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Benjamin Aunkofer - Interview über AI as a Service

Interview – Daten vermarkten, nicht verkaufen!

Das Format Business Talk am Kudamm in Berlin führte ein Interview mit Benjamin Aunkofer zu den Themen “Daten vermarkten, nicht verkaufen!”.

In dem Interview erklärt Benjamin Aunkofer, warum der Datenschutz für die meisten Anwendungsfälle keine Rolle spielt und wie Unternehmen mit Data as a Service oder AI as a Service Ihre Daten zu Geld machen, selbst dann, wenn diese Daten nicht herausgegeben werden können.

Nachfolgend das Interview auf Youtube sowie die schriftliche Form zum Nachlesen:


Nachfolgend das Transkript zum Interview:

1 – Herr Aunkofer, Daten gelten als der wichtigste Rohstoff des 22. Jahrhunderts. Bei der Vermarktung datengestützter Dienstleistung tun sich deutsche Unternehmen im Vergleich zur Konkurrenz aus den USA oder Asien aber deutlich schwerer. Woran liegt das?

Ach da will ich keinen Hehl draus machen. Die Unterschiede liegen in den verschiedenen Kulturen begründet. In den USA herrscht in der Gesellschaft ein sehr freiheitlicher Gedanke, der wohl eher darauf hinausläuft, dass wer Daten sammelt, über diese dann eben auch weitgehend verfügt.

In Asien ist die Kultur eher kollektiv ausgerichtet, um den Einzelnen geht es dort ja eher nicht so.

In Deutschland herrscht auch ein freiheitlicher Gedanke – Gott sei Dank – jedoch eher um den Schutz der personenbezogenen Daten.

Das muss nun aber gar nicht schlimm sein. Zwar mag es in Deutschland etwas umständlicher und so einen Hauch langsamer sein, Daten nutzen zu dürfen. Bei vielen Anwendungsfällen kann man jedoch sehr gut mit korrekt anonymisierten Massendaten arbeiten und bei gesellschaftsfördernen Anwendungsfällen, man denke z. B. an medizinische Vorhersagen von Diagnosen oder Behandlungserfolgen oder aber auch bei der Optimierung des öffentlichen Verkehrs, sind ja viele Menschen durchaus bereit, ihre Daten zu teilen.

 Gesellschaftlichen Nutzen haben wir aber auch im B2B Geschäft, bei dem wir in Unternehmen und Institutionen die Prozesse kundenorientierter und schneller machen, Maschinen ausfallsicherer machen usw.. Da haben wir meistens sogar mit gar keinen personenbezogenen Daten zu tun.

2 – Sind die Bedenken im Zusammenhang mit Datenschutz und dem Schutz von Geschäftsgeheimnissen nicht berechtigt?

Also mit Datenschutz ist ja der gesetzliche Datenschutz gemeint, der sich nur auf personenbezogene Daten bezieht. Für Anwendungsfälle z. B. im Customer Analytics, also da, wo man Kundendaten analysieren möchte, geht das nur über die direkte Einwilligung oder eben durch anonymisierte Massendaten. Bei betrieblicher Prozessoptimierung, Anlagenoptimierung hat man mit personenbezogenen Daten aber fast nicht zu tun bzw. kann diese einfach vorher wegfiltern.

Ein ganz anderes Thema ist die Datensicherheit. Diese schließt die Sicherheit von personenbezogenen Daten mit ein, betrifft aber auch interne betriebliche Angelegenheiten, so wie etwas Lieferanten, Verträge, Preise… vielleicht Produktions- und Maschinendaten, natürlich auch Konstruktionsdaten in der Industrie.

Dieser Schutz ist jedoch einfach zu gewährleisten, wenn man einige Prinzipien der Datensicherheit verfolgt. Wir haben dafür Checklisten, quasi wie in der Luftfahrt. Bevor der Flieger abhebt, gehen wir die Checks durch… da stehen so Sachen drauf wie Passwortsicherheit, Identity Management, Zero Trust, Hybrid Cloud usw.

3 – Das Rückgrat der deutschen Wirtschaft sind die vielen hochspezialisierten KMU. Warum sollte sich beispielsweise ein Maschinenbauer darüber Gedanken machen, datengestützte Geschäftsmodelle zu entwickeln?

Nun da möchte ich dringend betonen, dass das nicht nur für Maschinenbauer gilt, aber es stimmt schon, dass Unternehmen im Maschinenbau, in der Automatisierungstechnik und natürlich der Werkzeugmaschinen richtig viel Potenzial haben, ihre Geschäftsmodelle mit Daten auszubauen oder sogar Datenbestände aufzubauen, die dann auch vermarktet werden können, und das so, dass diese Daten das Unternehmen gar nicht verlassen und dabei geheim bleiben.

4 – Daten verkaufen, ohne diese quasi zu verkaufen? Wie kann das funktionieren?

Das verrate ich gleich, aber reden wir vielleicht kurz einmal über das Verkaufen von Daten, die man sogar gerne verkauft. Das Verkaufen von Daten ist nämlich gerade so ein Trend. Das Konzept dafür heißt Data as a Service und bezieht sich dabei auf öffentliche Daten aus Quellen der Kategorie Open Data und Public Data. Diese Daten können aus dem Internet quasi gesammelt, als Datenbasis dann im Unternehmen aufgebaut werden und haben durch die Zusammenführung, Bereinigung und Aufbereitung einen Wert, der in die Millionen gehen kann. Denn andere Unternehmen brauchen vielleicht auch diese Daten, wollen aber nicht mehr warten, bis sie diese selbst aufbauen. Beispiele dafür sind Daten über den öffentlichen Verkehr, Infrastruktur, Marktpreise oder wir erheben z. B. für einen Industriekonzern Wasserqualitätsdaten beinahe weltweit aus den vielen vielen regionalen Veröffentlichungen der Daten über das Trinkwasser. Das sind zwar hohe Aufwände, aber der Wert der zusammengetragenen Daten ist ebenfalls enorm und kann an andere Unternehmen weiterverkauft werden. Und nur an jene Unternehmen, an die man das eben zu tun bereit ist.

5 – Okay, das sind öffentliche Daten, die von Unternehmen nutzbar gemacht werden. Aber wie ist es nun mit Daten aus internen Prozessen?

Interne Daten sind Geschäftsgeheimnisse und dürfen keinesfalls an Dritte weitergegeben werden. Dazu gehören beispielsweise im Handel die Umsatzkurven für bestimmte Produktkategorien sowie aber auch die Retouren und andere Muster des Kundenverhaltens, z. B. die Reaktion auf die Konfiguration von Online-Marketingkampagnen. Die Unternehmen möchten daraus jedoch Vorhersagemodelle oder auch komplexere Anomalie-Erkennung auf diese Daten trainieren, um sie für sich in ihren operativen Prozessen nutzbar zu machen. Machine Learning, übrigens ein Teilgebiet der KI (Künstlichen Intelligenz), funktioniert ja so, dass man zwei Algorithmen hat. Der erste Algorithmus ist ein Lern-Algorithmus. Diesen muss man richtig parametrisieren und überhaupt erstmal den richtigen auswählen, es gibt nämlich viele zur Auswahl und ja, die sind auch miteinander kombinierbar, um gegenseitige Schwächen auszugleichen und in eine Stärke zu verwandeln. Der Lernalgorithmus erstellt dann, über das Training mit den Daten, ein Vorhersagemodell, im Grunde eine Formel. Das ist dann der zweite Algorithmus. Dieser Algorithmus entstand aus den Daten und reflektiert auch das in den Daten eingelagerte Wissen, kanalisiert als Vorhersagemodell. Und dieses kann dann nicht nur intern genutzt werden, sondern auch anderen Unternehmen zur Nutzung zur Verfügung gestellt werden.

6 – Welche Arten von Problemen sind denn geeignet, um aus Daten ein neues Geschäftsmodell entwickeln zu können?

Alle operativen Geschäftsprozesse und deren Unterformen, also z. B. Handels-, Finanz-, Produktions- oder Logistikprozesse generieren haufenweise Daten. Das Problem für ein Unternehmen wie meines ist ja, dass wir zwar Analysemethodik kennen, aber keine Daten. Die Daten sind quasi wie der Inhalt einer Flasche oder eines Ballons, und der Inhalt bestimmt die Form mit. Unternehmen mit vielen operativen Prozessen haben genau diese Datenmengen.Ein Anwendungsfallgebiet sind z. B. Diagnosen. Das können neben medizinischen Diagnosen für Menschen auch ganz andere Diagnosen sein, z. B. über den Zustand einer Maschine, eines Prozesses oder eines ganzen Unternehmens. Die Einsatzgebiete reichen von der medizinischen Diagnose bis hin zu der Diagnose einer Prozesseffizienz oder eines Zustandes in der Wirtschaftsprüfung.Eine andere Kategorie von Anwendungsfällen sind die Prädiktionen durch Text- oder Bild-Erkennung. In der Versicherungsindustrie oder in der Immobilienbranche B. gibt es das Geschäftsmodell, dass KI-Modelle mit Dokumenten trainiert werden, so dass diese automatisiert, maschinell ausgelesen werden können. Die KI lernt dadurch, welche Textstellen im Dokument oder welche Objekte im Bild eine Rolle spielen und verwandelt diese in klare Aussagen.

Die Industrie benutzt KI zur generellen Objekterkennung z. B. in der Qualitätsprüfung. Hersteller von landwirtschaftlichen Maschinen trainieren KI, um Unkraut über auf Videobildern zu erkennen. Oder ein Algorithmus, der gelernt hat, wie Ultraschalldaten von Mirkochips zu interpretieren sind, um daraus Beschädigungen zu erkennen, so als Beispiel, den kann man weiterverkaufen.

Das Verkaufen erfolgt dabei idealerweise hinter einer technischen Wand, abgeschirmt über eine API. Eine API ist eine Schnittstelle, über die man die KI verwenden kann. Daraus wird dann AI as a Service, also KI als ein Service, den man Dritten gegen Bezahlung nutzen lassen kann.

7 – Gehen wir mal in die Praxis: Wie lassen sich aus erhobenen Daten Modelle entwickeln, die intern genutzt oder als Datenmodell an Kunden verkauft werden können?

Zuerst müssen wir die Idee natürlich richtig auseinander nehmen. Nach einer kurzen Euphorie-Phase, wie toll die Idee ist, kommt ja dann oft die Ernüchterung. Oft überwinden wir aber eben diese Ernüchterung und können starten. Der einzige Knackpunkt sind meistens fehlende Daten, denn ja, wir reden hier von großen Datenhistorien, die zum Einen überhaupt erstmal vorliegen müssen, zum anderen aber auch fast immer aufbereitet werden müssen.Wenn das erledigt ist, können wir den Algorithmus trainieren, ihn damit auf eine bestimmte Problemlösung sozusagen abrichten.Übrigens können Kunden oder Partner die KI selbst nachtrainieren, um sie für eigene besondere Zwecke besser vorzubereiten. Nehmen wir das einfache Beispiel mit der Unkrauterkennung via Bilddaten für landwirtschaftliche Maschinen. Nun sieht Unkraut in fernen Ländern sicherlich ähnlich, aber doch eben anders aus als hier in Mitteleuropa. Der Algorithmus kann jedoch nachtrainiert werden und sich der neuen Situation damit anpassen. Hierfür sind sehr viel weniger Daten nötig als es für das erstmalige Anlernen der Fall war.

8 – Viele Unternehmen haben Bedenken wegen des Zeitaufwands und der hohen Kosten für Spezialisten. Wie hoch ist denn der Zeit- und Kostenaufwand für die Implementierung solcher KI-Modelle in der Realität?

Das hängt sehr stark von der eigentlichen Aufgabenstellung ab, ob die Daten dafür bereits vorliegen oder erst noch generiert werden müssen und wie schnell das alles passieren soll. So ein Projekt dauert pauschal geschätzt gerne mal 5 bis 8 Monate bis zur ersten nutzbaren Version.

Experten-Training: Angewandte Künstliche Intelligenz

Anzeige

Im Rahmen dieses praxisorientierten Kurses wird anhand eines konkreten Beispiels ein gesamter Prozess zur Mustererkennung nachvollzogen und selbst programmiert. Dabei werden die möglichen Methoden beleuchtet und angewandt.

Aufbaukurs: Angewandte Künstliche Intelligenz

Am 18.1. + 19.1.2023 in Gotha.

Ziele:

–        Datenvorverarbeitung zur Nutzung von KI

–        Einsatz von Künstlichen Neuronalen Netzen für spezielle Anwendungen (Lernen mit Lehrer)

–        Nutzung von Anaconda, Tensorflow und Keras an konkreten Beispielen

–        Erarbeitung und Einsatz von KI-Methoden zur Datenverarbeitung

–        KI zur Mustererkennung (z. B. k-MEANS, Lernen ohne Lehrer)

 

Zielgruppe:

–        Erfahrene aus den Bereichen Programmierung, Entwicklung, Anwendung

 

Voraussetzungen:

–        Grundlegende Programmierkenntnisse empfehlenswert (aber nicht erforderlich)

 

Inhalte:

–        Datenverarbeitungsmethoden kennenlernen und nutzen

–        Programmierung und Nutzung von Klassifizierungsmethoden

–        Anwendung vom bestärkenden Lernen (Reinforcement Learning)

–        Einsatz kostenloser und kostenpflichtiger Tools zur Datenauswertung

–        Umfangreiche Darstellung der Ergebnisse

 

Ein Schulungstag umfasst 6 Lehrveranstaltungsstunden am 18.1. + 19.1.2023 in Gotha (9.30 Uhr – 15.30 Uhr) und findet großenteils am PC statt. Die Verpflegung ist jeweils inklusive.

 

Preis pro Kurs (2 Tage): 980 Euro (netto)

Die Teilnehmerzahl pro Modul ist auf 6 begrenzt.

Rückfragen sowie Anmeldungen: schulung@cc-online.eu

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christian Döbel (Leiter Steinbeis Transferzentrum „Integrierte Systeme und Digitale Transformation“, ISD)

 

Anbieter-Informationen:
Steinbeis-Transferzentrum ISD (Zentrale: Steinbeis Transfer GmbH) – Ausfeldstr. 21 – 99880 Waltershausen – Tel. 03622 208334
E-Mail SU2209@stw.de
USt.-Ident-Nr. DE814628518 – Registergericht Stuttgart HRB 25312

Geschäftsführer: Dipl.-Ing. (FH) M. Eng. Erik Burchardt

Experten-Training: Angewandte Künstliche Intelligenz

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Im Rahmen dieses praxisorientierten Kurses wird anhand eines konkreten Beispiels ein gesamter Prozess zur Mustererkennung nachvollzogen und selbst programmiert. Dabei werden die möglichen Methoden beleuchtet und angewandt.

Aufbaukurs: Angewandte Künstliche Intelligenz

Am 2.11. – 3.11.2022 oder 18.1. + 19.1.2023 in Gotha

Ziele:

–        Datenvorverarbeitung zur Nutzung von KI

–        Einsatz von Künstlichen Neuronalen Netzen für spezielle Anwendungen (Lernen mit Lehrer)

–        Nutzung von Anaconda, Tensorflow und Keras an konkreten Beispielen

–        Erarbeitung und Einsatz von KI-Methoden zur Datenverarbeitung

–        KI zur Mustererkennung (z. B. k-MEANS, Lernen ohne Lehrer)

 

Zielgruppe:

–        Erfahrene aus den Bereichen Programmierung, Entwicklung, Anwendung

 

Voraussetzungen:

–        Grundlegende Programmierkenntnisse empfehlenswert (aber nicht erforderlich)

 

Inhalte:

–        Datenverarbeitungsmethoden kennenlernen und nutzen

–        Programmierung und Nutzung von Klassifizierungsmethoden

–        Anwendung vom bestärkenden Lernen (Reinforcement Learning)

–        Einsatz kostenloser und kostenpflichtiger Tools zur Datenauswertung

–        Umfangreiche Darstellung der Ergebnisse

 

Ausweichtermin:

–        18.1. + 19.1.2023 in Gotha

 

Ein Schulungstag umfasst 6 Lehrveranstaltungsstunden (9.30 Uhr – 15.30 Uhr) und findet großenteils am PC statt. Die Verpflegung ist jeweils inklusive.

 

Preis pro Kurs (2 Tage): 980 Euro (netto)

Die Teilnehmerzahl pro Modul ist auf 6 begrenzt.

Rückfragen sowie Anmeldungen: schulung@cc-online.eu

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christian Döbel (Leiter Steinbeis Transferzentrum „Integrierte Systeme und Digitale Transformation“, ISD)

 

Anbieter-Informationen:
Steinbeis-Transferzentrum ISD (Zentrale: Steinbeis Transfer GmbH) – Ausfeldstr. 21 – 99880 Waltershausen – Tel. 03622 208334
E-Mail SU2209@stw.de
USt.-Ident-Nr. DE814628518 – Registergericht Stuttgart HRB 25312

Geschäftsführer: Dipl.-Ing. (FH) M. Eng. Erik Burchardt

Training of Deep Learning AI models

Alles dreht sich um Daten: die Trainingsmethoden des Deep Learning

Im Deep Learning gibt es unterschiedliche Trainingsmethoden. Welche wir in einem KI Projekt anwenden, hängt von den zur Verfügung gestellten Daten des Kunden ab: wieviele Daten gibt es, sind diese gelabelt oder ungelabelt? Oder gibt es sowohl gelabelte als auch ungelabelte Daten?

Nehmen wir einmal an, unser Kunde benötigt für sein Tourismusportal strukturierte, gelabelte Bilder. Die Aufgabe für unser KI Modell ist es also, zu erkennen, ob es sich um ein Bild des Schlafzimmers, Badezimmers, des Spa-Bereichs, des Restaurants etc. handelt. Sehen wir uns die möglichen Trainingsmethoden einmal an.

1. Supervised Learning

Hat unser Kunde viele Bilder und sind diese alle gelabelt, so ist das ein seltener Glücksfall. Wir können dann das Supervised Learning anwenden. Dabei lernt das KI Modell die verschiedenen Bildkategorien anhand der gelabelten Bilder. Es bekommt für das Training von uns also die Trainingsdaten mit den gewünschten Ergebnissen geliefert.
Während des Trainings sucht das Modell nach Mustern in den Bildern, die mit den gewünschten Ergebnissen zusammenpassen. So erlernt es Merkmale der Kategorien. Das Gelernte kann das Modell dann auf neue, ungesehene Daten übertragen und auf diese Weise eine Vorhersage für ungelabelte Bilder liefern, also etwa “Badezimmer 98%”.

2. Unsupervised learning

Wenn unser Kunde viele Bilder als Trainingsdaten liefern kann, diese jedoch alle nicht gelabelt sind, müssen wir auf Unsupervised Learning zurückgreifen. Das bedeutet, dass wir dem Modell nicht sagen können, was es lernen soll (die Zuordnung zu Kategorien), sondern es muss selbst Regelmäßigkeiten in den Daten finden.

Eine aktuell gängige Methode des Unsupervised Learning ist Contrastive Learning. Dabei generieren wir jeweils aus einem Bild mehrere Ausschnitte. Das Modell soll lernen, dass die Ausschnitte des selben Bildes ähnlicher zueinander sind als zu denen anderer Bilder. Oder kurz gesagt, das Modell lernt zwischen ähnlichen und unähnlichen Bildern zu unterscheiden.

Über diese Methode können wir zwar Vorhersagen erzielen, jedoch können diese niemals
die Ergebnisgüte von Supervised Learning erreichen.

3. Semi-supervised Learning

Kann uns unser Kunde eine kleine Menge an gelabelten Daten und eine große Menge an nicht gelabelten Daten zur Verfügung stellen, wenden wir Semi-supervised Learning an. Diese Datenlage begegnet uns in der Praxis tatsächlich am häufigsten. Bei fast allen KI Projekten stehen einer kleinen Menge an gelabelten Daten ein Großteil an unstrukturierten
Daten gegenüber.

Mit Semi-supervised Learning können wir beide Datensätze für das Training verwenden. Das gelingt zum Beispiel durch die Kombination von Contrastive Learning und Supervised Learning. Dabei trainieren wir ein KI Modell mit den gelabelten Daten, um Vorhersagen für Raumkategorien zu erhalten. Gleichzeitig lassen wir es Ähnlichkeiten und Unähnlichkeiten in den ungelabelten Daten erlernen und sich daraufhin selbst optimieren. Auf diese Weise können wir letztendlich auch gute Label-Vorhersagen für neue, ungesehene Bilder erzielen.

Fazit: Supervised vs. Unsupervised vs. Semi-supervised

Supervised Learning wünscht sich jeder, der mit einem KI Projekt betraut ist. In der Praxis ist das kaum anwendbar, da selten sämtliche Trainingsdaten gut strukturiert und gelabelt vorliegen.

Wenn nur unstrukturierte und ungelabelte Daten vorhanden sind, dann können wir mit Unsupervised Learning immerhin Informationen aus den Daten gewinnen, die unser Kunde so nicht hätte. Im Vergleich zu Supervised Learning ist aber die Ergebnisqualität deutlich schlechter.

Mit Semi-Supervised Learning versuchen wir das Datendilemma, also kleiner Teil gelabelte, großer Teil ungelabelte Daten, aufzulösen. Wir verwenden beide Datensätze und können gute Vorhersage-Ergebnisse erzielen, deren Qualität dem Supervised Learning oft ebenbürtig sind.

Dieser Artikel entstand in Zusammenarbeit zwischen DATANOMIQ, einem Unternehmen für Beratung und Services rund um Business Intelligence, Process Mining und Data Science. und pixolution, einem Unternehmen für AI Solutions im Bereich Computer Vision (Visuelle Bildsuche und individuelle KI Lösungen).

Wie Maschinen uns verstehen: Natural Language Understanding

Foto von Sebastian Bill auf Unsplash.

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.

Vorstellung des Verbundforschungsprojekts “What can AI do for me?”

Dieser Artikel ist eine Zusammenfassung der Ergebnisse einer Studie namens “What can AI do for me?” (www.whatcanaidoforme.com) Ansprechpartnerin für dieses Projekt ist Frau Carina Weber, Mitarbeiterin der Hochschule der Medien in Stuttgart.

Hintergrund zur Studie: Zu dem Thema Anwendung von Künstliche Intelligenz und ihrem Potenzial für die Wertschöpfung von Unternehmen gibt es bereits einige wenige Studien. Die wenigen Forschungsarbeiten stellen positive Auswirkungen, wie Produktoptimierung, Kosteneinsparung durch Optimierung des Ressourcenmanagements, Steigerung der allgemein Unternehmensperformance, etc. fest. Allerdings bleibt unerforscht welchen individuellen Beitrag spezifische Anwendungsfälle leisten. Dieses Wissen wird jedoch für strategische Entscheidungen bezüglich der Implementierung von AI benötigt, um beispielsweise den ROI von AI-Projekten schätzen zu können. Dazu soll die vorliegende Studie Einsicht bringen.

Darüberhinaus wurden die Ergebnisse genutzt um im Rahmen des Verbundforschungsprojekts What Can AI Do For Me? eine AI-basierte Matching-Plattform zu entwickeln. Eine bis jetzt einzigartige Anwendung, mittels derer Unternehmen individuelle AI-Anwendungsfälle mit ihren jeweiligen Potenzialen kennenlernen und sich direkt mit Lösungsanbietern verknüpfen lassen können.

Beispiele: Praktische Anwendung von AI – Mit welchen Herausforderungen sehen sich Unternehmen konfrontiert?

Schon heute stellt Artificial Intelligence, folgend abgekürzt mit AI, im unternehmerischen

Sinne eine Schlüsseltechnologie dar. Es stellt sich jedoch die Frage, inwieweit sich die Technologien rund um AI tatsächlich auf die essentiellen Unternehmensziele auswirken und mit welchen Hindernissen sich die Unternehmen bei der Implementierung konfrontiert sehen.

In der AI Value Creation Studie des Forschungsprojekts “What can AI do for me” ist man mit Unterstützung von Expertinnen und Experten, sowohl auf Anwenderseite, als auch auf der von Nutzerinnen und Nutzer, dieser Fragestellung, durch eine qualitative und quantitative Forschung nachgegangen.

Unsicher beim Einsatz von AI? Die Studie bietet Orientierungshilfe

Das Institute of Applied Artificial Intelligence (IAAI) der Hochschule der Medien entwickelt im Rahmen des oben genannten Verbundforschungsprojekts zusammen mit der thingsTHINKING GmbH und der KENBUN IT AG eine AI-basierte Matching-Plattform, mittels derer Unternehmen geeignete Anwendungsmöglichkeiten und Lösungsunternehmen finden können. Gefördert wurde das Projekt im Jahr 2021 über den KI-Innovationswettbewerb des Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg und erhielt zusätzliche Unterstützung von bekannten AI-Initiativen und Verbänden. So konnte am 19. Oktober die Inbetriebnahme der Beta-Version erfolgreich gestartet werden. Sie steht seitdem unter der Domain WhatCanAIDoForMe.com kostenfrei zur Verfügung.

Die Basis der Annahmen der Matching-Plattform bilden die Ergebnisse der AI Value Creation Studie des IAAI der Hochschule der Medien. Im Verlauf der qualitativen Forschung konnten über 90 verschiedene AI Use Cases aus der Unternehmenspraxis in über 40 Interviews mit Expertinnen und -experten vielfältigster Branchen identifiziert werden. Die erhobenen Use Cases wurden in insgesamt 19 Use Case Cluster strukturiert, um eine bessere Vergleichbarkeit zu schaffen und gleichzeitig vielfältige Anwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

Es wird eine Orientierungshilfe für Unternehmen geschaffen, über die sie einen Überblick erlangen können, in welchen Unternehmensfunktionen AI bereits erfolgreich eingesetzt wird.

Des Weiteren sollen durch die Studie Potenziale von AI in Bezug auf die Wertschöpfung, im Sinne einer möglichen Umsatz-, Unternehmenswertsteigerung sowie Kostensenkung, erhoben und Hindernisse bei der Realisierung von AI Use Cases erkannt werden. Zuletzt sollen Unternehmen dazu befähigt werden Stellschrauben zu identifizieren, an welchen sie ansetzen müssen, um AI erfolgreich im Unternehmen einzusetzen.

Im Rahmen der erhobenen Studie wurde einerseits eine Dominanz der AI Use Cases im Bereich der Produktion und Supply Chain, Marketing und Sales sowie im Kundenservice deutlich. Andererseits konnten vielzählige Use Cases ermittelt werden, die crossfunktional in Unternehmen eingesetzt werden können und somit wiederkehrende Tätigkeiten, wie AI-gestützte Recherche in Datenbanken oder Sachbearbeitung von Dokumenten, in Unternehmen unterstützen.

Variierendes Wertschöpfungspotenzial je nach Einsatzbereich und Aufgabe

Gerade bei Use Cases mit AI-Anwendungen, die über verschiedeneUnternehmensfunktionen hinweg eingesetzt werden können, ist die Einschätzung des Wertschöpfungspotenzials abhängig von der individuellen Aufgabe und dem Anwendungsbereich und demnach sehr divers.

Über alle erhobenen Use Cases hinweg tendieren die befragten Personen dazu das Wertschöpfungspotenzial zur Kostenreduktion am höchsten einzuschätzen. Dieses Phänomen kann dadurch erklärt werden, dass ineffiziente Prozesse schnell zu höheren Kosten führen, bei einer beschleunigten, zuverlässigeren Ausführung durch AI das Potenzial zur Kostenersparnis schnell ersichtlich werden kann. Dadurch wurde dieses Wertschöpfungspotenzial im Vergleich zu Umsatz- und Unternehmenswertsteigerung auch häufiger von Expertinnen und Experten identifiziert. Zusätzlich zu diesen Erkenntnissen wurden in Interviews weitere Aspekte bzw. Ziele des

AI-Einsatzes in den Unternehmen abgefragt, die sich abseits schon genannten Wertschöpfungspotenziale indirekt auf die Wertschöpfung und den Unternehmenserfolg auswirken. So wurden neben Prozessoptimierung, die Steigerung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit, die Verbesserung des Unternehmensimages und eine Steigerung der Unternehmensattraktivität genannt.

Fehlende Daten, fehlendes Personal – die Hindernisse bei der Implementierung

In der qualitativen Studie wurden neben den Potenzialen von AI auch Hindernisse und Herausforderungen. Durch eine genaue Systematisierung und Analyse wurde deutlich: der Mangel an Daten, personellen und finanziellen Ressourcen und das fehlendes Mindset machen den Unternehmen zu schaffen. Um diese Ergebnisse besser beurteilen und einschätzen zu können wurden Branchenexpertinnen und -experten gebeten, die ermittelten Herausforderungen im Rahmen einer quantitativen Studie zu bewerten. Die Stichprobe besteht aus Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in beratender Funktion bei AI-Projekte, Managerinnen und Manager mit Entscheidungsfunktion auf diesem Gebiet sowie Unternehmensberaterinnen  und -berater aus Beratungsfirmen mit Fokus auf AI-Projekten.

Sehr deutlich wurde hierbei der allgegenwärtige Mangel an Fachpersonal, der von weit mehr als der Hälfte der Befragten angegeben wurde. Zudem ist die gegebenen Datenqualität oft nur unzureichend und es fehlt an AI-Strategien, was sehr große Hindernisse angesehen wurden. Im Vergleich hierzu waren Hindernisse wie ein mangelnder Reifegrad der AI-Technologien und offene Rechtsfragen nur von etwas mehr als einem Drittel der Befragten angegeben worden. Was natürlich zum einen deutlich macht, dass zwar verschiedene Herausforderungen bei der AI-Implementierung gibt, es aber oft in den Händen der Unternehmen liegt inwieweit diese überwunden werden.

Weiterführende Informationen zum Forschungsbericht und dem Projekt

Weitere Ergebnisse und Informationen zur Forschungsmethode können dem Forschungsbericht der Autoren Prof. Dr. Jürgen Seitz, Katharina Willbold, Robin Haiber und Alicia Krafft entnommen werden. Dieser kann vollständig kostenlos unter https://www.hdm-stuttgart.de/iaai_download/ eingesehen werden. Weiterhin steht die AI-basierte Matching-Plattform WhatCanAIDoForMe? des IAAI der Hochschule der Medien, der thingsTHINKING Gmbh und der KENBUN IT AG kostenfrei zur Anwendung bereit.

Hier werden Unternehmen ausgehend von einer Beschreibung zur Problemstellung ihres Business Cases über ein semantisches Matching passende AI-Anwendungsfälle vorgeschlagen. Darüber hinaus wird ein numerisches Wertschöpfungspotenzial aus Basis einer Expertinnen-/ Expertenmeinung angezeigt. Dieses kann als ein erster Indikator für eine Bewertung des AI-Vorhabens herangezogen werden.

Unter der Domain WhatCanAIDoForMe.com kann die Plattform aufgerufen werden.

Autoren

Jürgen Seitz
Dr. Jürgen Seitz ist einer der führenden Professoren im Bereich Digitalisierung in Deutschland. Als Mitbegründer, Geschäftsführer und Beirat hat er geholfen, mehrere erfolgreiche digitale Unternehmen aufzubauen und zu skalieren. Seine beruflichen Stationen umfassten u.A. Microsoft, WEB.DE und die United Internet Gruppe (1&1). Heute forscht und lehrt er an der Hochschule der Medien in Stuttgart in den Bereichen Digital Marketing und Digital Business. Er ist außerdem Gründungsprofessor am Institute for Applied Artificial Intelligence (IAAI), Herausgeber der Digital Insights Studienreihe und engagiert sich für die Digitalisierung von NGOs.
Alicia Krafft
Alicia Krafft, Studentin an der Hochschule der Medien in Stuttgart, absolviert derzeit ihr Masterstudium in Unternehmenskommunikation mit den Schwerpunkten Digitale Medien und Marketing sowie Web Analytics. In den letzten Jahren half sie digitale Kommunikationsstrategien für diverse Unternehmen zu entwickeln und umzusetzen, u.a. für die ARENA2036, ein Forschungscampus der Universität Stuttgart, und zuletzt für das Forschungsteam rund um Dr. Jürgen Seitz.

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.

Künstliche Intelligenz und Vorurteil

Kaum ein anderes technologisches Thema heutzutage wird hinsichtlich gesellschaftlicher Auswirkungen so kontrovers diskutiert wie das der Künstlichen Intelligenz (KI). Während das Wörtchen „KI“ bei den einen Zukunftsvisionen hervorruft, in welchen technologischer Fortschritt menschliche Probleme wie Hunger, Krankheit und Klimawandel reduziert hat, zeichnen andere düstere Bilder von Orwell‘schen Überwachungsstaaten und technologischen Apokalypsen.

Starke, schwache KI

Es ist die Unschärfe des Begriffes „KI“, welcher eine derart große Bandbreite an Zukunftsszenarien ermöglicht. Für diejenigen, welche sich an solch spekulativen Debatten beteiligen, beutet KI „starke KI“ – eine künstliche Intelligenz, deren intellektuellen Fähigkeiten die eines Menschen erreichen oder gar übertreffen. Und so spannend die Diskussion über starke KI auch ist – sie ist reine Spekulation. Heute existierende KI ist weit, sehr weit von starker KI entfernt. Worüber wir heutzutage verfügen ist die sogenannte „schwache KI“ – Algorithmen, die spezifische Anwendungsprobleme (z.B. Bilderkennung, Spracherkennung, Übersetzung, Go spielen) lösen können. Und das mitunter sehr viel besser als Menschen.

Wo heutzutage „KI“ draufsteht, sind innen überwiegend Algorithmen aus dem Bereich des maschinellen Lernens (allen voran Deep Learning) am Werk. Diese Algorithmen können selbständig die Vorgehensweise erlernen, die zum Beispiel nötig ist, um einen gegebenen Input (z.B. ein Bild) auf einen gegebenen Output (z.B. eine Kategorie, welche den Bildinhalt beschreibt) abzubilden. Aber selbst diese „schwache KI“ birgt beträchtliches Potential – denken wir an mögliche Verbesserungen z.B. im Bereich der Medizin, Logistik, Verkehrssicherheit oder Energie- und Ressourcennutzung! Angesichts der Chancen, heutige Prozesse und Anwendungen zu verbessern, haben wir allen Grund, dem Einsatz von KI aufgeschlossen gegenüber zu stehen. Vorausgesetzt natürlich, dass KI verantwortungsvoll, „ethisch“ und sicher eingesetzt wird.

KI auf Abwegen

Ethische Herausforderungen von KI ergeben sich dabei zum einen durch die Zielsetzung. Wie ein Hammer für den Nagel an der Wand oder für den Hinterkopf eines Gegners verwendet werden kann, kann auch KI für böse Ziele missbraucht werden. Nur, dass KI im Zweifel deutlich größeren Schaden anrichten kann als ein einfacher Hammer. Und so sollten wir angesichts der Risiken dringend international diskutieren, wie wir uns hinsichtlich militärischer Anwendungen von KI verhalten wollen.

Zum anderen dringen besonders aus den USA, in denen KI Algorithmen schon heute in deutlich größerem Ausmaß eingesetzt werden als in Deutschland, immer wieder beunruhigende Nachrichten über voreingenommene KI Algorithmen. Zum ersten fand eine Studie kürzlich heraus, dass kommerziell erhältliche Gesichtserkennungsalgorithmen für Frauen bzw. dunkelhäutige Menschen schlechter funktionieren als für Männer bzw. hellhäutige Menschen. Mit der unschönen Konsequenz, dass es z.B. bei einem Abgleich mit Verbrecherfotos bei Menschen mit dunkler Hautfarbe deutlich häufiger zu falschen Übereinstimmungen kommen kann als bei Menschen heller Hautfarbe. Zum zweiten wurde vor kurzem bekannt, dass eine experimentell von einem großen Technologiekonzern zur Bewertung von Bewerbungen verwendete KI von Frauen stammende Bewerbungen systematisch schlechter bewertete als von Männern stammende Bewerbungen.

Wie KI zu Vorurteilen kommt

Um die Ursachen für vorurteilsbehaftete KI besser zu verstehen, lohnt es sich, einen Blick hinter die Kulissen zu werfen. Denn wie jede Technologie existiert auch KI nicht im luftleeren Raum. Dies lässt sich leicht anhand der Faktoren verdeutlichen, welche zum Erfolg heutiger KI beigetragen haben: bessere Hardware, cleverere Algorithmen und größere Datenmengen. Und gerade diese Daten sind es, durch welche Vorurteile in KI Einzug halten können.

Die Vorstellung von „neutralen Daten“ ist nämlich eine Wunschvorstellung. Im besten Fall spiegeln Daten die Welt wider, in der wir leben.       Eine Welt zum Beispiel, in der in Technologiekonzernen typischerweise deutlich mehr Männer beschäftigt sind als Frauen – was eine auf dem Personalbestand eines Technologiekonzerns trainierte KI dazu veranlassen kann, zu „schlussfolgern“, dass männliche Bewerber im Auswahlverfahren zu bevorzugen sind. Oder eine Welt, in der Länder bzw. gesellschaftliche Schichten innerhalb eines Landes unterschiedlichen Zugang zu modernen Technologien oder auch Bildung haben. Eine Ungleichheit, die sich als Dominanz westlicher Industrienationen in der geografischen Zusammensetzung von zum Training von KI-Algorithmen verwendeter Datensätze auswirken kann. Eine Dominanz, die wiederum zur Folge haben kann, dass derart trainierte KI-Algorithmen besonders gut für Menschen aus westlichen Industrienationen funktionieren. Ganz zu schweigen von der Voreingenommenheit der menschlichen Wahrnehmung, welche die Zusammensetzung von Daten beeinflusst – denken wir an das begrenzte Spektrum der Bilder, welche uns zuerst zu dem Begriff „Genie“ in den Sinn kommen.

Aber nicht nur die verwendeten Trainingsdaten, sondern auch bei der Entwicklung von KI getroffenen Design-Entscheidungen können negative Auswirkungen haben. Wenn bei einem nicht perfekt funktionierenden Bilderkennungsalgorithmus potentiell abwertende Kategorien zur Klassifikation zur Verfügung stehen, kann dies dazu führen, dass – wie in der Vergangenheit geschehen – dunkelhäutige Menschen als Gorillas klassifiziert werden. Wenn bei der Evaluation eines z.B. für die Gesichtserkennung eingesetzten KI-Algorithmus nur die Genauigkeit über alle Bevölkerungsgruppen hinweg berücksichtigt wird, können Ungleichheiten in der Genauigkeit nicht entdeckt werden, was zu Problemen bei der Anwendung führen kann. Denn Nutzer von KI-Algorithmen vermuten zumeist, dass die Algorithmen für alle denkbaren Anwendungszwecke geeignet sind.

Werte statt Wegsehen

Entgegen der verbreiteten Auffassung sind KI Algorithmen also nicht notwendigerweise vorurteilsfrei – sie können menschliche Voreingenommenheit bzw. gesellschaftliche Ungleichheit widerspiegeln. Da Algorithmen anders und in anderem Maß als Menschen eingesetzt werden, kann das bei blauäugiger Verwendung dazu führen, dass bestehende Ungleichheiten nicht nur bestärkt, sondern sogar vergrößert werden. Richtig angewendet können Algorithmen jedoch helfen, implizite und explizite Vorurteile menschlicher Entscheider zu mindern. Denn wie wir durch viele Studien wissen, ist die Liste der kognitiven Verzerrungen, die wir Menschen aufweisen, lang.

Es ist für den verantwortlichen Einsatz von KI in einem sensiblen Kontext somit essenziell, zu wissen, welche „ethischen“ Kriterien KI für den konkreten Anwendungsfall erfüllen muss. So kann sichergestellt werden, dass die KI den Anforderungen entspricht, bevor sie angewendet wird – oder aber, dass sie solange nicht angewendet wird, wie sie den Anforderungen nicht entspricht. Und mittels Transparenz, Überwachung und Feedback-Möglichkeiten lässt sich vermeiden, dass ein selbst-verbessernder KI-Algorithmus im Laufe der Zeit das ihm gesteckte Ziel verfehlt.

Für viele Anwendungsfälle sind derartige ethische Fragen jedoch vernachlässigbar, denken wir zum Beispiel an die Vorhersage von Maschinenausfällen oder die Extraktion strukturierter Daten aus unstrukturierten Dokumenten. Aber es ist nichtsdestotrotz gut und wichtig, Ethik und KI zusammen zu denken. Denn dies ermöglicht es uns, sicherzustellen, dass wir KI auf die bestmögliche Weise einsetzen. Denn das enorme Potential von KI gibt uns die Chance, den Status quo nachhaltig positiv zu verändern – technologisch wie ethisch.

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.

I. Einführung in TensorFlow: Einleitung und Inhalt

 

 

 

1. Einleitung und Inhalt

Früher oder später wird jede Person, welche sich mit den Themen Daten, KI, Machine Learning und Deep Learning auseinander setzt, mit TensorFlow in Kontakt geraten. Für diejenigen wird der Zeitpunkt kommen, an dem sie sich damit befassen möchten/müssen/wollen.

Und genau für euch ist diese Artikelserie ausgelegt. Gemeinsam wollen wir die ersten Schritte in die Welt von Deep Learning und neuronalen Netzen mit TensorFlow wagen und unsere eigenen Beispiele realisieren. Dabei möchten wir uns auf das Wesentlichste konzentrieren und die Thematik Schritt für Schritt in 4 Artikeln angehen, welche wie folgt aufgebaut sind:

  1. In diesem und damit ersten Artikel wollen wir uns erst einmal darauf konzentrieren, was TensorFlow ist und wofür es genutzt wird.
  2. Im zweiten Artikel befassen wir uns mit der grundlegenden Handhabung von TensorFlow und gehen den theoretischen Ablauf durch.
  3. Im dritten Artikel wollen wir dann näher auf die Praxis eingehen und ein Perzeptron – ein einfaches künstliches Neuron – entwickeln. Dabei werden wir die Grundlagen anwenden, die wir im zweiten Artikel erschlossen haben.

Wenn ihr die Praxisbeispiele in den Artikeln 3 & 4 aktiv mit bestreiten wollt, dann ist es vorteilhaft, wenn ihr bereits mit Python gearbeitet habt und die Grundlagen dieser Programmiersprache beherrscht. Jedoch werden alle Handlungen und alle Zeilen sehr genau kommentiert, so dass es leicht verständlich bleibt.

Neben den Programmierfähigkeiten ist es hilfreich, wenn ihr euch mit der Funktionsweise von neuronalen Netzen auskennt, da wir im späteren Verlauf diese modellieren wollen. Jedoch gehen wir vor der Programmierung  kurz auf die Theorie ein und werden das Wichtigste nochmal erwähnen.

Zu guter Letzt benötigen wir für unseren Theorie-Teil ein Mindestmaß an Mathematik um die Grundlagen der neuronalen Netze zu verstehen. Aber auch hier sind die Anforderungen nicht hoch und wir sind vollkommen gut  damit bedient, wenn wir unser Wissen aus dem Abitur noch nicht ganz vergessen haben.

2. Ziele dieser Artikelserie

Diese Artikelserie ist speziell an Personen gerichtet, welche einen ersten Schritt in die große und interessante Welt von Deep Learning wagen möchten, die am Anfang nicht mit zu vielen Details überschüttet werden wollen und lieber an kleine und verdaulichen Häppchen testen wollen, ob dies das Richtige für sie ist. Unser Ziel wird sein, dass wir ein Grundverständnis für TensorFlow entwickeln und die Grundlagen zur Nutzung beherrschen, um mit diesen erste Modelle zu erstellen.

3. Was ist TensorFlow?

Viele von euch haben bestimmt von TensorFlow in Verbindung mit Deep Learning bzw. neuronalen Netzen gehört. Allgemein betrachtet ist TensorFlow ein Software-Framework zur numerischen Berechnung von Datenflussgraphen mit dem Fokus maschinelle Lernalgorithmen zu beschreiben. Kurz gesagt: Es ist ein Tool um Deep Learning Modelle zu realisieren.

Zusatz: Python ist eine Programmiersprache in der wir viele Paradigmen (objektorientiert, funktional, etc.) verwenden können. Viele Tutorials im Bereich Data Science nutzen das imperative Paradigma; wir befehlen Python also Was gemacht und Wie es ausgeführt werden soll. TensorFlow ist dahingehend anders, da es eine datenstrom-orientierte Programmierung nutzt. In dieser Form der Programmierung wird ein Datenfluss-Berechnungsgraph (kurz: Datenflussgraph) erzeugt, welcher durch die Zusammensetzung von Kanten und Knoten charakterisiert wird. Die Kanten enthalten Daten und können diese an Knoten weiterleiten. In den Knoten werden Operationen wie z. B. Addition, Multiplikation oder auch verschiedenste Variationen von Funktionen ausgeführt. Bekannte Programme mit datenstrom-orientierten Paradigmen sind Simulink, LabView oder Knime.

Für das Verständnis von TensorFlow verrät uns der Name bereits erste Informationen über die Funktionsweise. In neuronalen Netzen bzw. in Deep-Learning-Netzen können Eingangssignale, Gewichte oder Bias verschiedene Erscheinungsformen haben; von Skalaren, zweidimensionalen Tabellen bis hin zu mehrdimensionalen Matrizen kann alles dabei sein. Diese Erscheinungsformen werden in Deep-Learning-Anwendungen allgemein als Tensoren bezeichnet, welche durch ein Datenflussgraph ‘fließen’. [1]

Abb.1 Namensbedeutung von TensorFlow: Links ein Tensor in Form einer zweidimensionalen Matrix; Rechts ein Beispiel für einen Datenflussgraph

 

4. Warum TensorFlow?

Wer in die Welt der KI einsteigen und Deep Learning lernen will, hat heutzutage die Qual der Wahl. Neben TensorFlow gibt es eine Vielzahl von Alternativen wie Keras, Theano, Pytorch, Torch, Caffe, Caffe2, Mxnet und vielen anderen. Warum also TensorFlow?

Das wohl wichtigste Argument besteht darin, dass TensorFlow eine der besten Dokumentationen hat. Google – Herausgeber von TensorFlow – hat TensorFlow stets mit neuen Updates beliefert. Sicherlich aus genau diesen Gründen ist es das meistgenutzte Framework. Zumindest erscheint es so, wenn wir die Stars&Forks auf Github betrachten. [3] Das hat zur Folge, dass neben der offiziellen Dokumentation auch viele Tutorials und Bücher existieren, was die Doku nur noch besser macht.

Natürlich haben alle Frameworks ihre Vor- und Nachteile. Gerade Pytorch von Facebook erfreut sich derzeit großer Beliebtheit, da die Berechnungsgraphen dynamischer Natur sind und damit einige Vorteile gegenüber TensorFlow aufweisen.[2] Auch Keras wäre für den Einstieg eine gute Alternative, da diese Bibliothek großen Wert auf eine einsteiger- und nutzerfreundliche Handhabung legt. Keras kann man sich als eine Art Bedienoberfläche über unsere Frameworks vorstellen, welche vorgefertigte neuronale Netze bereitstellt und uns einen Großteil der Arbeit abnimmt.

Möchte man jedoch ein detailreiches und individuelles Modell bauen und die Theorie dahinter nachvollziehen können, dann ist TensorFlow der beste Einstieg in Deep Learning! Es wird einige Schwierigkeiten bei der Gestaltung unserer Modelle geben, aber durch die gute Dokumentation, der großen Community und der Vielzahl an Beispielen, werden wir gewiss eine Lösung für aufkommende Problemstellungen finden.

 

Abb.2 Beliebtheit von DL-Frameworks basierend auf Github Stars & Forks (10.06.2018)

 

5. Zusammenfassung und Ausblick

Fassen wir das Ganze nochmal zusammen: TensorFlow ist ein Framework, welches auf der datenstrom-orientierten Programmierung basiert und speziell für die Implementierung von Machine/Deep Learning-Anwendungen ausgelegt ist. Dabei fließen unsere Daten durch eine mehr oder weniger komplexe Anordnung von Berechnungen, welche uns am Ende ein Ergebnis liefert.

Die wichtigsten Argumente zur Wahl von TensorFlow als Einstieg in die Welt des Deep Learnings bestehen darin, dass TensorFlow ausgezeichnet dokumentiert ist, eine große Community besitzt und relativ einfach zu lesen ist. Außerdem hat es eine Schnittstelle zu Python, welches durch die meisten Anwender im Bereich der Datenanalyse bereits genutzt wird.

Wenn ihr es bis hier hin geschafft habt und immer noch motiviert seid den Einstieg mit TensorFlow zu wagen, dann seid gespannt auf den nächsten Artikel. In diesem werden wir dann auf die Funktionsweise von TensorFlow eingehen und einfache Berechnungsgraphen aufbauen, um ein Grundverständnis von TensorFlow zu bekommen. Bleibt also gespannt!

Quellen

[1] Hope, Tom (2018): Einführung in TensorFlow: DEEP-LEARNING-SYSTEME PROGRAMMIEREN, TRAINIEREN, SKALIEREN UND DEPLOYEN, 1. Auflage

[2] https://www.marutitech.com/top-8-deep-learning-frameworks/

[3] https://github.com/mbadry1/Top-Deep-Learning

[4] https://www.bigdata-insider.de/was-ist-keras-a-726546/