern auch das Timing aller eingehenden Aktionspotenziale eines Neurons relativ zueinander wäre wichtig. Dieses zeitliche Muster kann verwendet werden, um eine Beziehung zwischen diesen Eingangsaktivierungen herzustellen. Wenn beispielsweise ein Neuron, das ein bestimmtes Wort repräsentiert, eine Eingabesynapse für jeden Buchstaben in diesem Wort hat, ist es wichtig, dass das Wort Neuron nur dann ausgelöst wird, wenn die Buchstabenneuronen in der richtigen Reihenfolge zueinander abgefeuert wurden. Konzeptionell könnten diese zeitlichen Unterschiede als Relationen zwischen den Eingangssynapsen eines Neurons modelliert werden. Diese Relationen definieren auch den Zeitpunkt, zu dem das Neuron selbst im Verhältnis zu seinen Eingangsaktivierungen feuert. Aus praktischen Gründen kann es sinnvoll sein, der Aktivierung eines Neurons mehrere Slots zuzuordnen, wie z.B. den Anfang und das Ende eines Wortes. Andernfalls müssten Anfang und Ende eines Wortes als zwei getrennte Neuronen modelliert werden. Diese Relationen sind ein sehr mächtiges Konzept. Sie ermöglichen es, die hierarchische Struktur von Texten einfach zu erfassen oder verschiedene Bereiche innerhalb eines Textes miteinander in Beziehung zu setzen. In diesem Fall kann sich ein Neuron auf eine sehr lokale Information beziehen, wie z.B. einen Buchstaben, oder auf eine sehr weitreichende Information, wie z.B. das Thema eines Textes.

Eine weitere Vereinfachung im Hinblick auf biologische neuronale Netze besteht darin, dass mit Hilfe einer Aktivierungsfunktion die Feuerrate eines einzelnen Neurons angenähert wird. Zu diesem Zweck nutzen klassische neuronale Netze die Sigmoidfunktion. Die Sigmoidfunktion ist jedoch symmetrisch bezüglich großer positiver oder negativer Eingangswerte, was es sehr schwierig macht, ausssagenlogische Operationen mit Neuronen mit der Sigmoidfunktion zu modellieren. Spiking-Netzwerke hingegen haben einen klaren Schwellenwert und ignorieren alle Eingangssignale, die unterhalb dieses Schwellenwerts bleiben. Daher ist die ReLU-Funktion oder eine andere asymmetrische Funktion eine deutlich bessere Annäherung für die Feuerrate. Diese Asymmetrie ist auch für Neuronen unerlässlich, die relationale Informationen verarbeiten. Das Neuron, das ein bestimmtes Wort repräsentiert, muss nämlich für alle Zeitpunkte, an denen das Wort nicht vorkommt, völlig inaktiv bleiben.

Ebenfalls vernachlässigt wird in tiefen neuronalen Netzwerken die Tatsache, dass verschiedene Arten von Neuronen in der Großhirnrinde vorkommen. Zwei wichtige Typen sind die bedornte Pyramidenzelle, die in erster Linie eine exzitatorische Charakteristik aufweist, und die nicht bedornte Sternzelle, die eine hemmende aufweist. Die inhibitorischen Neuronen sind besonders, weil sie es ermöglichen, negative Rückkopplungsschleifen aufzubauen. Solche Rückkopplungsschleifen finden sich normalerweise nicht in einem tiefen neuronalen Netzwerk, da sie einen inneren Zustand in das Netzwerk einbringen. Betrachten wir das folgende Netzwerk mit einem hemmenden Neuron und zwei exzitatorischen Neuronen, die zwei verschiedene Bedeutungen des Wortes “August” darstellen.

Beide Bedeutungen schließen sich gegenseitig aus, so dass das Netzwerk nun zwei stabile Zustände aufweist. Diese Zustände können von weiteren Eingangssynapsen der beiden exzitatorischen Neuronen abhängen. Wenn beispielsweise das nächste Wort nach dem Wort ‘August’ ein potenzieller Nachname ist, könnte eine entsprechende Eingabesynapse für das Entitätsneuron August-(Vorname) das Gewicht dieses Zustands erhöhen. Es ist nun wahrscheinlicher, dass das Wort “August” als Vorname und nicht als Monat eingestuft wird. Aber bedenken Sie, dass beide Zustände evaluiert werden müssen. In größeren Netzwerken können viele Neuronen durch negative oder positive Rückkopplungsschleifen verbunden sein, was zu einer großen Anzahl von stabilen Zuständen im Netzwerk führen kann.

Aus diesem Grund ist ein effizienter Optimierungsprozess erforderlich, der den besten Zustand in Bezug auf eine Zielfunktion ermittelt. Diese Zielfunktion könnte darin bestehen, die Notwendigkeit der Unterdrückung stark aktivierter Neuronen zu minimieren. Diese Zustände haben jedoch den enormen Vorteil, dass sie es erlauben, unterschiedliche Interpretationen eines bestimmten Textes zu berücksichtigen. Es ist eine Art Denkprozess, in dem verschiedene Interpretationen bewertet werden und die jeweils stärkste als Ergebnis geliefert wird. Glücklicherweise lässt sich die Suche nach einem optimalen Lösungszustand recht gut optimieren.

Der Grund, warum wir in diesen Rückkopplungsschleifen hemmende Neuronen benötigen, ist, dass sonst alle gegenseitig unterdrückenden Neuronen vollständig miteinander verbunden sein müssten. Das würde zu einer quadratisch zunehmenden Anzahl von Synapsen führen.

Durch die negativen Rückkopplungsschleifen, d.h. durch einfaches Verbinden einer negativen Synapse mit einem ihrer Vorläuferneuronen, haben wir plötzlich den Bereich der nichtmonotonen Logik betreten. Die nichtmonotone Logik ist ein Teilgebiet der formalen Logik, in dem Implikationen nicht nur zu einem Modell hinzugefügt, sondern auch entfernt werden. Es wird davon ausgegangen, dass eine nichtmonotone Logik erforderlich ist, um Schlussfolgerungen für viele Common Sense Aufgaben ziehen zu können. Eines der Hauptprobleme der nichtmonotonen Logik ist, dass sie oft nicht entscheiden kann, welche Schlussfolgerungen sie ziehen soll und welche eben nicht. Einige skeptische oder leichtgläubige Schlussfolgerungen sollten nur gezogen werden, wenn keine anderen Schlussfolgerungen wahrscheinlicher sind. Hier kommt die gewichtete Natur neuronaler Netze zum Tragen. In neuronalen Netzen können nämlich eher wahrscheinliche Zustände weniger wahrscheinliche Zustände unterdrücken.

Beispielimplementierung innerhalb des Aika-Frameworks

An dieser Stelle möchte ich noch einmal das Beispielneuron für das Wort ‘der’ vom Anfang aufgreifen. Das Wort-Neuron besteht aus drei Eingabesynapsen, die sich jeweils auf die einzelnen Buchstaben des Wortes beziehen. Über die Relationen werden die Eingabesynapsen nun zueinander in eine bestimmte Beziehung gesetzt, so dass das Wort ‘der’ nur erkannt wird, wenn alle Buchstaben in der korrekten Reihenfolge auftreten.
Als Aktivierungsfunktion des Neurons wird hier der im negativen Bereich abgeschnittene (rectified) hyperbolische Tangens verwendet. Dieser hat gerade bei einem UND-verknüpfenden Neuron den Vorteil, dass er selbst bei sehr großen Werten der gewichteten Summe auf den Wert 1 begrenzt ist. Alternativ kann auch die ReLU-Funktion (Rectified Linear Unit) verwendet werden. Diese eignet sich insbesondere für ODER-verknüpfende Neuronen, da sie die Eingabewerte unverzerrt weiterleitet.
Im Gegensatz zu herkömmlichen neuronalen Netzen gibt es hier mehrere Bias Werte, einen für das gesamte Neuron (in diesem Fall auf 5.0 gesetzt) und einen für jede Synapse. Intern werden diese Werte zu einem gemeinsamen Bias aufsummiert. Es ist schon klar, dass dieses Aufteilen des Bias nicht wirklich gut zu Lernregeln wie der Delta-Rule und dem Backpropagation passt, allerdings eignen sich diese Lernverfahren eh nur sehr begrenzt für diese Art von neuronalem Netzwerk. Als Lernverfahren kommen eher von den natürlichen Mechanismen Langzeit-Potenzierung und Langzeit-Depression inspirierte Ansätze in Betracht.

Neuron buchstabeD = m.createNeuron("B-d");
	Neuron buchstabeE = m.createNeuron("B-e");
	Neuron buchstabeR = m.createNeuron("B-r");

	Neuron wortDer = Neuron.init(
                m.createNeuron("W-der"),
                5.0,
                RECTIFIED_HYPERBOLIC_TANGENT,
                EXCITATORY,
                new Synapse.Builder()
                        .setSynapseId(0)
                        .setNeuron(buchstabeD)
                        .setWeight(10.0)
                        .setBias(-10.0)
                        .setRecurrent(false),
                new Synapse.Builder()
                        .setSynapseId(1)
                        .setNeuron(buchstabeE)
                        .setWeight(10.0)
                        .setBias(-10.0)
                        .setRecurrent(false),
                new Synapse.Builder()
                        .setSynapseId(2)
                        .setNeuron(buchstabeR)
                        .setWeight(10.0)
                        .setBias(-10.0)
                        .setRecurrent(false),
                new Relation.Builder()
                        .setFrom(0)
                        .setTo(1)
                        .setRelation(new Equals(END, BEGIN)),
                new Relation.Builder()
                        .setFrom(1)
                        .setTo(2)
                        .setRelation(new Equals(END, BEGIN)),
                new Relation.Builder()
                        .setFrom(0)
                        .setTo(OUTPUT)
                        .setRelation(new Equals(BEGIN, BEGIN)),
                new Relation.Builder()
                        .setFrom(2)
                        .setTo(OUTPUT)
                        .setRelation(new Equals(END, END))
	);

Fazit

Obwohl tiefe neuronale Netze bereits einen langen Weg zurückgelegt haben und mittlerweile beeindruckende Ergebnisse liefern, kann es sich doch lohnen, einen weiteren Blick auf das Original, das menschliche Gehirn und seine Schaltkreise zu werfen. Wenn eine so inhärent komplexe Struktur wie das menschliche Gehirn als Blaupause für ein neuronales Modell verwendet werden soll, müssen vereinfachende Annahmen getroffen werden. Allerdings ist bei diesem Prozess Vorsicht geboten, da sonst wichtige Aspekte des Originals verloren gehen können.

Referenzen

  1. Der Aika-Algorithm
    Lukas Molzberger
  2. Neuroscience: Exploring the Brain
    Mark F. Bear, Barry W. Connors, Michael A. Paradiso
  3. Neural-Symbolic Learning and Reasoning: A Survey and Interpretation
    Tarek R. Besold, Artur d’Avila Garcez, Sebastian Bader; Howard Bowman, Pedro Domingos, Pascal Hitzler, Kai-Uwe Kuehnberger, Luis C. Lamb, ; Daniel Lowd, Priscila Machado Vieira Lima, Leo de Penning, Gadi Pinkas, Hoifung Poon, Gerson Zaverucha
  4. Deep Learning: A Critical Appraisal
    Gary Marcus
  5. Nonmonotonic Reasoning
    Gerhard Brewka, Ilkka Niemela, Mirosław Truszczynski

Dem Wettbewerb voraus mit Künstlicher Intelligenz

Was KI schon heute kann und was bis 2020 auf deutsche Unternehmen zukommt

Künstliche Intelligenz ist für die Menschheit wichtiger als die Erfindung von Elektrizität oder die Beherrschung des Feuers – davon sind der Google-CEO Sundar Pichai und viele weitere Experten überzeugt. Doch was steckt wirklich dahinter? Welche Anwendungsfälle funktionieren schon heute? Und was kommt bis 2020 auf deutsche Unternehmen zu?

Big Data war das Buzzword der vergangenen Jahre und war – trotz mittlerweile etablierter Tools wie SAP Hana, Hadoop und weitere – betriebswirtschaftlich zum Scheitern verurteilt. Denn Big Data ist ein passiver Begriff und löst keinesfalls alltägliche Probleme in den Unternehmen.

Dabei wird völlig verkannt, dass Big Data die Vorstufe für den eigentlichen Problemlöser ist, der gemeinhin als Künstliche Intelligenz (KI) bezeichnet wird. KI ist ein Buzzword, dessen langfristiger Erfolg und Aktivismus selbst von skeptischen Experten nicht infrage gestellt wird. Daten-Ingenieure sprechen im Kontext von KI hier aktuell bevorzugt von Deep Learning; wissenschaftlich betrachtet ein Teilgebiet der KI.

Was KI schon heute kann

Deep Learning Algorithmen laufen bereits heute in Nischen-Anwendungen produktiv, beispielsweise im Bereich der Chatbots oder bei der Suche nach Informationen. Sie übernehmen ferner das Rating für die Kreditwürdigkeit und sperren Finanzkonten, wenn sie erlernte Betrugsmuster erkennen. Im Handel findet Deep Learning bereits die optimalen Einkaufsparameter sowie den besten Verkaufspreis.

Getrieben wird Deep Learning insbesondere durch prestigeträchtige Vorhaben wie das autonome Fahren, dabei werden die vielfältigen Anwendungen im Geschäftsbereich oft vergessen.

Die Grenzen von Deep Learning

Und Big Data ist das Futter für Deep Learning. Daraus resultiert auch die Grenze des Möglichen, denn für strategische Entscheidungen eignet sich KI bestenfalls für das Vorbereitung einer Datengrundlage, aus denen menschliche Entscheider eine Strategie entwickeln. KI wird zumindest in dieser Dekade nur auf operativer Ebene Entscheidungen treffen können, insbesondere in der Disposition, Instandhaltung, Logistik und im Handel auch im Vertrieb – anfänglich jeweils vor allem als Assistenzsystem für die Menschen.

Genau wie das autonome Fahren mit Assistenzsystemen beginnt, wird auch im Unternehmen immer mehr die KI das Steuer übernehmen.

Was sich hinsichtlich KI bis 2020 tun wird

Derzeit stehen wir erst am Anfang der Möglichkeiten, die Künstliche Intelligenz uns bietet. Das Markt-Wachstum für KI-Systeme und auch die Anwendungen erfolgt exponentiell. Entsprechend wird sich auch die Arbeitsweise für KI-Entwickler ändern müssen. Mit etablierten Deep Learning Frameworks, die mehrheitlich aus dem Silicon Valley stammen, zeichnet sich der Trend ab, der für die Zukunft noch weiter professionalisiert werden wird: KI-Frameworks werden Enterprise-fähig und Distributionen dieser Plattformen werden es ermöglichen, dass KI-Anwendungen als universelle Kernintelligenz für das operative Geschäft für fast alle Unternehmen binnen weniger Monate implementierbar sein werden.

Wir können bis 2020 also mit einer Alexa oder Cortana für das Unternehmen rechnen, die Unternehmensprozesse optimiert, Risiken berichtet und alle alltäglichen Fragen des Geschäftsführers beantwortet – in menschlich-verbal formulierten Sätzen.

Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz zur Auswertung von Geschäfts- oder Maschinendaten ist auch das Leit-Thema der zweitägigen Data Leader Days 2018 in Berlin. Am 14. November 2018 sprechen renommierte Data Leader über Anwendungsfälle, Erfolge und Chancen mit Geschäfts- und Finanzdaten. Der 15. November 2018 konzentriert sich auf Automotive- und Maschinendaten mit hochrangigen Anwendern aus der produzierenden Industrie und der Automobilzuliefererindustrie. Seien Sie dabei und nutzen Sie die Chance, sich mit führenden KI-Anwendern auszutauschen.

Kiano – visuelle Exploration mit Deep Learning

Kiano – eine iOS-App zur visuellen Exploration und Suche der eigenen Fotos.

Menschen haben kein Problem, komplexe Bilder zu verstehen, es fällt ihnen aber schwer, gezielt Bilder in großen Bildersammlungen (wieder) zu finden. Da die Anzahl von Bildern, insbesondere auch auf Smartphones zusehends zunimmt – mehrere tausend Bilder pro Gerät sind keine Seltenheit, wird die Suche nach bestimmten Bildern immer schwieriger. Ist bei einem gesuchten Foto dessen Aufnahmedatum unbekannt, so kann es sehr lange dauern, bis es gefunden ist. Werden dem Nutzer zu viele Bilder auf einmal präsentiert, so geht der Überblick schnell verloren. Aus diesem Grund besteht eine typische Bildsuche heutzutage meist im endlosen Scrollen über viele Bildschirmseiten mit langen Bilderlisten.

Dieser Artikel stellt das Prinzip und die Funktionsweise der neuen iOS-App “Kiano” vor, die es Nutzern ermöglicht, alle ihre Bilder explorativ mittels visuellem Browsen zu erkunden. Der Name “Kiano” steht hierbei für “Keep Images Arranged & Neatly Organized”. Mit der App ist es außerdem möglich, zu einem Beispielbild gezielt nach ähnlichen Fotos auf dem Gerät zu suchen.

Um Bilder visuell durchsuch- und sortierbar zu machen, werden sogenannte Merkmalsvektoren bzw. Featurevektoren verwendet, die Aussehen und Inhalt von Bildern kompakt repräsentieren können. Zu einem Bild lassen sich ähnliche Bilder finden, indem die Bilder bestimmt werden, deren Featurevektoren eine geringe Distanz zum Featurevektor des Suchbildes haben.

Werden Bilder zweidimensional so angeordnet, dass die Featurevektoren benachbarter Bilder sehr ähnlich sind, so erhält man eine visuell sortierte Bilderlandkarte. Bei einer visuell sortierten Anordnung der Bilder fällt es Menschen deutlich leichter, mehr Bilder gleichzeitig zu erfassen, als dies im unsortierten Fall möglich wäre. Durch die graduelle Veränderung der Bildinhalte wird es möglich, über diese Karte visuell zu navigieren.

Generierung von Featurevektoren zur Bildbeschreibung

Convolutional Neural Networks (CNNs) sind nicht nur in der Lage, Bilder mit hoher Genauigkeit zu klassifizieren, d.h. zu erkennen, welches Objekt – entsprechend einer Menge von gelernten Objektkategorien auf einem Bild zu sehen ist, die Aktivierungen der Netzwerkschichten lassen sich auch als universelle Featurevektoren zur Bildbeschreibung nutzen. Während die vorderen Netzwerkschichten von CNNs einfache visuelle Bildmerkmale wie Farben und einfache Muster detektieren, repräsentieren die Ausgangsschichten des Netzwerks die semantischen Informationen bezüglich der gelernten Objektkategorien. Die Zwischenschichten des Netzwerks sind weniger von den Objektkategorien abhängig und können somit als generelle abstrakte Repräsentationen des Inhalts der Bilder angesehen werden. Hierbei ist es möglich, bereits fertig trainierte Klassifikationsnetzwerke für die Featureextraktion wiederzuverwenden. In der Visual Computing Gruppe der HTW Berlin wurden umfangreiche Evaluierungen durchgeführt, um zu bestimmen, welche Netzwerkschichten von welchen CNNs mit welchen zusätzlichen Transformationen zu verwenden sind, um aus Netzwerkaktivierungen Feature-Vektoren zu erzeugen, die sehr gut für die Suche nach beliebigen Bildern geeignet sind.

Beste Ergebnisse hinsichtlich der Suchgenauigkeit (der Mean Average Precision) wurden mit einem Deep Residual Learning Network (ResNet-200) erzielt. Die 2048 Aktivierungen vor dem vollvernetzten letzten Layer werden als initiale Featurevektoren verwendet, wobei sich die Suchgenauigkeit durch eine L1-Normierung, gefolgt von einer PCA-Transformation (Principal Component Analysis) sogar noch verbessern lässt. Hierdurch ist es möglich, die Featurevektoren auf eine Größe von nur 64 Bytes zu reduzieren. Leider ist die rechnerische Komplexität der Bestimmung dieser hochwertigen Featurevektoren zu groß, um sie auf mobilen Geräten verwenden zu können. Eine gute Alternative stellen die Mobilenets dar, die sich durch eine erheblich reduzierte Komplexität auszeichnen. Als Kompromiss zwischen Klassifikationsgenauigkeit und Komplexität wurde für die Kiano-App das Mobilenet_v2_0.5_128 verwendet. Die mit diesem Netzwerk bestimmten Featurevektoren wurden ebenfalls auf eine Größe von 64 Bytes reduziert.

Die aus CNNs erzeugten Featurevektoren sind gut für die Suche nach Bildern mit ähnlichem Inhalt geeignet. Für die Suche nach Bilder, mit ähnlichen visuellen Eigenschaften (z.B. die auftretenden Farben oder deren örtlichen Verteilung) sind diese Featurevektoren nur bedingt geeignet. Hierfür eignen sich klassische sogenannte “Low-Level”-Featurevektoren besser. Da für eine ansprechende und leicht erfassbare Bildsortierung auch eine Übereinstimmung dieser visuellen Bildattribute wichtig ist, kommt bei Kiano ein weiterer Featurevektor zum Einsatz, mit dem sich diese “primitiven” visuellen Bildattribute beschreiben lassen. Dieser Featurevektor hat eine Größe von 50 Bytes. Bei Kiano kann der Nutzer in den Einstellungen wählen, ob bei der visuellen Sortierung und Bildsuche größerer Wert auf den Bildinhalt oder die visuelle Erscheinung eines Bildes gelegt werden soll.

Visuelle Bildsortierung

Werden Bilder entsprechend ihrer Ähnlichkeiten sortiert angeordnet, so können mehrere hundert Bilder gleichzeitig wahrgenommen bzw. erfasst werden. Dies hilft, Regionen interessanter Bildern leichter zu erkennen und gesuchte Bilder schneller zu entdecken. Die Möglichkeit, viele Bilder gleichzeitig präsentieren zu können, ist neben Bildverwaltungssystemen besonders auch für E-Commerce-Anwendungen interessant.

Herkömmliche Dimensionsreduktionsverfahren, die hochdimensionale Featurevektoren auf zwei Dimensionen projizieren, sind für die Bildsortierung ungeeignet, da sie die Bilder so anordnen, dass Lücken und Bildüberlappungen entstehen. Sollen Bilder sortiert auf einem dichten regelmäßigen 2D-Raster angeordnet werden, kommen als Verfahren nur selbstorganisierende Karten oder selbstsortierende Karten in Frage.

Eine selbstorganisierende Karte (Self Organizing Map / SOM) ist ein künstliches neuronales Netzwerk, das durch unbeaufsichtigtes Lernen trainiert wird, um eine niedrigdimensionale, diskrete Darstellung der Daten des Eingangsraums als sogenannte Karte (Map) zu erzeugen. Im Gegensatz zu anderen künstlichen neuronalen Netzen, werden SOMs nicht durch Fehlerkorrektur, sondern durch ein Wettbewerbsverfahren trainiert, wobei eine Nachbarschaftsfunktion verwendet wird, um die lokalen Ähnlichkeiten der Eingangsdaten zu bewahren.

Eine selbstorganisierende Karte besteht aus Knoten, denen einerseits ein Gewichtsvektor der gleichen Dimensionalität wie die Eingangsdaten und anderseits eine Position auf der 2D-Karte zugeordnet sind. Die SOM-Knoten sind als zweidimensionales Rechteckgitter angeordnet. Das vom der SOM erzeugte Mapping ist diskret, da jeder Eingangsvektor einem bestimmten Knoten zugeordnet wird. Zu Beginn werden die Gewichtsvektoren aller Knoten mit Zufallswerten initialisiert. Wird ein hochdimensionaler Eingangsvektor in das Netz eingespeist, so wird dessen euklidischer Abstand zu allen Gewichtsvektoren berechnet. Der Knoten, dessen Gewichtsvektor dem Eingangsvektor am ähnlichsten ist, wird als Best Matching Unit (BMU) bezeichnet. Die Gewichte des BMU und seiner auf der Karte örtlich benachbarten Knoten werden an den Eingangsvektor angepasst. Dieser Vorgang wird iterativ wiederholt. Das Ausmaß dieser Anpassung nimmt im Laufe der Iterationen und der örtlichen Entfernung zum BMU-Knoten ab.

Um SOMs an die Bildsortierung anzupassen, sind zwei Modifikationen notwendig. Jeder Knoten darf nicht von mehr als einem Featurevektor (der ein Bild repräsentiert) ausgewählt werden. Eine Mehrfachauswahl würde zu einer Überlappung der Bilder führen. Aus diesem Grund muss die Anzahl der SOM-Knoten mindestens so groß wie die Anzahl der Bilder sein. Eine sinnvolle Erweiterung einer SOM verwendet ein Gitter, bei dem gegenüberliegende Kanten verbunden sind. Werden diese Torus-förmigen Karten für große SOMs verwendet, kann der Eindruck einer endlosen Karte erzeugt werden, wie es in Kiano umgesetzt ist. Ein Problem der SOMs ist ihre hohe rechnerische Komplexität, die quadratisch mit der Anzahl der zu sortierenden Bilder wächst, wodurch die maximale Anzahl an zu sortierenden Bildern beschränkt wird. Eine Lösung stellt eine selbstsortierende Karte (Self Sorting Map / SSM) dar, deren Komplexität nur n log(n) beträgt.

Selbstsortierende Karten beginnen mit einer zufälligen Positionierung der Bilder auf der Karte. Diese Karte wird dann in 4×4-Blöcke aufgeteilt und für jeden Block wird der Mittelwert der zugehörigen Featurevektoren bestimmt. Als nächstes werden aus 2×2 benachbarten Blöcken jeweils vier korrespondierende Bild-Featurevektoren untersucht und ihre zugehörigen Bilder gegebenenfalls getauscht. Aus den 4! = 24 Anordnungsmöglichkeiten wird diejenige gewählt, die die Summe der quadrierten Differenzen zwischen den jeweiligen Featurevektoren und den Featuremittelwerten der Blöcke minimiert. Nach mehreren Iterationen wird jeder Block in vier kleinere Blöcke halber Breite und Höhe aufgeteilt und wiederum in der beschriebenen Weise überprüft, wie die Bildpositionen dieser kleineren Blöcke getauscht werden sollten. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Blockgröße auf 1×1 Bild reduziert ist.

In der Visual-Computing Gruppe der HTW Berlin wurde untersucht, wie die Sortierqualität des SSM-Algorithmus verbessert werden kann. Anstatt die Mittelwerte der Featurevektoren als konstanten Durchschnittsvektor für den gesamten Block zu berechnen, verwenden wir gleitende Tiefpassfilter, die sich effizient mittels Integralbildern berechnen lassen. Hierdurch entstehen weichere Übergänge auf der sortierten Bilderkarte. Weiterhin wird die Blockgröße nicht für mehrere Iterationen konstant gehalten, sondern kontinuierlich zusammen mit dem Radius des Filterkernels reduziert. Durch die Verwendung von optimierten Algorithmen von “Linear Assignment” Algorithmen wird es weiterhin möglich, den optimalen Positionstausch nicht nur für jeweils vier Featurevektoren bzw. Bildern sondern für eine deutlich größere Anzahl zu überprüfen. All diese Maßnahmen führen zu einer deutlich verbesserten Sortierungsqualität bei gleicher Komplexität.

Effiziente Umsetzung für iOS

Wie so oft, liegen die softwaretechnischen Herausforderungen an ganz anderen Stellen, als man zunächst vermutet. Für eine effiziente Implementierung der zuvor beschriebenen Algorithmen, insbesondere der SSM, stellte es sich heraus, dass die Programmiersprache Swift, in der iOS Apps normaler Weise entwickelt werden, erheblich mehr Rechenzeit benötigt, als eine Umsetzung in der Sprache C. Im Zuge der stetigen Weiterentwicklung von Swift und dessen Compiler mag sich die Lücke zu C zwar immer weiter schließen, zum Zeitpunkt der Umsetzung war die Implementierung in C aber um einen Faktor vier schneller als in Swift. Hierbei liegt die Vermutung nahe, dass der Zugriff auf und das Umsortieren von Featurevektoren als native C-Arrays deutlich effektiver passiert, als bei der Verwendung von Swift-Arrays. Da Swift-Arrays Value-Type sind, kommt es in Swift vermutlich zu unnötigen Kopieroperationen der Fließkommazahlen in den einzelnen Featurevektoren.

Die Berechnung des Mobilenet-Anteils der Featurevektoren konnte sehr komfortabel mit Apples CoreML Machine Learning Framework umgesetzt werden. Hierbei ist zu beachten, dass es sich wie oben beschrieben, nicht um eine Klassifikation handelt, sondern um das Abgreifen der Aktivierungen einer tieferen Schicht. Für Klassifikationen findet man praktisch sofort nutzbare Beispiele, für den Zugriff auf die Aktivierungen waren jedoch Anpassungen notwendig, die bei der Portierung eines vortrainierten Mobilenet nach CoreML vorgenommen wurden. Das stellte sich als erheblich einfacher heraus, als der Versuch, auf die tieferen Schichten eines Klassifizierungsnetzes in CoreML zuzugreifen.

Für die Verwaltung der Bilder, ihrer Featurevektoren und ihrer Position in der sortieren Karte wird in Kiano eine eigene Datenstruktur verwendet, die es zu persistieren gilt. Es ist dem Nutzer ja nicht zuzumuten, bei jedem Start der App auf die Berechnung aller Featurevektoren zu warten. Die Strategie ist es hierbei, bereits bekannte Bilder zu identifizieren und deren Features nur dann neu zu berechnen, falls sich das Bild verändert hat. Die über Appels Photos Framework zur Verfügung gestellten local Identifier identifizieren dabei die Bilder. Veränderungen werden über das Modifikationsdatum eines Bildes detektiert. Die größte Herausforderung ist hierbei das Zeichnen der Karte. Die Benutzerinteraktion soll schnell und flüssig erscheinen, auf Animationen wie das Nachlaufen der Karte beim Verschieben möchte man nicht verzichten. Die Umsetzung geschieht hierbei nicht in OpenGL ES, welches ab iOS 12 ohnehin als deprecated bezeichnet wird. Auf der anderen Seite wird aber auch nicht der „Standardweg“ des Überschreibens der draw-Methode einer Ableitung von UIView gewählt. Letztes führt bekanntlich zu Performanceeinbußen. Insbesondere deshalb, weil das System sehr oft Backing-Images der Ansichten erstellt. Um die Kontrolle über das Neuzeichnen zu behalten, wird in Kiano ein eigenes Backing-Image implementiert, das auf Ebene des Core Animation Frameworks dem View als Layer zugweisen wird. Diesem Layer kann dann sehr komfortabel eine 3D-Transformation zugewiesen werden und man profitiert von der GPU-Beschleunigung, ohne OpenGL ES direkt verwenden zu müssen.

 

Trotz der Verwendung eines Core Animation Layers ist das Zeichnen der Karte immer noch sehr zeitaufwendig. Das liegt an der Tatsache, dass je nach Zoomstufe tausende von Bildern darzustellen sind, die alle über das Photos Framework angefordert werden müssen. Das Nadelöhr ist dann weniger das Zeichnen, als die Zeit, die vergeht, bis einem das Bild zur Verfügung gestellt wird. Diese Vorgänge sind praktisch alle nebenläufig. Zur Erinnerung: Ein Foto kann in der iCloud liegen und zum Zeitpunkt der Anfrage noch gar nicht (oder noch nicht in geeigneter Auflösung) heruntergeladen sein. Netzwerkbedingt gibt es keine Vorhersage, wann oder ob überhaupt das Bild zur Verfügung gestellt wird. In Kiano werden zum einen Bilder in sehr kleiner Auflösung gecached, zum anderen wird beim Navigieren auf der Karte im Hintergrund ein neues Kartenteil als Backing-Image vorbereitet, das dem Nutzer nach Fertigstellung angezeigt wird. Die vorberechneten Kartenteile sind dabei drei Mal so breit und drei Mal so hoch wie das Display, so dass man diese „Hintergrundaktivität“ beim Verschieben der Karte in der Regel nicht bemerkt. Nur wenn die Bewegung zu schnell wird oder die Bilder zu langsam „geliefert“ werden, erkennt man schwarze Flächen, die sich dann verzögert mit Bildern füllen.

Vergleichbares passiert beim Hineinzoomen in die Karte. Der Nutzer sieht zunächst eine vergrößerte und damit unscharfe Version des aktuellen Kartenteils, während im Hintergrund ein Kartenteil in höherer Auflösung und mit weniger Bildern vorbereitet wird. In der Summe geht Kiano hier einen Kompromiss ein. Die Pixeldichte der Geräte würde eine schärfere Darstellung der Bilder auf der Karte erlauben. Allerdings müssten dann die Bilder in so höher Auflösung angefordert werden, dass eine flüssige Kartennavigation nicht mehr möglich wäre. So sieht der Nutzer in der Regel eine Karte mit Bildern in halber Auflösung gemessen an den physikalischen Pixeln seines Displays.

Ein anfangs unterschätzter Arbeitsaufwand bei der Umsetzung von Kiano liegt darin begründet, dass sich die Photo Library des Nutzers jederzeit während der Benutzung der App verändern kann. Bilder können durch Synchronisationen mit der iCloud oder mit iTunes verschwinden, sich in andere Alben bewegen, oder neue können auftauchen. Der Nutzer kann Bildschirmfotos machen. Das Photos Framework stellt komfortable Benachrichtigungen für solche Events zur Verfügung. Der Implementierung obliegt es dabei aber herauszubekommen, ob die Karte neu zu sortieren ist oder nicht, ob das gerade anzeigte Bild überhaupt noch existiert und was zu tun ist, wenn es verschwunden ist.

Zusammenfassend kann man feststellen, dass natürlich die Umsetzung der Algorithmen und die Darstellung dessen auf einer Karte zu den spannendsten Teilen der Arbeiten an Kiano zählen, dass aber der Umgang mit einer sich dynamisch ändernden Datenbasis nicht unterschätzt werden sollte.

Autoren

Prof. Dr. Klaus JungProf. Dr. Klaus Jung studierte Physik an der TU Berlin, wo er im Bereich der Mathematischen Physik promovierte. Bis 2008 arbeitete er als Leiter F&E bei der Firma LuraTech im Bereich der Dokumentenverarbeitung und Langzeitarchivierung. In der JPEG-Gruppe leitete er die deutsche Delegation bei der Standardisierung von JPEG2000. Seit 2008 ist er Professor für Medieninformatik an der HTW Berlin mit dem Schwerpunkt „Visual Computing“.

Prof. Dr. Kai Uwe Barthel

Prof. Dr. Kai Uwe Barthel studierte Elektrotechnik an der TU Berlin, bevor er Assistent am Institut für Nachrichtentechnik wurde und im Bereich Bildkompression promovierte. Seit 2001 ist er Professor der HTW Berlin. Hauptforschungsbereiche sind visuelle Bildsuche und automatisches Bildverstehen. 2009 gründete er die pixolution GmbH www.pixolution.de, ein Unternehmen, das Technologien für die visuelle Bildsuche anbietet.