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Einführung in die Welt der Autoencoder

April 1, 2020/in Artificial Intelligence, Big Data, Data Mining, Data Science, Data Science Hack, Deep Learning, Main Category, Python, TensorFlow, Tutorial/by Hoang Tu Nguyen

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

December 27, 2018/in Artificial Intelligence, Main Category/by David Schönleber

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

September 27, 2018/in Artificial Intelligence, Big Data, Data Science, Deep Learning, Insights, Machine Learning, Main Category, Predictive Analytics, Use Case, Visualization/by htwberlin

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 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

September 7, 2018/in Artificial Intelligence, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Python, Tutorial/by Hoang Tu Nguyen

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:

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/

Funktionsweise künstlicher neuronaler Netze

August 31, 2018/in Artificial Intelligence, Business Analytics, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Main Category, Mathematics/by Benjamin Aunkofer

Künstliche neuronale Netze sind ein Spezialbereich des maschinellen Lernens, der sogar einen eigenen Trendbegriff hat: Deep Learning.
Doch wie funktioniert ein künstliches neuronales Netz überhaupt? Und wie wird es in Python realisiert? Dies ist Artikel 2 von 6 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Gleich vorweg, wir beschränken uns hier auf die künstlichen neuronalen Netze des überwachten maschinellen Lernens. Dafür ist es wichtig, dass das Prinzip des Trainings und Testens von überwachten Verfahren verstanden ist. Künstliche neuronale Netze können aber auch zur unüberwachten Dimensionsreduktion und zum Clustering eingesetzt werden. Das bekannteste Verfahren ist das AE-Net (Auto Encoder Network), das hier aus der Betrachtung herausgenommen wird.

Beginnen wir mit einfach künstlichen neuronalen Netzen, die alle auf dem Perzeptron als Kernidee beruhen. Das Vorbild für künstliche neuronale Netze sind natürliche neuronale Netze, wie Sie im menschlichen Gehirn zu finden sind.

Perzeptron

Das Perzeptron (engl. Perceptron) ist ein „Klassiker“ unter den künstlichen neuronalen Netzen. Wenn von einem neuronalen Netz gesprochen wird, ist meistens ein Perzeptron oder eine Variation davon gemeint. Perzeptrons sind mehrschichtige Netze ohne Rückkopplung, mit festen Eingabe- und Ausgabeschichten. Es gibt keine absolut einheitliche Definition eines Perzeptrons, in der Regel ist es jedoch ein reines FeedForward-Netz mit einer Input-Schicht (auch Abtast-Schicht oder Retina genannt) mit statisch oder dynamisch gewichteten Verbindungen zur Ausgabe-Schicht, die (als Single-Layer-Perceptron) aus einem einzigen Neuron besteht. Das eine Neuron setzt sich aus zwei mathematischen Funktionen zusammen: Einer Berechnung der Nettoeingabe und einer Aktivierungsfunktion, die darüber entscheidet, ob die berechnete Nettoeingabe im Brutto nun “feuert” oder nicht. Es ist in seiner Ausgabe folglich binär: Man kann es sich auch als kleines Lämpchen vorstellen, so dass abhängig von den Eingabewerten und den Gewichtungen eine Nettoeingabe (Summe) bildet und eine Sprungfunktion darüber entscheidet, ob am Ende das Lämpchen leuchtet oder nicht. Dieses Konzept der Ausgabeerzeugung wird Forward-Propagation genannt.

Single-Layer-Perceptron

Auch wenn “Netz” für ein einzelnes Perzeptron mit seinem einen Neuron etwas übertrieben wirken mag, ist es doch die Grundlage für viele größere und mehrschichtige Netze.

Betrachten wir nun die Mathematik der Forward-Propagation.

Wir haben eine Menge an Eingabewerten $x_0, x_1 \dots x_n$ . Wobei für $x_0$ als Bias-Input stets gilt: $x_0 = 1,0$ . Der Bias-Input ist nur ein Platzhalter für das wichtige Bias-Gewicht.

$x = \begin{bmatrix} x_0\\ x_1\\ x_2\\ x_3\\ \vdots\\ x_n \end{bmatrix}$

Für jede Eingabevariable wird eine Gewichtsvariable benötigt: $w_0, w_1 \dots w_n$

$w = \begin{bmatrix} w_0\\ w_1\\ w_2\\ w_3\\ \vdots\\ w_n \end{bmatrix}$

Jedes Produkt aus Eingabewert und Gewichtung soll in Summe die Nettoeingabe $z$ bilden. Hier zeigt sich $z$ als lineare mathematische Funktion, die zwei-dimensional leicht als $z = w_0 + w_1 \cdot x_1$ mit $w_0$ als Y-Achsenschnitt wenn $x_1 = 0$ .

$z = w_0 \cdot x_0 + w_1 \cdot x_1 + \dots + w_n \cdot x_n$

Die lineare Funktion wird nur durch die Sprungfunktion als sogenannte Aktivierungsfunktion zu einer binären Klasseneinteilung (siehe hierzu: Machine Learning – Regression vs Klassifikation), denn wenn $z$ einen festzulegenden Schwellwert $\theta$ überschreitet, liefert die Sprungfunktion $\phi$ mit der Eingabe $z$ einen anderen Wert als wenn dieser Schwellwert nicht überschritten wird.

(1) $\begin{equation*} \phi(z) = \begin{cases} 1 & \text{wenn } z \le \theta \\ -1 & \text{wenn } z < \theta \\ \end{cases} \end{equation*}$

Die Definition dieser Aktivierungsfunktion ist der Kern der Klassifikation und viele erweiterte künstliche neuronale Netze unterscheiden sich im Wesentlichen vom Perzeptron dadurch, dass die Aktivierungsfunktion komplexer ist, als eine reine Sprungfunktion, beispielsweise als Sigmoid-Funktion (basierend auf der logistischen Funktion) oder die Tangens hyperbolicus (tanh) -Funktion. Mehr darüber dann im nächsten Artikel dieser Artikelserie, bleiben wir also bei der einfachen Sprungfunktion.

Künstliche neuronale Netze sind im Grunde nichts anderes als viel-dimensionale, mathematische Funktionen, die durch Schaltung als Neuronen nebeneinander (Neuronen einer Schicht) und hintereinander (mehrere Schichten) eine enorme Komplexität erfassen können. Die Gewichtungen sind dabei die Stellschraube, die die Form der mathematischen Funktion gestaltet, aus Geraden und Kurven, um eine Punktwolke zu beschreiben (Regression) oder um Klassengrenzen zu identifizieren (Klassifikation).

Eine andere Sichtweise auf künstliche neuronale ist die des Filters: Ein künstliches neuronales Netz nimmt alle Eingabe-Variablen entgegen (z. B. alle Pixel eines Bildes) und über ein Training werden die Gewichtungen (die Form des Filters) so gestaltet, dass der Filter immer zu richtigen Klasse (im Kontext der Bildklassifikation: die Objektklasse) führt.

Kommen wir nochmal kurz zurück zu der Berechnung der Nettoeingabe $z$ . Da diese Schreibweise…

$z = w_0 \cdot x_0 + w_1 \cdot x_1 + \dots + w_n \cdot x_n$

… recht anstrengend ist, schreiben Fortgeschrittene der linearen Algebra lieber $z = w^T \cdot x$ .

$z = w^T \cdot x$

Das hochgestellte $T$ steht dabei für transponieren. Transponieren bedeutet, dass Spalten zu Zeilen werden – oder umgekehrt.

Beispielsweise befüllen wir zwei Vektoren $x$ und $w$ mit beispielhaften Inhalten:

Eingabewerte:

$x = \begin{bmatrix} 5\\ 12\\ 30\\ 2 \end{bmatrix}$

Gewichtungen:

$w = \begin{bmatrix} 1\\ 2\\ 5\\ 12 \end{bmatrix}$

Kann nun die Nettoeingabe $z$ berechnet werden, denn der Gewichtungsvektor wird vom Spaltenvektor zum Zeilenvektor. So kann – mathematisch korrekt dargestellt – jedes Element des einen Vektors mit dem zugehörigen Element des anderen Vektors multipliziert werden, die dabei entstehenden Ergebniswerte werden summiert.

$z = w^T \cdot x = \big[1\text{ }2\text{ }5\text{ }12\big] \cdot \begin{bmatrix} 5\\ 12\\ 30\\ 2 \end{bmatrix} = 1 \cdot 5 + 2 \cdot 12 + 5 \cdot 30 + 12 \cdot 2 = 203$

Zurück zur eigentlichen Aufgabe des künstlichen neuronalen Netzes: Klassifikation! (Regression, Clustering und Dimensionsreduktion blenden wir ja in diesem Artikel als Aufgabe aus 🙂

Das Perzeptron soll zwei Klassen trennen. Dafür sollen alle Eingaben richtig gewichtet werden, so dass die entstehende Nettoeingabe $z$ die Sprungfunktion dann aktiviert, wenn der Datensatz nicht für die eine, sondern für die andere Klasse ausweist.

Da wir es mit einer linearen Funktion $z$ zutun haben, ist die Konvergenz (= Passgenauigkeit des Models mit der Realität) eines Single-Layer-Perzeptrons nur für lineare Trennbarkeit möglich!

Training des Perzeptron-Netzes

Die Aufgabe ist nun, die richtigen Gewichte zu finden – und nicht nur irgendwelche richtigen, sondern genau die optimalen. Die Frage, die sich für jedes künstliche neuronale Netz stellt, ist die nach den richtigen Gewichtungen. Das Training eines Perzeptron ist vergleichsweise einfach, gerade weil es binär ist. Denn binär bedeutet auch, dass wenn eine falsche Antwort gegeben wurde, muss das jeweils andere mögliche Ergebnis korrekt sein.

Das Training eines Perzeptrons funktioniert wie folgt:

Setze alle Gewichtungen auf den Wert 0,00
Mit jedem Datensatz des Trainings
1. Berechne den Ausgabewert $\^{y}$
2. Vergleiche den Ausgabewert $\^{y}$ mit dem tatsächlichen Ergebnis $y$
3. Aktualisiere die Gewichtungen entgegen des Fehlers: $w_i = w_i + \Delta w_i$

Wobei die Gewichtsanpassung $\Delta w_i$ entgegen des Fehlers (bzw. hin zur jeweils anderen möglichen Antwort) geschieht:

$\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j ) \cdot x_i$

Anmerkung für die Experten: Die Schrittweite $\eta$ blenden wir hier einfach mal aus. Bitte einfach von $\eta = 1.0$ ausgehen.

$\Delta w_i$ ist die Differenz aus der Prädiktion und dem tatsächlichen Ergebnis (Klasse). Alle Gewichtungen werden mit jedem Fehler gleichzeitig aktualisiert. Sind alle Gewichtungen aktualisiert, kommt der nächste Durchlauf (erneuter Vergleich zwischen $\^{y}$ und $y$ ), nicht zu vergessen ist dabei natürlich die Abhängigkeit von den Eingabewerten x:

$\Delta w_0 = (\^{y}_j - y_j ) \cdot x_0$

$\Delta w_2 = (\^{y}_j - y_j ) \cdot x_1$

$\Delta w_2 = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_2$

$\Delta w_n = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_n$

Training eines Perzeptrons

Das Training im überwachten Lernen basiert immer auf der Idee, den Ausgabe-Fehler (die Differenz zwischen Prädiktion und tatsächlich korrektem Ergebnis) zu betrachten und die Klassifikationslogik an den richtigen Stellschrauben (bei neuronalen Netzen sind das die Gewichtungen) entgegen des Fehlers anzupassen.

Richtige Klassifikations-Situationen können True-Positives und True-Negatives darstellen, die zu keiner Gewichtsanpassung führen sollen:

True-Positive -> Klassifikation: 1 | korrekte Klasse: 1

$\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_i = (1 - 1) \cdot x_i = 0$

True-Negative-> Klassifikation: -1 | korrekte Klasse: -1

$\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_i = (-1 - -1) \cdot x_i = 0$

Falsche Klassifikationen erzeugen einen Fehler, der zu einer Gewichtsanpassung entgegen des Fehlers führen soll:

False-Positive -> Klassifikation: 1 | korrekte Klasse: -1

$\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_i = (1 - -1) \cdot x_i = 2 \cdot x_i$

False-Negative -> Klassifikation: -1 | korrekte Klasse: 1

$\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_i = (-1 - 1) \cdot x_i = -2 \cdot x_i$

Imaginäres Trainingsbeispiel eines Single-Layer-Perzeptrons (SLP)

Nehmen wir an, dass $x_1 = 0,5$ ist und das SLP irrtümlicherweise die Klasse $\^{y_1} = -1$ ausgewiesen hat, obwohl die korrekte Klasse $y_1 = +1$ wäre. (Und die Schrittweite lassen wir bei $\eta = 1,0$ )

Dann passiert folgendes:

$\Delta w_1 = (\^{y}_1 - y_1) \cdot x_1 = (-1 - 1) \cdot 0,5 = -2,0 \cdot 0,5 = -1,0$

Die Gewichtung $w_1$ verringert sich entsprechend $w_1 = w_1 + \Delta w_1 = w_1 - 1,0$ und somit wird die Wahrscheinlichkeit größer, dass wenn bei der nächsten Iteration ( $j=1$ ) wieder die Klasse +1 korrekt sei, den Schwellwert $\phi(z)$ zu unterschreiten und auf eben diese korrekte Klasse zu stoßen.

Die Aktualisierung der Gewichtung $\Delta w_i$ ist proportional zu $x_i$ . So würde beispielsweise ein neues $x_1=2,0$ (bei Iteration $j=2$ ) zu einer irrtümlichen Klassifikation $\^(y_2) = -1$ ( $y_2 = +1$ ) führen, würde die Entscheidungsgrenze zur korrekten Prädiktion der Klasse beim nächsten Durchlauf ( $j = 3$ ) an $w_1$ noch weiter in die gleiche Richtung verschoben werden:

$\Delta w_1 = (\^{y}_2 - y_2) \cdot x_1 = (-1 - 1) \cdot 2,0 = -2,0 \cdot 2,0 = -4,0$

Mehr zum Training von künstlichen neuronalen Netzen ist im nächsten Artikel dieser Artikelserie zu erfahren.

Single-Layer-Perzeptrons (SLP) – Beispiel mit der boolischen Trennung

Verlassen wir nun das Training des Perzeptrons und gehen einfach mal davon aus, dass die idealen Gewichte schon gefunden wurden und schauen uns nun an, was ein Perzeptron alles (nicht) kann. Denn nicht vergessen, es soll eigentlich Klassen unterscheiden bzw. die dafür nötigen Entscheidungsgrenzen finden.

Boolische Operatoren unterscheiden Fälle nach boolischen Werten. Sie sind ein beliebtes “Hello World” für die Einarbeitung in die lineare Entscheidungslogik eines Perzeptrons. Es gibt drei grundlegende boolische Vergleichsoperatoren: AND, OR und XOR

x1	x2	AND	OR	XOR
0	0	0	0	0
0	1	0	1	1
1	0	0	1	1
1	1	1	1	0

Ein Perzeptron zur Lösung dieser Aufgabe bräuchte also zwei Dimensionen (+ Bias): $x_1$ und $x_2$
Und es müsste Gewichtungen haben, die dafür sorgen, dass die Vorhersage entsprechend der Logik AND, OR oder XOR mit $\^{y} = \phi(z) = \phi (w_0 \cdot 1 + w_1 \cdot x_1 + w_2 \cdot x_2)$ funktioniert.

Dabei ist es wichtig, dass wir auch phi $\phi$ als Sprungfunktion definieren. Sie könnte beispielsweise so aussehen, dass sie auf den Wert $\phi(z) = 1$ springt, wenn z > 0 ist, ansonsten aber $\phi(z) = 0$ bleibt.

Das Netz und die Gewichtungen (w-Setup) könnten für die AND- und die OR-Logik so aussehen:

Die Gewichtungen funktionieren beim SLP problemlos, denn wir haben es mit linear trennbaren Problemen zutun:

Kleiner Test gefällig? So nehmen wir uns erstmal die AND-Logik vor:

Wenn x1 = 0 und x2 = 0 ist, gilt: $z = -1,5 \cdot 1 + 1 \cdot 0 + 1 \cdot 0 = - 1,5$ ,
wie erhalten als Prädiktion $\phi(z) = \phi(-1,5) = 0$
Wenn x1 = 1 und x2 = 0 ist, gilt: $z = -1,5 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot 0 = - 0,5$ ,
wie erhalten als Prädiktion $\phi(z) = \phi(-0,5) = 0$
Wenn x1 = 1 und x2 = 1 ist, gilt: $z = -1,5 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = + 0,5$ ,
wie erhalten als Prädiktion $\phi(z) = \phi(0,5) = 1$

Scheint zu funktionieren!

Und dann die OR-Logik mit

Wenn x1 = 0 und x2 = 0 ist, gilt: $z = -0,5 \cdot 1 + 1 \cdot 0 + 1 \cdot 0 = - 0,5$ ,
wie erhalten als Prädiktion $\phi(z) = \phi(-0,5) = 0$
Wenn x1 = 1 und x2 = 0 ist, gilt: $z = -0,5 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot 0 = + 0,5$ ,
wie erhalten als Prädiktion $\phi(z) = \phi(0,5) = 1$
Wenn x1 = 1 und x2 = 1 ist, gilt: $z = -0,5 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = + 1,5$ ,
wie erhalten als Prädiktion $\phi(z) = \phi(1,5) = 1$

Super! Jedoch stellt sich nun die Frage, wie das XOR-Problem zu lösen ist, denn das bedingt sowohl die Grenzen von AND als auch jene des OR-Operators.

Multi-Layer-Perzeptron (MLP) bzw. (Deep) Feed Forward (FF) Net

Denn ein XOR kann mathematisch auch so korrekt beschrieben werden: $x_1 \text{ xor } x_2 = (x_1 \text{ and } \neg x_2) \text{ or } (\neg x_1 \text{ and } x_2)$

Testen wir es aus!

Wenn x1 = 0 und x2 = 0 ist, gilt:
$z_1 = w_{10} \cdot 1 + w_{11} \cdot x1 + w_{12} \cdot x2 = -0.5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 - 1,0 \cdot 0 = -0,5$ und somit $\phi(z_1) = \phi(-0,5) = 0$
$z_2 = w_{20} \cdot 1 + w_{21} \cdot x1 + w_{22} \cdot x2 = -0.5 \cdot 1 - 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 0 = -0,5$ und somit $\phi(z_2) = \phi(-0,5) = 0$
$z_3 = w_{30} \cdot 1 + w_{31} \cdot \phi(z_1) + w_{32} \cdot \phi(z_2) = -0,5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 0 = -0,5$ und somit $\phi(z_3) = \phi(-0,5) = 0$
Wenn x1 = 1 und x2 = 0 ist, gilt:
$z_1 = w_{10} \cdot 1 + w_{11} \cdot x1 + w_{12} \cdot x2 = -0.5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 1 - 1,0 \cdot 0 = 0,5$ und somit $\phi(z_1) = \phi(0,5) = 1$
$z_2 = w_{20} \cdot 1 + w_{21} \cdot x1 + w_{22} \cdot x2 = -0.5 \cdot 1 - 1,0 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 = -1,5$ und somit $\phi(z_2) = \phi(-1,5) = 0$
$z_3 = w_{30} \cdot 1 + w_{31} \cdot \phi(z_1) + w_{32} \cdot \phi(z_2) = -0,5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 = 0,5$ und somit $\phi(z_3) = \phi(0,5) = 1$
Wenn x1 = 0 und x2 = 1 ist, gilt:
$z_1 = w_{10} \cdot 1 + w_{11} \cdot x1 + w_{12} \cdot x2 = -0.5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 - 1,0 \cdot 1 = -1,5$ und somit $\phi(z_1) = \phi(-1,5) = 0$
$z_2 = w_{20} \cdot 1 + w_{21} \cdot x1 + w_{22} \cdot x2 = -0.5 \cdot 1 - 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 1 = 0,5$ und somit $\phi(z_2) = \phi(0,5) = 1$
$z_3 = w_{30} \cdot 1 + w_{31} \cdot \phi(z_1) + w_{32} \cdot \phi(z_2) = -0,5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 1 = 0,5$ und somit $\phi(z_3) = \phi(0,5) = 1$
Wenn x1 = 1 und x2 = 1 ist, gilt:
$z_1 = w_{10} \cdot 1 + w_{11} \cdot x1 + w_{12} \cdot x2 = -0.5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 1 - 1,0 \cdot 1 = -1,5$ und somit $\phi(z_1) = \phi(-0,5) = 0$
$z_2 = w_{20} \cdot 1 + w_{21} \cdot x1 + w_{22} \cdot x2 = -0.5 \cdot 1 - 1,0 \cdot 1 + 1,0 \cdot 1 = 0,5$ und somit $\phi(z_2) = \phi(-0,5) = 0$
$z_3 = w_{30} \cdot 1 + w_{31} \cdot \phi(z_1) + w_{32} \cdot \phi(z_2) = -0,5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 0 = -0,5$ und somit $\phi(z_3) = \phi(-0,5) = 0$

Es funktioniert!

Mehrfachklassifikation mit dem Perzeptron

Ein Perzeptron-Netz klassifiziert binär, die Ausgabe beschränkt sich auf 1 oder -1 bzw. 0 oder 1.

Jedoch wird in der Praxis oftmals eine One-vs-All (OvA) bzw. One-vs-Rest (OvR) Klassifikation implementiert. In diesem Fall steht die 1 für die Erkennung einer konkreten Klasse, während alle anderen übrigen Klassen als negativ betrachtet werden.

Um jede Klasse erkennen zu können, werden n Klassifizierer (= n Perzeptron-Netze) benötigt. Jedes Perzeptron-Netz ist auf die Erkennung einer bestimmten Klasse trainiert.

Adaline – Oder: die Limitation des Perzeptrons

Das Perzeptron wird nur über eine Sprungfunktion aktiviert. Das schränkt die Feinabstimmung des Trainings enorm ein. Besser sind Aktivierungen über stetige Funktionen, die dann nämlich differenzierbar (ableitbar) sind. Das ergibt eine konvexe Fehlerfunktion mit einem eindeutigen Minimum. Der Adaline-Algorithmus (ADAptive Linear NEuron) erweitert die Idee des Perzeptrons um genau diese Idee. Der wesentliche Fortschritt der Adaline-Regel gegenüber der des Perzeptrons ist demnach, dass die Aktualisierung der Gewichtungen nicht wie beim Perzeptron auf einer einfachen Sprungfunktion, sondern auf einer linearen, stetigen Aktivierungsfunktion beruht.

Single-Layer-Adaline

Wie ein künstliches neuronales Netz mit der Kategorie Adaline trainiert werden kann, wird im nächsten Artikel dieser Artikelserie erläutert.

Weiterführende Netz-Konzepte (CNN und RNN)

Wer bereits mit Frameworks wie TensorFlow in das Deep Learning eingestiegen ist, hat möglicherweise schon erweiterte Konzepte der künstlichen neuronalen Netze kennen gelernt. Die CNNs (Convolutional Neuronal Network) sind im Moment die Wahl für die Verarbeitung von hochdimensionalen Aufgaben, beispielsweise die Bilderkennung (Computer Vision) und Texterkennung (NLP). Das CNN erweitert die Möglichkeiten mit neuronalen Netzen deutlich, indem ein Netz zur Dimensionsreduktion vorgeschaltet wird, im Kern steckt jedoch weiterhin die Idee der MLPs. Beim Einsatz in der Bilderkennung funktionieren CNNs vereinfacht gesprochen so, dass der vorgeschaltete Netzbereich die Millionen Bildpixel sektorweise ausliest (Convolution, Faltung durch Auslesen über Sektoren, die sich gegenseitig überlappen), verdichtet (Pooling, beispielsweise über nicht-lineare Funktionen wie max()) und dann – nach diesem Prozedere – ähnlich eim MLP klassifiziert.

Eine andere erweiterte Form sind RNNs (Recurrent Neuronal Network), die ebenfalls auf der Idee des MLPs basieren, dieses Konzept jedoch dank Rückverbindungen (Neuronen senden an vorherige Schichten) und Selbstverbindungen (Neuronen senden an sich selbst) wiederum auf den Kopf stellen.

Dennoch ist es für das tiefere Verständnis von CNNs und RNNs essenziell, dass vorher das Konzept des MLPs verstanden ist. Es ist die einfachste Form der auch heute noch am meisten eingesetzten und sehr mächtigen Netz-Topologien.

Im Jahr 2016 hatte Fjodor van Veen von asimovinstitute.org hatte – dankenswerterweise – mal eine Zusammenstellung von Netz-Topologien erstellt, auf die ich heute noch immer mal wieder einen Blick werfe:

Künstliche neuronale Netze – Topologie-Übersicht von Fjodor van Veen

Buchempfehlungen

Die folgenden Bücher nutze ich für mein Selbststudium von Machine Learning und Deep Learning und sind teilweise Gedankenvorlagen auch für diesen Artikel gewesen:


Machine Learning mit Python und Scikit-Learn und TensorFlow: Das umfassende Praxis-Handbuch für Data Science, Predictive Analytics und Deep Learning (mitp Professional)	Deep Learning mit Python und Keras: Das Praxis-Handbuch vom Entwickler der Keras-Bibliothek(mitp Professional)

Interview – Die Bedeutung von Machine Learning für das Data Driven Business

July 25, 2018/in Artificial Intelligence, Big Data, Business Analytics, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Insights, Interviews, Machine Learning/by Benjamin Aunkofer

Um das Optimum aus ihren Daten zu holen, müssen Unternehmen Data Analytics vorantreiben, um Entscheidungsprozesse für Innovation und Differenzierung stärker zu automatisieren. Die Data Science scheint hier der richtige Ansatz zu sein, ist aber ein neues und schnelllebiges Feld, das viele Sackgassen kennt. Cloudera Fast Forward Labs unterstützt Unternehmen dabei sich umzustrukturieren, Prozesse zu automatisieren und somit neue Innovationen zu schaffen.

Alice Albrecht ist Research Engineer bei Cloudera Fast Forward Labs. Dort widmet sie sich der Weiterentwicklung von Machine Learning und Künstlicher Intelligenz. Die Ergebnisse ihrer Forschungen nutzt sie, um ihren Kunden konkrete Ratschläge und funktionierende Prototypen anzubieten. Bevor sie zu Fast Forward Labs kam, arbeitete sie in Finanz- und Technologieunternehmen als Data Science Expertin und Produkt Managerin. Alice Albrecht konzentriert sich nicht nur darauf, Maschinen “coole Dinge” beizubringen, sondern setzt sich auch als Mentorin für andere Wissenschaftler ein. Während ihrer Promotion der kognitiven Neurowissenschaften in Yale untersuchte Alice, wie Menschen sensorische Informationen aus ihrer Umwelt verarbeiten und zusammenfassen.

Read this article in English:
“Interview – The Importance of Machine Learning for the Data Driven Business”

Data Science Blog: Frau Albrecht, Sie sind eine bekannte Keynote-Referentin für Data Science und Künstliche Intelligenz. Während Data Science bereits im Alltag vieler Unternehmen angekommen ist, scheint Deep Learning der neueste Trend zu sein. Ist Künstliche Intelligenz für Unternehmen schon normal oder ein überbewerteter Hype?

Ich würde sagen, nichts von beidem stimmt. Data Science ist inzwischen zwar weit verbreitet, aber die Unternehmen haben immer noch Schwierigkeiten, diese neue Disziplin in ihr bestehendes Geschäft zu integrieren. Ich denke nicht, dass Deep Learning mittlerweile Teil des Business as usual ist – und das sollte es auch nicht sein. Wie jedes andere Tool, braucht auch die Integration von Deep Learning Modellen in die Strukturen eines Unternehmens eine klar definierte Vorgehensweise. Alles andere führt ins Chaos.

Data Science Blog: Nur um sicherzugehen, worüber wir reden: Was sind die Unterschiede und Überschneidungen zwischen Data Analytics, Data Science, Machine Learning, Deep Learning und Künstlicher Intelligenz?

Hier bei Cloudera Fast Forward Labs verstehen wir unter Data Analytics das Sammeln und Addieren von Daten – meist für schnelle Diagramme und Berichte. Data Science hingegen löst Geschäftsprobleme, indem sie sie analysiert, Prozesse mit den gesammelten Daten abgleicht und anschließend entsprechende Vorgänge prognostiziert. Beim Machine Learning geht es darum, Probleme mit neuartigen Feedbackschleifen zu lösen, die sich mit der Anzahl der zur Verfügung stehenden Daten noch detaillierter bearbeiten lassen. Deep Learning ist eine besondere Form des Machine Learnings und ist selbst kein eigenständiges Konzept oder Tool. Künstliche Intelligenz zapft etwas Komplizierteres an, als das, was wir heute sehen. Hier geht es um weit mehr als nur darum, Maschinen darauf zu trainieren, immer wieder dasselbe zu tun oder begrenzte Probleme zu lösen.

Data Science Blog: Und wie können wir hier den Kontext zu Big Data herstellen?

Theoretisch gesehen gibt es Data Science ja bereits seit Jahrzehnten. Die Bausteine für modernes Machine Learning, Deep Learning und Künstliche Intelligenz basieren auf mathematischen Theoremen, die bis in die 40er und 50er Jahre zurückreichen. Die Herausforderung bestand damals darin, dass Rechenleistung und Datenspeicherkapazität einfach zu teuer für die zu implementierenden Ansätze waren. Heute ist das anders. Nicht nur die Kosten für die Datenspeicherung sind erheblich gesunken, auch Open-Source-Technologien wie etwa Apache Hadoop haben es möglich gemacht, jedes Datenvolumen zu geringen Kosten zu speichern. Rechenleistung, Cloud-Lösungen und auch hoch spezialisierte Chip-Architekturen, sind jetzt auch auf Anfrage für einen bestimmten Zeitraum verfügbar. Die geringeren Kosten für Datenspeicherung und Rechenleistung sowie eine wachsende Liste von Tools und Ressourcen, die über die Open-Source-Community verfügbar sind, ermöglichen es Unternehmen jeder Größe, von sämtlichen Daten zu profitieren.

Data Science Blog: Was sind die Herausforderungen beim Einstieg in Data Science?

Ich sehe zwei große Herausforderungen: Eine davon ist die Sicherstellung der organisatorischen Ausrichtung auf Ergebnisse, die die Data Scientists liefern werden (und das Timing für diese Projekte). Die zweite Hürde besteht darin, sicherzustellen, dass sie über die richtigen Daten verfügen, bevor sie mit dem Einstellen von Data Science Experten beginnen. Das kann “tricky” sein, wenn man im Unternehmen nicht bereits über Know-how in diesem Segment verfügt. Daher ist es manchmal besser, im ersten Schritt einen Data Engineer oder Data Strategist einzustellen, bevor man mit dem Aufbau eines Data Science Team beginnt.

Data Science Blog: Es gibt viele Diskussionen darüber, wie man ein datengesteuertes Unternehmen aufbauen kann. Geht es bei Data Science nur darum, am Ende das Kundenverhalten besser zu verstehen?

Nein “Data Driven” bedeutet nicht nur, die Kunden besser zu verstehen – obwohl das eine Möglichkeit ist, wie Data Science einem Unternehmen helfen kann. Abgesehen vom Aufbau einer Organisation, die sich auf Daten und Analysen stützt, um Entscheidungen über das Kundenverhalten oder andere Aspekte zu treffen, bedeutet es, dass Daten das Unternehmen und seine Produkte voranbringen.

Data Science Blog: Die Zahl der Technologien, Tools und Frameworks nimmt zu, was zu mehr Komplexität führt. Müssen Unternehmen immer auf dem Laufenden bleiben oder könnte es ebenso hilfreich sein, zu warten und Pioniere zu imitieren?

Obwohl es generell für Unternehmen nicht ratsam ist, pauschal jede neue Entwicklung zu übernehmen, ist es wichtig, dass sie mit den neuen Rahmenbedingungen Schritt halten. Wenn ein Unternehmen wartet, um zu sehen, was andere tun, und deshalb nicht in neue Entwicklungen investiert, haben sie den Anschluss meist schon verpasst.

Data Science Blog: Global Player verfügen meist über ein großes Budget für Forschung und den Aufbau von Data Labs. Mittelständische Unternehmen stehen immer unter dem Druck, den Break-Even schnell zu erreichen. Wie können wir die Wertschöpfung von Data Science beschleunigen?

Ein Team zu haben, das sich auf ein bestimmtes Set von Projekten konzentriert, die gut durchdacht und auf das Geschäft ausgerichtet sind, macht den Unterschied aus. Data Science und Machine Learning müssen nicht auf Forschung und Innovation verzichten, um Werte zu schaffen. Der größte Unterschied besteht darin, dass sich kleinere Teams stärker bewusst sein müssen, wie sich ihre Projektwahl in neue Rahmenbedingungen und ihre besonderen akuten und kurzfristigen Geschäftsanforderungen einfügt.

Data Science Blog: Wie hilft Cloudera Fast Forward Labs anderen Unternehmen, den Einstieg in Machine Learning zu beschleunigen?

Wir beraten Unternehmen, basierend auf ihren speziellen Bedürfnissen, über die neuesten Trends im Bereich Machine Learning und Data Science. Und wir zeigen ihnen, wie sie ihre Datenteams aufbauen und strukturieren können, um genau die Fähigkeiten zu entwickeln, die sie benötigen, um ihre Ziele zu erreichen.

Data Science Blog: Zum Schluss noch eine Frage an unsere jüngeren Leser, die eine Karriere als Datenexperte anstreben: Was macht einen guten Data Scientist aus? Arbeiten sie lieber mit introvertierten Coding-Nerds oder den Data-loving Business-Experten?

Ein guter Data Scientist sollte sehr neugierig sein und eine Liebe für die Art und Weise haben, wie Daten zu neuen Entdeckungen und Innovationen führen und die nächste Generation von Produkten antreiben können. Menschen, die im Data Science Umfeld erfolgreich sind, kommen nicht nur aus der IT. Sie können aus allen möglichen Bereichen kommen und über die unterschiedlichsten Backgrounds verfügen.

Interview mit Prof. Carsten Felden über Artificial Intelligence und Cognitive Computing

May 28, 2018/in Insights, Interview mit CIO, Interviews/by Benjamin Aunkofer

Wird Artificial Intelligence oder Cognitive Computing oder beides zusammen der Standard, den alle haben müssen?

Prof. Dr. Carsten Felden ist Vorsitzender des Vorstandes des TDWI e.V., der größten Community für Analytics und Buisness Intelligence.. Er ist selbst Experte und Consultant für Business Intelligence und für diesen Fachbereich Lehrstuhlinhaber an der TU Bergakademie Freiberg.

Data Science Blog: Herr Prof. Felden, welcher Weg hat Sie bis an die Spitze des erfolgreichsten deutschen Verbandes für Analytics und Business Intelligence geführt?

Ich möchte die Beantwortung gerne umdrehen: Der TDWI ist ein Verein, in dem sich jeder als Mitglied engagieren darf und soll. Und da die Themen mir Freude bereiten und immer wieder neue Facetten zeigen, bin ich auch mit Begeisterung dabei und trage dies gerne in den Verein. Zu diesen Themen bin ich über mein Studium der Wirtschaftswissenschaft gelangt, in dem ich Wirtschaftsinformatik und Logistik vertiefte. Bei Professor Chamoni bot sich mir 2002 die Gelegenheit zur Promotion, in der ich mittels Text Mining ein Analysesystem in Python entwickelte, um Energiemarktentwicklungen zu erklären. Schon während dieser Zeit ergaben sich aber immer wieder Fragestellungen, welche die Entscheidungsfindung an sich betrafen. Dies interessierte mich in den vielen Facetten, so dass ich eine Habilitationsschrift anschloss, um den Entscheidungsprozess näher von der theoretischen Seite zu beleuchten. Dabei nahm ich Datenanalyseprozesse als Grundlage, um deren Wirkung auf menschliche Entscheidungsträger zu betrachten. Mit der Übernahme meiner Professur in 2006 baute ich einen kompetenzcenterorientierten Lehrstuhl auf, der sich zum Ziel setzte zu untersuchen, wie man realistisch mit Daten arbeiten kann, was man mit Daten tun kann. Dies in unterschiedlichen Welten: dem internationalen High-Tech-Konzern, dem Mittelständler als Hidden Champion oder dem kleineren Unternehmen. Insbesondere die Verbindung von Theorie und Praxis hat immer wieder die universitäre Lehre befruchtet und diese wollte ich auch in den Verein tragen. Im Rahmen der Veranstaltungen des TDWI habe ich immer viele neue Dinge oder realistische Einschätzungen aktuell diskutierter Dinge erhalten und wollte letztlich diese auch aus meinen Projekterfahrungen in die dortigen Diskussionen in unterschiedlichen Veranstaltungen zurückbringen. Das ich nun Vorsitzender dieses Vereins sein darf ist aber den Mitgliedern zu verdanken, die Vertrauen in mich setzten, den Weg des Vereins weiter voran zu treiben und meinen Vorstandskollegen, ohne deren Arbeit und Unterstützung meine Tätigkeit nichts wert wäre. Es ist der Verein als Ganzes, der den Mehrwert bietet und nicht einzelne Personen.

Data Science Blog: Wie weit ist die Industrie mittlerweile beim Einsatz von AI, also künstlicher Intelligenz?

Eine eindeutige Antwort ist hier gar nicht möglich. Allein schon die Deutung des Begriffs in der Praxis, macht es manchmal schwer, zwischen echten und unechten AI-Projekten zu unterscheiden. Letztlich kann man aber abgrenzend sagen, dass AI die automatisierte Entscheidung ermöglicht und nicht bei der Entscheidungsunterstützung für einen menschlichen Aufgabenträger endet. Egal, ob es nun ein echte oder ein unechtes AI-Projekt ist, es gilt, dass Daten entsprechend zu identifizieren, zu extrahieren und ggf. zu transformieren und final bereitzustellen sind. Nun soll aber nicht der Manager mit seinem fachlichem Know How (=Bauchgefühl) diese Informationen zur Entscheidung nutzen, sondern die Maschine übernimmt auch diesen Part (ohne Bauchgefühl) basierend auf Algorithmen. Man darf den Begriff der Entscheidung nicht immer mit einer besonderen Tragweite verbinden, da schon das einfache Signal einer Maschine: „Ich bin frei, ich habe Zeit, ich kann das jetzt tun!“ ist eine Entscheidung.
Um auch noch kurz auf die Abgrenzung zu den unechten Projekten einzugehen: hier erlebe ich immer wieder, dass AI mit künstlichen neuronalen Netzen gleichgesetzt wird. Natürlich kann man solche Netze hier nutzen, aber letztlich geht es nur darum, den Entscheidungsprozess in unterschiedlichen Situationen zu automatisieren. Zu diesem Zweck muss man prüfen, wo das sinnhaft möglich ist, da es nicht das Ziel sein kann, alles ohne Wenn und Aber zu automatisieren. In technisch-affinen Unternehmen sehen wir schon einige Umsetzungen, die über den Pilot-Status hinaus sind. Beispielhaft zu nennen sind da vollautomatisierte Fertigungen, insofern der Herstellungsprozess reihenfolgeunabhängig ist oder aber Controllingprozesse. Im Kern sind es aktuell noch Tätigkeiten, die keinen ausgeprägten kreativen Kern beinhalten, aber ein hohes Maß an Kommunikation zwischen den Beteiligten Systemelementen erfordern. In Summe gibt es ein breites Interesse und schon viele Orientierungsbeispiele, die dazu führen werden, dass diese Projekte intensiver zunehmen werden.

Data Science Blog: Wie grenzen Sie eigentlich Artificial Intelligence und Cognitive Computing voneinander ab? Wo liegen die Unterschiede?

Letztlich kann ich hier zum vorherigen ergänzen: beim Cognitive Computing handelt es sich um die Fortführung der wissensbasierten Systeme beziehungsweise der Expertensysteme. Der enorme und damit auch beeindruckende Unterschied zu den Vorläufern ist die Fähigkeit des Lernens im Sinne einer inhaltlichen Weiterentwicklung der vorhandenen Wissensbasis, die nun wesentlich ausgeprägter ist und auch automatisiert in entsprechenden Wissensdomänen stattfinden kann. AI kann einerseits zum Lernen des Systems beitragen, andererseits das gelernte für die automatisierte Entscheidung anwenden. Beide Ansätze nutzen und befruchten sich also gegenseitig.

Data Science Blog: Welche Trends im Bereich Machine Learning bzw. Deep Learning werden Ihrer Meinung nach in den Jahren 2018 und 2019 von Bedeutung werden?

Da möchte ich direkt zu unserer diesjährigen Konferenz in München herüber schwenken. Traditionell finden wir dort die Trends der nächsten Jahre schon in Vorträgen und Diskussionen.
Insgesamt beobachten wir eine starke Entwicklung hin zur Analyse unstrukturierter Daten. Machine Learning wird zunehmend intensiv in textuellen Analysen genutzt, um zum Beispiel eine E-Mail-Kategorisierung beziehungsweise Reaktion auf eine E-Mail zu automatisieren. Darüber hinaus ist die Verarbeitung von Bildern mit Ansätzen des Deep Learning ein zunehmender Trend. Dies in Szenarios wie die Fehlererkennung in der Herstellung oder dem Erkennen des Anwenders und dahingehend automatischen Anpassung seiner vorliegenden Systemlösung mit den passenden Inhalten. Sie sehen also, dass alle Facetten der algorithmischen Datenanalyse bedeutend werden. Dabei stellen wir aber auch fest, dass der klassischen Hausaufgaben, wie Datenintegration, Datenqualitätssicherung, Datenbereitstellung etc. nicht vom Tisch sind, sondern auch immer wieder neu diskutiert werden. Hier kommt aktuell hinzu, Verfahren der künstlichen Intelligenz zu nutzen, um eine dynamische Schemaerzeugung in Zeiten von Data Lakes automatisiert auszuführen, um den Anwendern für die jeweilige Entscheidungssituation Daten bedarfs- und verarbeitungsgerecht zur Verfügung zu stellen. Wir sehen also, dass die Übernahme von Tätigkeiten durch maschinellen Aufgabenträger der treibende Faktor ist, was dann mittels Machine Learning bzw. Deep Learning umsetzbar ist.

Data Science Blog: In wie weit wird der Begriff „Business Intelligence“ Ihrer Meinung nach zukünftig erhalten bleiben? Wie nahtlos ließen sich die neuen Möglichkeiten mit künstlicher Intelligenz in BI-Systeme integrieren?

Nun ja, aktuell werden wir mit Schlagworten überflutet, die darüber hinaus noch oftmals mit unterschiedlichen Verständnissen belegt sind, so dass es mehr Verwirrung als Erkenntnis gibt. Wissenschaftlich betrachtet ist Business Intelligence ein allumfassender Begriff, da er lediglich benennt, dass Daten zu sammeln und zu Entscheidungszwecken aufzubereiten sind. Dies subsummiert also auch AI.
In der Praxis ist BI aber eher das alte, starre Berichtswesen und passt dann so gar nicht zu den dynamischen Analyticsansätzen. Hier muss man aber sagen, dass Self Service Ansätze und die zunehmende Flexibilisierung der Architekturen dabei unterstützt, beide Welten zusammenzubringen. Aktuell ist man noch auf dem Niveau, über Schnittstellen bewusst Code auszutauschen. Beispielsweise lässt sich R-Code in vielen BI-Werkzeugen ausführen. Letztlich erleben wir aber alle, dass Geräte immer einfacher zu steuern sind und dadurch Welten auch zusammenfließen und das wird auch hier geschehen, weil es die Anwender einfach so gewohnt sind.

Data Science Blog: Manchmal hört man, dass Data Scientists gerade an ihrer eigenen Arbeitslosigkeit arbeiten, da zukünftige Verfahren des maschinellen Lernens Data Mining selbstständig durchführen können. Werden Tools Data Scientists bald ersetzen?

Die Wirtschaftsinformatik hat das Postulat der sinnhaften Vollautomation. Daher sehe ich es auch hier so, dass man die Punkte beziehungsweise Stellen im Prozess identifizieren muss, wo die Anwendung der Data Science Sinn macht. Darüber hinaus sehe ich den Data Scientist eigentlich nicht als eine Person, sondern als ein Konglomerat an Fähigkeiten, oftmals verteilt über mehrere Abteilungen und damit auch mehrere Personen, die zusammenarbeiten müssen. Die geforderten Fähigkeiten werden sich sicherlich wandeln, jedoch wird Kommunikationsfähigkeit immer der Schlüssel sein und Tools werden dahingehend das Data Science Team nicht ersetzen, sondern immer Mittel zum Zweck im Rahmen der sinnhaften Vollautomation sein.

Data Science Blog: Für alle Studenten, die demnächst ihren Bachelor, beispielsweise in Informatik, Mathematik oder Wirtschaftswissenschaften, abgeschlossen haben, was würden sie diesen jungen Damen und Herren raten, wie sie gute Data Scientists werden können?

Kommunizieren können und neugierig sein. Sie werden alle viel im Rahmen ihrer Ausbildung an fundamentalen Fähigkeiten gelernt haben, aber lassen sie sich auf die Partner im Projekt ein, interessieren sie sich für all das, was auf der fachlichen Ebene geschieht und wie der technische Fortschritt aussieht. Ich kann immer nur wiederholen, dass offene Kommunikation eine wichtige Fähigkeit in Projekten ist, die nicht hoch genug bewertet werden kann. Die TDWI-Konferenz oder all die anderen Formate des Vereins bieten die Möglichkeit, Wissen aufzunehmen, auszutauschen und sich selber mit anderen zu vernetzen. Ich denke wirklich, dass gute Data Scientist derartiges nutzen, um die eigenen Themen bestmöglich angehen zu können, denn das ist der Schlüssel zum Erfolg!

Prof. Felden wird am 25. Juni die TDWI Konferenz in München eröffnen, die unter dem Slogan „Business Intelligence meets Artificial Intelligence“ die neuen Möglichkeiten unter Einsatz künstlicher Intelligenz in den Fokus stellen wird.

Machine Learning vs Deep Learning – Wo liegt der Unterschied?

May 14, 2018/in Artificial Intelligence, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Main Category/by Benjamin Aunkofer

Machine Learning gehört zu den Industrie-Trends dieser Jahre, da besteht kein Zweifel. Oder war es Deep Learning? Oder Artificial Intelligence? Worin liegt da eigentlich der Unterschied? Dies ist Artikel 1 von 6 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Machine Learning

Maschinelles Lernen (ML) ist eine Sammlung von mathematischen Methoden der Mustererkennung. Diese Methoden erkennen Muster beispielsweise durch bestmögliche, auf eine bestmögliche Entropie gerichtete, Zerlegung von Datenbeständen in hierarchische Strukturen (Entscheidungsbäume). Oder über Vektoren werden Ähnlichkeiten zwischen Datensätzen ermittelt und daraus trainiert (z. B. k-nearest-Neighbour, nachfolgend einfach kurz: k-nN) oder untrainiert (z.B. k-Means) Muster erschlossen.

Algorithmen des maschinellen Lernens sind tatsächlich dazu in der Lage, viele alltägliche oder auch sehr spezielle Probleme zu lösen. In der Praxis eines Entwicklers für Machine Learning stellen sich jedoch häufig Probleme, wenn es entweder zu wenige Daten gibt oder wenn es zu viele Dimensionen der Daten gibt. Entropie-getriebene Lern-Algorithmen wie Entscheidungsbäume werden bei vielen Dimensionen zu komplex, und auf Vektorräumen basierende Algorithmen wie der k-nächste-Nachbarn-Algorithmus sind durch den Fluch der Dimensionalität in ihrer Leistung eingeschränkt.

Der Fluch der Dimensionalität

Datenpunkte sind in einem zwei-dimensionalen Raum gut vorstellbar und auch ist es vorstellbar, das wir einen solchen Raum (z. B. ein DIN-A5-Papierblatt) mit vielen Datenpunkten vollschreiben. Belassen wir es bei der Anzahl an Datenpunkten, nehmen jedoch weitere Dimensionen hinzu (zumindest die 3. Dimension können wir uns noch gut vorstellen), werden die Abstände zwischen den Punkten größer. n-dimensionale Räume können gewaltig groß sein, so dass Algorithmen wie der k-nN nicht mehr gut funktionieren (der n-dimensionale Raum ist einfach zu leer).

Auch wenn es einige Konzepte zum besseren Umgang mit vielen Dimensionen gibt (z. B. einige Ideen des Ensemble Learnings)

Feature Engineering

Um die Anzahl an Dimensionen zu reduzieren, bedienen sich Machine Learning Entwickler statistischer Methoden, um viele Dimensionen auf die (wahrscheinlich) nützlichsten zu reduzieren: sogenannte Features. Dieser Auswahlprozess nennt sich Feature Engineering und bedingt den sicheren Umgang mit Statistik sowie idealerweise auch etwas Fachkenntnisse des zu untersuchenden Fachgebiets.
Bei der Entwicklung von Machine Learning für den produktiven Einsatz arbeiten Data Scientists den Großteil ihrer Arbeitszeit nicht an der Feinjustierung ihrer Algorithmen des maschinellen Lernens, sondern mit der Auswahl passender Features.

Deep Learning

Deep Learning (DL) ist eine Disziplin des maschinellen Lernes unter Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen. Während die Ideen für Entscheidungsbäume, k-nN oder k-Means aus einer gewissen mathematischen Logik heraus entwickelt wurden, gibt es für künstliche neuronale Netze ein Vorbild aus der Natur: Biologische neuronale Netze.

Prinzip-Darstellung eines künstlichen neuronalen Netzes mit zwei Hidden-Layern zwischen einer Eingabe- und Ausgabe-Schicht.

Wie künstliche neuronale Netze im Detail funktionieren, erläutern wir in den nächsten zwei Artikeln dieser Artikelserie, jedoch vorab schon mal so viel: Ein Eingabe-Vektor (eine Reihe von Dimensionen) stellt eine erste Schicht dar, die über weitere Schichten mit sogenannten Neuronen erweitert oder reduziert und über Gewichtungen abstrahiert wird, bis eine Ausgabeschicht erreicht wird, die einen Ausgabe-Vektor erzeugt (im Grunde ein Ergebnis-Schlüssel, der beispielsweise eine bestimmte Klasse ausweist: z. B. Katze oder Hund). Durch ein Training werden die Gewichte zwischen den Neuronen so angepasst, dass bestimmte Eingabe-Muster (z. B. Fotos von Haustieren) immer zu einem bestimmten Ausgabe-Muster führen (z. B. “Das Foto zeigt eine Katze”).

Der Vorteil von künstlichen neuronalen Netzen ist die sehr tiefgehende Abstraktion von Zusammenhängen zwischen Eingabe-Daten und zwischen den abstrahierten Neuronen-Werten mit den Ausgabe-Daten. Dies geschieht über mehrere Schichten (Layer) der Netze, die sehr spezielle Probleme lösen können. Aus diesen Tatsachen leitet sich der übergeordnete Name ab: Deep Learning

Deep Learning kommt dann zum Einsatz, wenn andere maschinelle Lernverfahren an Grenzen stoßen und auch dann, wenn auf ein separates Feature Engineering verzichtet werden muss, denn neuronale Netze können über mehrere Schichten viele Eingabe-Dimensionen von selbst auf die Features reduzieren, die für die korrekte Bestimmung der Ausgabe notwendig sind.

Convolutional Neuronal Network

Convolutional Neuronal Networks (CNN) sind neuronale Netze, die vor allem für die Klassifikation von Bilddaten verwendet werden. Sie sind im Kern klassische neuronale Netze, die jedoch eine Faltungs- und eine Pooling-Schicht vorgeschaltet haben. Die Faltungsschicht ließt den Daten-Input (z. B. ein Foto) mehrfach hintereinander, doch jeweils immer nur einen Ausschnitt daraus (bei Fotos dann einen Sektor des Fotos), die Pooling-Schicht reduzierte die Ausschnittsdaten (bei Fotos: Pixel) auf reduzierte Informationen. Daraufhin folgt das eigentliche neuronale Netz.

CNNs sind im Grunde eine spezialisierte Form von künstlichen neuronalen Netzen, die das Feature-Engineering noch geschickter handhaben.

Deep Autoencoder

Gegenwärtig sind die meisten künstlichen neuronalen Netze ein Algorithmen-Modell für das überwachte maschinelle Lernen (Klassifikation oder Regression), jedoch kommen sie auch zum unüberwachten Lernen (Clustering oder Dimensionsreduktion) zum Einsatz, die sogenannten Deep Autoencoder.

Deep Autoencoder sind neuronale Netze, die im ersten Schritt eine große Menge an Eingabe-Dimensionen auf vergleichsweise wenige Dimensionen reduzieren. Die Reduktion (Encoder) erfolgt nicht abrupt, sondern schrittweise über mehrere Schichten, die reduzierten Dimensionen werden zum Feature-Vektor. Daraufhin kommt der zweite Teil des neuronalen Netzes zum Einsatz: Die reduzierten Dimensionen werden über weitere Schichten wieder erweitert, die ursprünglichen Dimensionen als abstrakteres Modell wieder rekonstruiert (Decoder). Der Sinn von Deep Autoencodern sind abstrakte Ähnlichkeitsmodelle zu erstellen. Ein häufiges Einsatzgebiet sind beispielsweise das maschinelle Identifizieren von ähnlichen Bildern, Texten oder akkustischen Signalmustern.

Artificial Intelligence

Artificial Intelligence (AI) oder künstliche Intelligenz (KI) ist ein wissenschaftlicher Bereich, der das maschinelle Lernen beinhaltet, jedoch noch weitere Bereiche kennt, die für den Aufbau einer KI von Nöten sind. Eine künstliche Intelligenz muss nicht nur Lernen, sie muss auch Wissen effizient abspeichern, einordnen bzw. sortieren und abrufen können. Sie muss ferner über eine Logik verfügen, wie sie das Wissen und das Gelernte einsetzen muss. Denken wir an biologische Intelligenzen, ist es etwa nicht so, dass jegliche Fähigkeiten erlernt wurden, einige sind mit der Geburt bereits ausgebildet oder liegen als sogenannter Instinkt vor.

Ein einzelner Machine Learning Algorithmus würde wohl kaum einen Turing-Test bestehen oder einen Roboter komplexe Aufgaben bewältigen lassen. Daher muss eine künstliche Intelligenz weit mehr können, als bestimmte Dinge zu erlernen. Zum wissenschaftlichen Gebiet der künstlichen Intelligenz gehören zumindest:

Machine Learning (inkl. Deep Learning und Ensemble Learning)
Mathematische Logik
- Aussagenlogik
- Prädikatenlogik
- Default-Logik
- Modal-Logik
Wissensbasierte Systeme
- relationale Algebra
- Graphentheorie
Such- und Optimierungsverfahren:
- Gradientenverfahren
- Breitensuche & Tiefensuche

AI(ML(DL))

Buch-Empfehlungen


Grundkurs Künstliche Intelligenz: Eine praxisorientierte Einführung (Computational Intelligence)	Praxiseinstieg Deep Learning: Mit Python, Caffe, TensorFlow und Spark eigene Deep-Learning-Anwendungen erstellen

Einstieg in Deep Learning – Artikelserie

March 1, 2018/in Artificial Intelligence, Books, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Mathematics/by Benjamin Aunkofer

Deep Learning gilt als ein Teilgebiet des maschinellen Lernens (Machine Learning), welches wiederum ein Teilgebiet der künstlichen Intelligenz (Artificial Intelligence) ist. Machine Learning umfasst alle (teilweise äußerst unterschiedliche) Methoden der Klassifikation oder Regression, die die Maschine über ein vom Menschen begleitetes Training selbst erlernt. Darüber hinaus umfasst Machine Learning auch unüberwachte Methoden zum Data Mining in besonders großen und vielfältigen Datenmengen.

Deep Learning ist eine Unterform des maschinellen Lernens und macht im Grunde nichts anderes: Es geht um antrainierte Klassifikation oder Regression. Seltener werden Deep Learning Algorithmen auch als unüberwachter Lernenmechanismus verwendet, zum Lernen von Rauschen zur Erkennung von Mustern (Data Mining). Deep Learning bezeichnet den Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen, die gegenüber anderen Verfahren des maschinellen Lernens häufig überlegen sind und diesen gegenüber auch andere Vor- und Nachteile besitzen.

Im Rahmen dieser Artikelserie erscheinen im Laufe der kommenden Monate folgende Artikel:

Machine Learning vs Deep Learning – Wo liegt der Unterschied?
Funktionsweise künstlicher neuronaler Netze
Training eines Neurons mit dem Gradientenverfahren
Fehler-Rückführung mit der Backpropagation
Künstliches neuronales Netz in Python (erscheint demnächst)
Künstliches neuronales Netz mit dem TensorFlow-Framework (erscheint demnächst)

Buchempfehlungen

Seit 2016 arbeite ich mich in Deep Learning ein und biete auch Seminare und Workshops zu Machine Learning und Deep Learning an, dafür habe ich eine ausführliche Einarbeitung und ein immer wieder neu auflebendes Literaturstudium hinter mir. Unter Anderen habe ich folgende Bücher für mein Selbststudium verwendet und nutze ich auch Auszugsweise für meine Lehre:

Praxiseinstieg Machine Learning mit Scikit-Learn und TensorFlow: Konzepte, Tools und Techniken für intelligente Systeme (Animals)	Neuronale Netze selbst programmieren: Ein verständlicher Einstieg mit Python
Praxiseinstieg Deep Learning: Mit Python, Caffe, TensorFlow und Spark eigene Deep-Learning-Anwendungen erstellen	Machine Learning mit Python und Scikit-Learn und TensorFlow: Das umfassende Praxis-Handbuch für Data Science, Predictive Analytics und Deep Learning (mitp Professional)

Ensemble Learning

December 3, 2017/in Artificial Intelligence, Big Data, Business Analytics, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Main Category/by Benjamin Aunkofer

Stellen Sie sich vor, Sie haben die Frage Ihres Lebens vor sich. Die korrekte Beantwortung dieser Frage wird Ihr Leben positiv beeinflussen, andernfalls negativ. Aber Sie haben Glück: Sie dürfen einen Experten, den Sie auswählen dürfen, um Rat fragen oder Sie dürfen eine annonyme Gruppe, sagen wir 1.000 Personen, um Rat fragen. Welchen Rat würden Sie sich einholen? Die einzelne Experten-Meinung oder die aggriegierte Antwort einer ganzen Gruppe von Menschen?
Oder wie wäre es mit einer Gruppe von Experten?

Ensemble Learning

Beim Einsatz eines maschinellen Lernalgorithmus auf ein bestimmtes Problem kann durchaus eine angemessene Präzision (Accuracy, eine Quote an Prädiktionsergebnissen, die als korrekt einzustufen sind) erzielt werden, doch oftmals reicht die Verlässlichkeit eines einzelnen Algorithmus nicht aus. Algorithmen können mit unterschiedlichen Parametern verwendet werden, die sich bei bestimmten Daten-Situationen verschieden auswirken. Bestimmte Algorithmen neigen zur Unteranpassung (Underfitting), andere zur Überanpassung (Overfitting).

Soll Machine Learning für den produktiven Einsatz mit bestmöglicher Zuverlässigkeit entwickelt und eingesetzt werden, kommt sinnvollerweise Ensemble Learning zum Einsatz. Beim Ensemble Learning wird ein Ensemble (Kollektiv von Prädiktoren) gebildet um ein Ensemble Average (Kollektivmittelwert) zu bilden. Sollte also beispielsweise einige Klassifizierer bei bestimmten Daten-Eingaben in ihren Ergebnissen ausreißen, steuern andere Klassifizierer dagegen. Ensemble Learning kommt somit in der Hoffnung zum Einsatz, dass eine Gruppe von Algorithmen ein besseres Ergebnis im Mittel erzeugen als es ein einzelner Algorithmus könnte.

Ich spreche nachfolgend bevorzugt von Klassifizierern, jedoch kommt Ensemble Learning auch bei der Regression zum Einsatz.

Voting Classifiers (bzw. Voting Regressors)

Eine häufige Form – und i.d.R. auch als erstes Beispiel eines Ensemble Learners – ist das Prinzip der Voting Classifiers. Das Prinzip der Voting Classifiers ist eine äußerst leicht nachvollziehbare Idee des Ensemble Learnings und daher vermutlich auch eine der bekanntesten Form der Kollektivmittelwert-Bildung. Gleich vorweg: Ja, es gibt auch Voting Regressors, jedoch ist dies ein Konzept, das nicht ganz ohne umfassendere Aggregation auf oberster Ebene auskommen wird, daher wäre für die Zwecke der akkurateren Regression eher das Stacking (siehe unten) sinnvoll.

Eine häufige Frage im Data Science ist, welcher Klassifizierer für bestimmte Zwecke die besseren sind: Entscheidungsbäume, Support-Vector-Machines, k-nächste-Nachbarn oder logistische Regressionen?

Warum nicht einfach alle nutzen? In der Tat wird genau das nicht selten praktiziert. Das Ziel dieser Form des Ensemble Learnings ist leicht zu erkennen: Die unterschiedlichen Schwächen aller Algorithmen sollen sich – so die Hoffnung – gegenseitig aufheben. Alle Algorithmen (dabei können auch mehrere gleiche Algorithmen mit jedoch jeweils unterschiedlichen Paramtern gemeint sein, z. B. mehrere knN-Klassifizierer mit unterschiedlichen k-Werten und Dimensionsgewichtungen) werden auf dasselbe Problem hin trainiert.

Bei der Prädiktion werden entweder alle Klassifizierer gleich behandelt oder unterschiedlich gewichtet (wobei größere Unterschiede der Gewichtungen unüblich, und vermutlich auch nicht sinnvoll, sind). Entsprechend einer Ensemble-Regel werden die Ergebnisse aller Klassifizierer aggregiert, bei Klassifikation durch eine Mehrheitsentscheidung, bei Regression meistens durch Durchschnittsbildung oder (beim Stacking) durch einen weiteren Regressor.

Abgesehen davon, dass wir mit dem Ensemble-Klassifizierer bzw. Regressoren vermutlich bessere Ergebnisse haben werden, haben wir nun auch eine weitere Information hinzubekommen: Eine Entropie über die Wahrscheinlichkeit. Bestenfalls haben alle Klassifizierer die gleiche Vorhersage berechnet, schlechtestensfalls haben wir ein Unentschieden. So können wir Vorhersagen in ihrer Aussagekraft bewerten. Analog kann bei Regressionen die Varianz der Ergebnisse herangezogen werden, um das Ergebnis in seiner Aussagekraft zu bewerten.

Betrachtung im Kontext von: Eine Kette ist nur so stark, wie ihr schwächstes Glied

Oft heißt es, dass Ensemble Learning zwar bessere Ergebnisse hervorbringt, als der schwächste Klassifizier in der Gruppe, aber auch schlechtere als der beste Klassifizierer. Ist Ensemble Learning also nur ein Akt der Ratlosigkeit, welcher Klassifizierer eigentlich der bessere wäre?

Ja und nein. Ensemble Learning wird tatsächlich in der Praxis dazu verwendet, einzelne Schwächen abzufangen und auch Ausreißer-Verhalten auf bisher andersartiger Daten abzuschwächen. Es ist ferner jedoch so, dass Ensemble Learner mit vielen Klassifizieren sogar bessere Vorhersagen liefern kann, als der beste Klassifizierer im Programm.

Das liegt an dem Gesetz der großen Zahlen, dass anhand eines Beispiels verdeutlicht werden kann: Bei einem (ausbalanzierten) Münzwurf liegt die Wahrscheinlichkeit bei genau 50,00% dafür, Kopf oder Zahl zu erhalten. Werfe ich die Münze beispielsweise zehn Mal, erhalte ich aber vielleicht drei Mal Kopf und sieben mal Zahl. Werfe ich sie 100 Mal, erhalte ich vielleicht 61 Mal Kopf und 39 Mal Zahl. Selbst nur 20 Mal die Zahl zu erhalten, wäre bei nur 100 Würfen gar nicht weit weg von unwahrscheinlich. Würde ich die Münze jedoch 10.000 Male werfen, würde ich den 50% schon sehr annähern, bei 10 Millionen Würfen wird sich die Verteilung ganz sicher als Gleichverteilung mit 50,0x% für Kopf oder Zahl einpendeln.

Nun stellt man sich (etwas überspitzt, da analog zu den Wünzwürfen) nun einen Ensemble Learner mit einer Gruppe von 10.000 Klassifiziern vor. Und angenommen, jeder einzelne Klassifizierer ist enorm schwach, denn eine richtige Vorhersage trifft nur mit einer Präzision von 51% zu (also kaum mehr als Glücksspiel), dann würde jedoch die Mehrheit der 10.000 Klassifizierer (nämlich 51%) richtig liegen und die Mehrheitsentscheidung in den absolut überwiegenden Fällen die korrekte Vorhersage treffen.

Was hingehen in diesem Kontext zutrifft: Prädiktionen via Ensemble Learning sind zwangsläufig langsam. Durch Parallelisierung der Klassifikation kann natürlich viel Zeit eingespart werden, dann ist das Ensemble Learning jedoch mindestens immer noch so langsam, wie der langsamste Klassifizierer.

Bagging

Ein Argument gegen den Einsatz von gänzlich verschiedenen Algortihmen ist, dass ein solcher Ensemble Learner nur schwer zu verstehen und einzuschätzen ist (übrigens ein generelles Problem im maschinellen Lernen). Bereits ein einzelner Algorithmus (z. B. Support Vector Machine) kann nach jedem Training alleine auf Basis der jeweils ausgewählten Daten (zum Training und zum Testen) recht unterschiedlich in seiner Vorhersage ausfallen.

Bagging (kurze Form von Bootstrap Aggregation) ist ein Ensemble Learning Prinzip, bei dem grundsätzlich der gleiche Algorithmus parallel mit unterschiedlichen Aufteilungen der Daten trainiert (und natürlich getestet) wird. Die Aufteilung der Daten kann dabei komplett (der vollständige Datensatz wird verteilt und verwendet) oder auch nur über Stichproben erfolgen (dann gibt es mehrfach verwendete Datenpunkte, aber auch solche, die überhaupt nicht verwendet werden). Das Ziel ist dabei insbesondere, im Endergebnis Unter- und Überanpassung zu vermeiden. Gibt es viele Dichte-Cluster und Ausreißer in den Daten, wird nicht jeder Klassifizierer sich diesen angepasst haben können. Jede Instanz der Klassifizierer erhält weitgehend unterschiedliche Daten mit eigenen Ausreißern und Dichte-Clustern, dabei darf es durchaus Überschneidungen bei der Datenaufteilung geben.

Pasting

Pasting ist fast genau wie Bagging, nur mit dem kleinen aber feinen Unterschied, dass sich die Datenaufteilung nicht überschneiden darf. Wird ein Datenpunkt durch Zufallsauswahl einem Klassifizierer zugewiesen, wird er nicht mehr für einen anderen Klassifizierer verwendet. Über die Trainingsdaten des einen Klassifizierers verfügt demnach kein anderer Klassifizierer. Die Klassifizierer sind somit völlig unabhängig voneinander trainiert, was manchmal explizit gewollt sein kann. Pasting setzt natürlich voraus, dass genug Daten vorhanden sind. Diese Voraussetzung ist gleichermaßen auch eine Antwort auf viele Probleme: Wie können große Datenmengen schnell verarbeitet werden? Durch die Aufteilung ohne Überschneidung auf parallele Knoten.

Random Forest

Random Forests sollten an dieser Stelle im Text eigentlich nicht stehen, denn sie sind ein Beispiel des parallelen Ensembles bzw. des Voting Classifiers mit Entscheidungsbäumen (Decision Trees). Random Forests möchte ich an dieser Stelle dennoch ansprechen, denn sie sind eine äußerst gängige Anwendung des Baggings oder (seltener) auch des Pastings für Entscheidungsbaumverfahren. Die Datenmenge wird durch Zufall aufgeteilt und aus jeder Aufteilung heraus wird ein Entscheidungsbaum erstellt. Eine Mehrheitsentscheidung der Klassifikationen aller Bäume ist das Ensemble Learning des Random Forests.

Random Forest ist ein Verfahren der Klassifikation oder Regression, das bereits so üblich ist, dass es mittlerweile längst in (fast) allen Machine Learning Bibliotheken implemeniert ist und – dank dieser Implementierung – in der Anwendung nicht komplizierter, als ein einzelner Entscheidungsbaum.

Stacking

Stacking ist eine Erweiterung des Voting Classifiers oder Voting Regressors um eine höhere Ebene (Blending-Level), die die beste Aggregation der Einzel-Ergebnisse erlernt. An der Spitze steht beim Stacking (mindestens) ein weiterer Klassifikator oder Regressor

Stacking ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Ergebnisse der einzelnen Algorithmen sehr unterschiedlich ausfallen können, was bei der Regression – da stetige Werte statt wenige Klassen – nahezu immer der Fall ist. Stacking-Algorithmen können sogar mehrere Schichten umfassen, was ihr Training wesentlich schwieriger gestaltet.

Boosting (Sequential Ensemble Learning)

Bagging, Pasting und Stacking sind parallele Verfahren des Ensemble Learning (was nicht bedeutet, dass die parallel dargestellten Algorithmen in der Praxis nicht doch sequenziell abgearbeitet werden). Zwangsweise sequenziell durchgeführt wird hingegen das Boosting, bei dem wir schwache Klassifizierer bzw. Regressoren durch Iteration in ihrem Training verstärken wollen. Boosting kann somit als eine Alternative zum Deep Learning gesehen werden. Während beim Deep Learning ein starker Algorithmus durch ein mehrschichtiges künstliches neuronales Netz dafür entworfen und trainiert wird, um ein komplexes Problem zu lösen (beispielsweise Testerkennung [OCR]), können derartige Herausforderungen auch mit schwächeren Klassifikatoren unter Einsatz von Boosting realisiert werden.

Boosting bezieht sich allein auf das Training und ist aus einer Not heraus entstanden: Wie bekommen wir bessere Prädiktionen mit einem eigentlich schwachen Lernalgorithmus, der tendenziell Unteranpassung erzeugt? Boosting ist eine Antwort auf Herausforderungen der Klassifikation oder Regression, bei der ein Algorithmus iterativ, also in mehreren Durchläufen, durch Anpassung von Gewichten trainiert wird.

Eines der bekanntesten Boosting-Verfahren ist AdaBoost. Der erste Schritt ist ein normales Training. Beim darauffolgenden Testen zeigen sich Klassifikations-/Regressionsfehler. Die fehlerhaft vorhergesagten Datenpunkte werden dann für einen nächsten Durchlauf höher gewichtet. Diese Iteration läuft einige Male, bis die Fehlerquote sich nicht mehr verbessert.

Bei AdaBoost werden falsch vorhergesagte Datensätze im jeweils nächsten Durchlauf höher gewichtet. Bei einem alternativen Boosing-Verfahren, dem Gradient Boosting (auf Basis der Gradientenmethode), werden Gewichtungen explizit in Gegenrichtung des Prädiktionsfehlers angepasst.

Was beispielsweise beim Voting Classifier der Random Forest ist, bei dem mehrere Entscheidungsbäume parallel arbeiten, sind das Äquvivalent beim Boosting die Gradient Boosted Trees, bei denen jeder Baum nur einen Teil der Daten akkurat beschreiben kann, die sequentielle Verschachtelung der Bäume jedoch auch herausfordernde Klassifikationen meistert.

Um bei dem Beispiel der Entscheidungsbäume zu bleiben: Sowohl Random Forests als auch Gradient Boosted Trees arbeiten grundsätzlich mit flachen Bäumen (schwache Klassifikatoren). Gradient Boosted Trees können durch die iterative Verstärkung generell eine höhere Präzision der Prädiktion erreichen als Random Forests, wenn die Feature- und Parameter-Auswahl bereits zu Anfang sinnvoll ist. Random Forests sind hingegen wiederum robuster bei der Feature- und Parameter-Auswahl, verstärken sich jedoch nicht gegenseitig, sondern sind in ihrem Endergebnis so gut, wie die Mehrheit der Bäume.

Buchempfehlungen

Mehr zum Thema Machine Learning und Ensemble Learning gewünscht? Folgende zwei Buchempfehlungen bieten nicht nur Erklärungen, sondern demonstrieren Ensemble Learning auch mit Beispiel-Code mit Python Scikit-Learn.


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

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An wen ist der Artikel gerichtet?

Funktionsweise des Autoencoders

Der Encoder

Der Decoder

Ein bisschen Mathematik

Programmierung eines einfachen Autoencoders

Ausblick

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

Generierung von Featurevektoren zur Bildbeschreibung

Visuelle Bildsortierung

Effiziente Umsetzung für iOS

Autoren

1. Einleitung und Inhalt

2. Ziele dieser Artikelserie

3. Was ist TensorFlow?

4. Warum TensorFlow?

5. Zusammenfassung und Ausblick

Quellen

Perzeptron

Training des Perzeptron-Netzes

Training eines Perzeptrons

Imaginäres Trainingsbeispiel eines Single-Layer-Perzeptrons (SLP)

Single-Layer-Perzeptrons (SLP) – Beispiel mit der boolischen Trennung

Multi-Layer-Perzeptron (MLP) bzw. (Deep) Feed Forward (FF) Net

Mehrfachklassifikation mit dem Perzeptron

Adaline – Oder: die Limitation des Perzeptrons

Weiterführende Netz-Konzepte (CNN und RNN)

Buchempfehlungen

Machine Learning

Feature Engineering

Deep Learning

Convolutional Neuronal Network

Deep Autoencoder

Artificial Intelligence

Buch-Empfehlungen

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Ensemble Learning

Voting Classifiers (bzw. Voting Regressors)

Betrachtung im Kontext von: Eine Kette ist nur so stark, wie ihr schwächstes Glied

Bagging

Pasting

Random Forest

Stacking

Boosting (Sequential Ensemble Learning)

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