Arten von KI-Lerntechniken, die in der Computer Vision eingesetzt werden

Maschinelles Lernen ist eine Art der künstlichen Intelligenz (KI), die Computern hilft, aus Daten zu lernen, damit sie selbstständig Entscheidungen treffen können, ohne dass sie für jede Aufgabe eine detaillierte Programmierung benötigen. Es geht darum, algorithmische Modelle zu erstellen, die Muster in Daten erkennen können. Indem sie Muster in Daten erkennen und daraus lernen, können diese Algorithmen ihre Leistung mit der Zeit verbessern.

Ein Bereich, in dem maschinelles Lernen eine entscheidende Rolle spielt, ist die Computer Vision, ein Bereich der KI, der sich auf visuelle Daten konzentriert. Computer Vision nutzt maschinelles Lernen, um Computern zu helfen, Muster in Bildern und Videos zu entdecken und zu erkennen. Angetrieben von den Fortschritten im maschinellen Lernen wird der weltweite Marktwert des maschinellen Sehens bis 2032 auf 175,72 Milliarden US-Dollar geschätzt. 

In diesem Artikel befassen wir uns mit den verschiedenen Arten des maschinellen Lernens, die in der Computer Vision verwendet werden, darunter überwachtes, unüberwachtes, verstärkendes und Transfer-Lernen, und wie sie in verschiedenen Anwendungen eine Rolle spielen. Los geht's!

Überblick über maschinelles Lernen in der Computer Vision

Computer Vision stützt sich auf maschinelles Lernen, insbesondere auf Techniken wie Deep Learning und neuronale Netze, um visuelle Informationen zu interpretieren und zu analysieren. Diese Methoden ermöglichen es Computern, Bildverarbeitungsaufgaben wie die Erkennung von Objekten in Bildern, die Klassifizierung von Bildern nach Kategorien und die Erkennung von Gesichtern durchzuführen. Maschinelles Lernen ist auch für Echtzeit-Computer-Vision-Anwendungen wie die Qualitätskontrolle in der Fertigung und die medizinische Bildgebung im Gesundheitswesen unerlässlich. In diesen Fällen helfen neuronale Netze den Computern bei der Interpretation komplexer visueller Daten, z. B. bei der Analyse von Gehirnscans zur Erkennung von Tumoren. 

Tatsächlich basieren viele fortschrittliche Computer Vision Modelle, wie Ultralytics YOLO11basieren auf neuronalen Netzen. 

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Es gibt verschiedene Arten von Lernmethoden im maschinellen Lernen, wie überwachtes Lernen, unüberwachtes Lernen, Transfer-Lernen und Verstärkungslernen, die die Grenzen dessen, was im Bereich des maschinellen Sehens möglich ist, immer weiter verschieben. In den folgenden Abschnitten werden wir uns mit jeder dieser Methoden beschäftigen, um zu verstehen, wie sie zum maschinellen Sehen beitragen.

Überwachtes Lernen erforschen

Überwachtes Lernen ist die am häufigsten verwendete Form des maschinellen Lernens. Beim überwachten Lernen werden Modelle mit markierten Daten trainiert. Jede Eingabe wird mit der richtigen Ausgabe versehen, was dem Modell beim Lernen hilft. Ähnlich wie ein Schüler, der von einem Lehrer lernt, fungieren diese markierten Daten als Anleitung oder Supervisor.

Beim Training erhält das Modell sowohl Eingabedaten (die Informationen, die es verarbeiten muss) als auch Ausgabedaten (die richtigen Antworten). Auf diese Weise lernt das Modell die Verbindung zwischen Eingaben und Ausgaben. Das Hauptziel des überwachten Lernens besteht darin, dass das Modell eine Regel oder ein Muster entdeckt, das jede Eingabe mit der richtigen Ausgabe verbindet. Mit dieser Zuordnung kann das Modell genaue Vorhersagen machen, wenn es auf neue Daten trifft. Die Gesichtserkennung in der Computer Vision zum Beispiel beruht auf überwachtem Lernen, um Gesichter anhand dieser gelernten Muster zu erkennen.

Eine gängige Anwendung dafür ist das Entsperren deines Smartphones mit Gesichtserkennung. Das Modell wird anhand von markierten Bildern deines Gesichts trainiert, sodass es, wenn du dein Telefon entsperren willst, das Live-Bild mit dem Gelernten vergleicht. Wenn es eine Übereinstimmung feststellt, wird dein Telefon entsperrt.

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Wie funktioniert unüberwachtes Lernen in der KI?

Unüberwachtes Lernen ist eine Art des maschinellen Lernens, die mit unmarkierten Daten arbeitet - das Modell erhält während des Trainings keine Anleitungen oder richtigen Antworten. Stattdessen lernt es, selbstständig Muster und Erkenntnisse zu entdecken. 

Unüberwachtes Lernen identifiziert Muster mit drei Hauptmethoden: 

• Clustering: Gruppiert ähnliche Datenpunkte zusammen. Sie ist nützlich für Aufgaben wie die Kundensegmentierung, bei der ähnliche Kunden auf der Grundlage ihres Verhaltens oder ihrer Eigenschaften gruppiert werden können.
• Assoziation: Sie wird verwendet, um Beziehungen zwischen Elementen zu erkennen und Zusammenhänge in den Daten aufzudecken (z. B. das Auffinden von Produkten, die häufig zusammen gekauft werden, bei der Warenkorbanalyse).
• Dimensionalitätsreduktion: Vereinfacht Datensätze durch das Entfernen überflüssiger Merkmale, was die Visualisierung und Verarbeitung erleichtert. 

Eine wichtige Anwendung des unüberwachten Lernens ist die Bildkomprimierung, bei der Techniken wie das k-means Clustering die Bildgröße reduzieren, ohne die visuelle Qualität zu beeinträchtigen. Die Pixel werden in Clustern gruppiert, und jedes Cluster wird durch eine durchschnittliche Farbe repräsentiert, wodurch ein Bild mit weniger Farben und einer geringeren Dateigröße entsteht.

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Dem unüberwachten Lernen sind jedoch gewisse Grenzen gesetzt. Ohne vordefinierte Antworten kann es Probleme mit der Genauigkeit und der Leistungsbewertung geben. Die Interpretation der Ergebnisse und die Kennzeichnung der Gruppen erfordert oft manuellen Aufwand und ist anfällig für Probleme wie fehlende Werte und Rauschen, was die Qualität der Ergebnisse beeinträchtigen kann.

Reinforcement Learning erklärt

Im Gegensatz zum überwachten und unüberwachten Lernen ist das verstärkende Lernen nicht auf Trainingsdaten angewiesen. Stattdessen verwendet es neuronale Netzwerkagenten, die mit der Umgebung interagieren, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. 

Der Prozess umfasst drei Hauptkomponenten:

• Agent: Der Lernende oder Entscheidungsträger.
• Umgebung: Alles, mit dem der Agent interagiert. Das kann real oder virtuell sein.
• Belohnungssignal: Ein numerischer Wert, der nach jeder Aktion gegeben wird und den Agenten zum Ziel führt.

Die Handlungen des Agenten wirken sich auf die Umwelt aus, die daraufhin mit Rückmeldungen reagiert. Das Feedback hilft dem Agenten, seine Entscheidungen zu bewerten und sein Verhalten anzupassen. Das Belohnungssignal hilft dem Agenten zu verstehen, welche Aktionen ihn seinem Ziel näher bringen.

Verstärkungslernen ist der Schlüssel für Anwendungsfälle wie autonomes Fahren und Robotik. Beim autonomen Fahren werden Aufgaben wie Fahrzeugsteuerung, Objekterkennung und -vermeidung auf der Grundlage von Rückmeldungen gelernt. Mithilfe von neuronalen Netzen werden Modelle trainiert, die Fußgänger oder andere Objekte erkennen und geeignete Maßnahmen ergreifen, um Kollisionen zu vermeiden. In der Robotik ermöglicht das verstärkende Lernen Aufgaben wie die Manipulation von Objekten und die Kontrolle von Bewegungen.

Ein großartiges Beispiel für Reinforcement Learning in Aktion ist ein Projekt von OpenAI, bei dem Forscher/innen KI-Agenten trainierten, um das beliebte Multiplayer-Videospiel Dota 2 zu spielen. Mithilfe neuronaler Netze verarbeiteten diese Agenten große Mengen an Informationen aus der Spielumgebung, um schnelle, strategische Entscheidungen zu treffen. Durch ständiges Feedback lernten und verbesserten sich die Agenten mit der Zeit und erreichten schließlich ein Niveau, das hoch genug war, um einige der besten Spieler des Spiels zu schlagen. 

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Die Grundlagen des Transferlernens verstehen

Transfer-Lernen unterscheidet sich von anderen Arten des Lernens. Anstatt ein Modell von Grund auf neu zu trainieren, wird ein bereits trainiertes Modell auf einem großen Datensatz verwendet und für eine neue, aber verwandte Aufgabe feinabgestimmt. Die beim ersten Training gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um die Leistung der neuen Aufgabe zu verbessern. Transfer-Lernen verkürzt die Zeit, die für das Training einer neuen Aufgabe benötigt wird, je nach deren Komplexität. Es funktioniert, indem die ersten Schichten des Modells, die die allgemeinen Merkmale erfassen, beibehalten und die letzten Schichten durch die der neuen spezifischen Aufgabe ersetzt werden. 

Die Übertragung des künstlerischen Stils ist eine interessante Anwendung des Transferlernens in der Computer Vision. Diese Technik ermöglicht es einem Modell, ein Bild so umzuwandeln, dass es dem Stil verschiedener Kunstwerke entspricht. Dazu wird ein neuronales Netz zunächst auf einem großen Datensatz von Bildern trainiert, die mit den jeweiligen Kunststilen verknüpft sind. Durch diesen Prozess lernt das Modell, allgemeine Bildmerkmale und Stilmuster zu erkennen.

Sobald das Modell trainiert ist, kann es feinjustiert werden, um den Stil eines bestimmten Gemäldes auf ein neues Bild anzuwenden. Das Netzwerk passt sich an das neue Bild an und behält dabei die gelernten Stilmerkmale bei, sodass ein einzigartiges Ergebnis entsteht, das den ursprünglichen Inhalt mit dem gewählten künstlerischen Stil kombiniert. Du könntest z. B. ein Foto von einer Bergkette machen und den Stil von Edvard Munchs Der Schrei anwenden. Das Ergebnis ist ein Bild, das die Szene einfängt, aber den kühnen, ausdrucksstarken Stil des Gemäldes hat.

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Ein Blick auf die Unterschiede zwischen den Arten des maschinellen Lernens

Nachdem wir uns nun mit den wichtigsten Arten des maschinellen Lernens befasst haben, wollen wir uns jede einzelne genauer ansehen, um zu verstehen, was für die verschiedenen Anwendungen am besten geeignet ist.

• Überwachtes Lernen: Diese Art des Lernens ist sehr genau, wenn sie mit gelabelten Daten arbeitet, erfordert aber eine große Datenmenge und kann empfindlich auf Rauschen reagieren.
• Unüberwachtes Lernen: Es ist nützlich, um unmarkierte Daten zu untersuchen, um versteckte Muster zu finden, auch wenn die Ergebnisse weniger präzise und schwieriger zu interpretieren sind.
• Verstärkungslernen: Es trainiert Agenten, Schritt für Schritt Entscheidungen in komplexen Umgebungen zu treffen, erfordert aber oft eine hohe Rechenleistung.
• Transfer-Lernen: Bei diesem Ansatz werden vorab trainierte Modelle verwendet, um das Training zu beschleunigen und die Leistung bei neuen Aufgaben zu verbessern, vor allem, wenn die Daten begrenzt sind.

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Die Wahl der richtigen Art des maschinellen Lernens hängt von mehreren Faktoren ab. Überwachtes Lernen funktioniert gut, wenn du viele markierte Daten und eine klare Aufgabe hast. Unüberwachtes Lernen ist nützlich für die Datenexploration oder wenn nur wenige markierte Beispiele vorliegen. Reinforcement Learning ist ideal für komplexe Aufgaben, die eine schrittweise Entscheidungsfindung erfordern, während Transfer Learning gut geeignet ist, wenn die Datenmenge begrenzt ist oder die Ressourcen knapp sind. Wenn du diese Faktoren berücksichtigst, kannst du den am besten geeigneten Ansatz für dein Computer Vision Projekt auswählen.

Einpacken

Mit Techniken des maschinellen Lernens kann eine Vielzahl von Herausforderungen bewältigt werden, vor allem in Bereichen wie der Computer Vision. Wenn du die verschiedenen Arten von maschinellem Lernen - überwachtes, unbeaufsichtigtes, verstärkendes und transferierendes Lernen - kennst, kannst du den besten Ansatz für deine Bedürfnisse wählen.

 Überwachtes Lernen eignet sich hervorragend für Aufgaben, die eine hohe Genauigkeit und beschriftete Daten erfordern, während unüberwachtes Lernen ideal ist, um Muster in unbeschrifteten Daten zu finden. Verstärkungslernen eignet sich gut für komplexe, entscheidungsbasierte Aufgaben, und Transferlernen ist hilfreich, wenn du mit begrenzten Daten auf bereits trainierten Modellen aufbauen willst. 

Jede Methode hat ihre eigenen Stärken und Anwendungsmöglichkeiten, von der Gesichtserkennung über die Robotik bis hin zur künstlerischen Stilübertragung. Die Wahl des richtigen Typs kann neue Möglichkeiten in Branchen wie dem Gesundheitswesen, der Automobilindustrie und der Unterhaltung eröffnen.

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