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Deep Learning

Wenn die Maschine entscheidet

8. Mai 2018, 13:34 Uhr | Von Johanna Pingel

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Machine Learning versus Deep Learning

Deep Learning und Machine Learning bieten verschiedene Möglichkeiten, Modelle zu trainieren und Daten zu klassifizieren. Vergleicht man die beiden Ansätze, so kann man sehen, welche Szenarien den Einsatz der beiden Technologien bestimmen.

Mit einem Standardansatz im Bereich Machine Learning müsste man die relevanten Merkmale eines Bildes, wie Kanten oder Ecken, manuell auswählen, um das Machine Learning Modell zu trainieren. Das Modell verweist dann bei der Analyse und Klassifizierung neuer Objekte auf diese Merkmale.

Mit einem Deep-Learning-Workflow werden relevante Merkmale automatisch aus Bildern extrahiert. Darüber hinaus führt Deep Learning ein „End-to-End-Learning“ durch, bei dem einem Netzwerk Rohdaten und eine Aufgabe, wie z.B. die Klassifizierung, zugewiesen werden und das Netz lernt, dies automatisch auszuführen.

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Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die Deep-Learning-Algorithmen mit Daten skalieren, während das „flache Lernen“ konvergiert. Unter „Shallow Learning“ versteht man Methoden des Machine Learning, die ab einem bestimmten Punkt keine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Vorhersage erreichen, auch wenn man dem Netzwerk weitere Beispiele und Trainingsdaten hinzufügt.

Bei der Wahl zwischen Machine Learning und Deep Learning sollte man sich fragen, ob man über einen leistungsfähigen Grafikprozessor und viele vorklassifizierte Daten verfügt. Wenn dies nicht der Fall ist, sollte man Machine Learning statt Deep Learning einsetzen. Dies liegt daran, dass Deep Learning in der Regel komplexer ist, sodass man mindestens einige tausend Bilder benötigt, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Außerdem benötigt man einen leistungsstarken Grafikprozessor, damit das Modell weniger Zeit mit der Analyse all dieser Bilder verbringt.

Wenn man Machine Learning wählt, gibt es die Möglichkeit, das Modell für viele verschiedene Klassifikatoren zu trainieren. Dabei benötigt man auch Informationen, welche Merkmale ex-trahiert werden müssen, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Außerdem hat man mit Machine Learning die Flexibilität, eine Kombination von Ansätzen zu wählen. Zu empfehlen ist die Verwendung verschiedener Klassifikatoren mit verschiedenen Merkmalen, um festzustellen, welche Kombination für die gewählten Daten am besten geeignet ist (Bild 4). Im Allgemeinen ist also Deep Learning rechenintensiver, während Machine-Learning-Techniken oft einfacher anzuwenden sind.

Deep Learning in der realen Welt

Deep-Learning-Anwendungen werden in vielen Branchen eingesetzt, vom autonomen Fahren bis hin zu medizinischen Geräten.

Autonomes Fahren: Fahrzeugentwickler nutzen Deep Learning, um Objekte wie Stoppschilder und Ampeln automatisch zu erkennen. Da¬rüber hinaus wird Deep Learning eingesetzt, um Fußgänger zu erkennen, was zur Verringerung von Unfällen beitragen kann.
Luft- und Raumfahrt, Verteidigung: Mit Hilfe von Deep Learning werden Objekte von Satelliten identifiziert, die interessante Bereiche lokalisieren und sichere oder unsichere Zonen für Truppen identifizieren.
Medizinische Forschung: Krebsforscher nutzen Deep Learning, um Krebszellen automatisch zu erkennen. Teams an der UCLA haben ein Mikroskop entwickelt, das einen hochdimensionalen Datensatz liefert, mit dem eine Deep-Learning-Anwendung trainiert wird, um Krebszellen genau zu identifizieren.
Industrielle Automatisierung: Deep Learning trägt dazu bei, die Sicherheit von Arbeitnehmern in der Umgebung schwerer Maschinen zu verbessern, indem es automatisch erkennt, wenn sich Personen oder Gegenstände in einem unsicheren Abstand solcher Maschinen befinden.
Elektronik: Deep Learning wird in der automatisierten Spracherkennung und -übersetzung eingesetzt. So basieren beispielsweise Geräte im Haus, die auf Stimmen reagieren und die Präferenzen der Anwender kennen, auf Deep Learning.

Deep Learning scheint für Laien oft unzugänglich zu sein, aber mit gängigen Workflows können Ingenieure und Wissenschaftler schnell und einfach Deep Learning für ihre Anwendungen einsetzen. Heute fördern eine Vielzahl von Tools die Einführung von Deep Learning, indem sie die Konfiguration und das Trainieren von Modellen vereinfachen, ihre Struktur visualisieren, vortrainierte Modelle für Transfer-Learning einsetzen und die Vorteile der GPU-Beschleunigung nutzen.

In dem Maße, wie Deep Learning allgegenwärtig wird, werden wir weitere Innovationen und Entwicklungen bei Anwendungen sehen, die bisher als unmöglich galten, z.B. in Bereichen wie Computer Vision, Natural Language Processing und Robotik.

Die Autorin

Johanna Pingel

ist Produkt Marketing Manager bei MathWorks. Dort liegt ihr Themenschwerpunkt bei Bildverarbeitung und Computer Vision. Ihren Bachelor-Abschluss hat sie in Music Performance an der Carnegie Mellon University absolviert, ihren Master-Abschluss in Architectural Science and Acoustics am Rensselaer Polytechnic Institute.