Was sind Machine Learning und Deep Learning?

Immer wieder hört man die gleichen drei Begriffe: Künstliche Intelligenz, Machine Learning und Deep Learning. Sie haben sicherlich schon gehört, dass der Südkoreanische Master im Spiel Go von Google’s Programm AlphaGo geschlagen wurde. Was hat das aber mit diesen Begriffen zu tun?

Künstliche Intelligenz besser als der Mensch?

Künstliche Intelligenz ist die Grundidee hinter allem und schon relativ alt. Das kann man sich auch noch gut vorstellen: Da ist halt irgendeine Maschine, die die Funktion übernimmt. Zum Beispiel bei einem Strategiespiel wie Starcraft 2, wo die Gegner vom Computer gesteuert werden können.

Die Anfänge der künstlichen Intelligenz kommt aus der Idee, dass Maschinen bestimmte Aufgaben besser machen können als Menschen – Was auch gut ist. Man stelle sich die Objekte vor, die heute per Fliessband generiert werden. Das wäre ohne Maschinen so nicht möglich. Dazu kommt, dass eine Maschine tausend identische Streichhölzer erstellen kann, während beim Menschen wohl keine zwei gleich wären. Dies nennt man begrenzte Künstliche Intelligenz oder Narrow AI auf Englisch.

Für Starcraft 2 gilt das übrigens noch nicht: Profis spielen das Spiel immer noch viel besser, als es der Computer könnte. Darum müssen die Entwickler dem Computer oftmals eine Hilfe geben, um gegen den Menschen eine Chance zu haben: Etwa mehr Ressourcen oder die Sicht auf die ganze Karte, statt nur auf den bereits aufgedeckten Bereich.

Machine Learning

Machine Learning ist, einfach gesagt, der Vorgang, wenn eine Maschine die Instruktionen nicht Schritt für Schritt von einem Menschen einprogrammiert bekommt, sondern diese Schritte mittels Algorithmen und der Analyse von Daten herleitet beziehungsweise lernt. Eine wichtige Funktion, die das Machine Learning dabei vornimmt, ist das Klassifizieren – Bei Tieren kann man etwa klassifizieren, ob ein Eingabeobjekt ein Elefant oder eine Giraffe ist.

Hat man etwa eine Menge von Daten über Tiere kann man sein Machine Learning Modell auf zum Beispiel 75% der Daten ansetzen, um die korrekte Klassifizierung zu lernen. Ist ein genügend hoher Schwellenwert erreicht, kann man das fertige Modell auf die restlichen 25% der Daten loslassen. Auf diese Weise kann man feststellen, ob das Modell die Daten korrekt klassiziert und alle Elefanten erkennt.

Wer auf geniale Art und Weise Machine Learning in Aktion sehen will, dem sei dringendst dieses Video über MarI/O zu empfehlen: MarI/O – Machine Learning for Video Games

Aber auch hier gilt: Eine Maschine kommt nicht annähernd an die Fähigkeit eines durchschnittlichen Menschen heran.

Was ist nun Deep Learning?

Nun, künstliche Intelligenz ist also quasi der oberste Begriff für das ganze Thema. Machine Learning ist ein Teil der künstlichen Intelligenz – Und Deep Learning wiederum ist ein noch kleinerer Teil dieses Ganzen. Aber was ist nun Deep Learning?

Um diese Frage zu beantworten, muss ich zuerst noch einen weiteren Begriff hervorbringen: Neurale Netzwerke. Diese sind Teil der sogenannten Neuroinformatik und haben das Ziel, die Funktionsweise des Gehirns abzubilden – Wie also die Nervenzellen im Gehirn miteinander verbunden sind (Gemäss Wikipedia ist Deep Learning nur ein neuer Begriff für künstliche neuronale Netzwerke).

Bei Deep Learning geht es um eben diese neuralen Verknüpfungen. Dabei wird ein Problem in verschiedene Schichten (Layers) geteilt und dann Schicht für Schicht bearbeitet.

Ein Beispiel wäre die Gesichtserkennung einer Kamera. Als Input hat man das Bild, dass die Kamera von einer Person aufnimmt. Dieses Bild wird nun in verschiedene Schichten geteilt und die erste Schicht fängt an, ihre Aufgaben durchzuführen. Ist die erste Schicht fertig, gibt sie das Resultat an die zweite Schicht weiter, welche ihrerseits ihre Aufgabe erfüllt. So geht es dann weiter bis schlussendlich die letzte Schicht das gewünschte Resultat ausspuckt – In diesem Fall also, ob es sich um ein Gesicht handelt, oder doch nur um einen hautfarbenen Ballon.

Uhm… was ist ein Neuron schon wieder?

Ein Neuron ist das grundlegendste Element des Nervensystems. Es erhält Informationen über elektrische Signale, verarbeitet diese und schickt sie weiter. Wenn man etwa die Hand an der heissen Herdplatte verbrennt, entsteht eine Information, welche an das Gehirn weitergeleitet wird.

Ein neurales Netzwerk ist also ein Netzwerk voller Neuronen, welche miteinander verbunden sind und Informationen verarbeiten. Dabei können zwischen den Neuronen neue Verbindungen entstehen oder aufgelöst werden.

Gewicht ist für einmal etwas Gutes

Für Deep Learning kann man sich also ein technisch realisiertes Netz von Knoten oder Neuronen vorstellen, die irgendwie miteinander verbunden sind oder verbunden werden müssen.

Um diese Verbindungen herzustellen muss die Maschine tatsächlich lernen wie ein kleines Kind. Am Anfang ist es dumm und kann nichts. Dann probiert die Maschine, mal nach links und mal nach rechts zu gehen. Das Resultat wird dann mit einem Gewicht versehen – Je höher das Gewicht, desto besser ist diese Verbindung. Das Endresultat wird dann beeinflusst von der Summe der Gewichte.

MarI/O ist tatsächlich ein geniales Beispiel

Haben Sie immer noch Mühe, sich das Ganze vorzustellen? Dann schauen Sie das Video über Super Mario, welches ich weiter oben verlinkt habe. Dort sieht man im oberen Bereich alle Verbindungen, die das Programm bereits aufgebaut hat.

In der Mitte des Videos werden alle Verbindungen gelöscht. Mario ist also dumm wie ein Stein und weiss nicht einmal, dass er nach rechts laufen muss. Das Programm probiert verschiedene Dinge aus, aber sobald Mario zu lange an einem Ort stehenbleibt, startet das Level neu.

Es braucht einige Zeit, bis Mario kapiert, dass er nach rechts laufen muss. Und dass er bei einem gegnerischen Projektil hüpfen muss. Und dass er nicht in ein Loch springen sollte. Diese Verknüpfungen muss die Maschine alle lernen.

In diesem Beispiel sieht man ebenso das Gewicht sehr gut: Das Gewicht ist einfach die Strecke, die Mario nach rechts zurücklegen konnte. Wenn sich die Maschine zwischen zwei Verknüpfungen entscheiden muss, nimmt es diese mit dem weiteren Weg.

So geht das etliche Iterationen weiter, über mehrere Generationen, bis irgendwann die Maschine gelernt hat, wie sie das Level zu Ende spielen kann, ohne zu sterben.

Wo kommt Deep Learning zum Einsatz?

Deep Learning kann man bei verschiedenen Themen beobachten: Autos, die ohne Fahrer rumkurven oder die Filme, die mir Amazon auf der Homepage empfiehlt. Oder natürlich die Spracherkennungen Siri und von Google.

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Ein Gedanke zu „Was sind Machine Learning und Deep Learning?

  1. Pingback: Welche drei Arten des Machine Learnings gibt es? – ZKMA

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