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Inteligência Artificial

Deep Learning: O Que É, Como Funciona e Exemplos

By October 13, 2023December 14th, 2023No Comments
Deep Learning: imagem de uma jovem asiática olhando para a tela do seu celular e segurando um copo de café.

Você já parou para pensar em como funciona a mágica por trás do reconhecimento de imagens quando você tira uma foto ou carrega uma imagem nas redes sociais, como o Facebook, Instagram ou até mesmo em seu smartphone? 

O que torna isso possível é o Deep Learning. Os bastidores desse processo envolvem a utilização de algoritmos de deep learning, que têm a capacidade de identificar automaticamente objetos, pessoas, lugares e muito mais na imagem que você compartilha. 

Neste artigo, iremos explorar como essa tecnologia opera de forma surpreendente e facilitadora no nosso dia a dia.

O Que É Deep Learning?

Deep learning, ou aprendizado profundo, é uma subárea da inteligência artificial (IA) que se concentra em algoritmos e modelos de machine learning inspirados na estrutura e função do cérebro humano, conhecida como rede neural. 

Essa abordagem de aprendizado de máquina é chamada de “profunda” porque envolve o uso de redes neurais artificiais profundas.

Essas redes neurais artificiais profundas consistem em muitas camadas de unidades interconectadas (neurônios artificiais), que simulam os neurônios do cérebro, permitindo que elas desempenhem tarefas complexas de processamento de informações.

Essa técnica tem se destacado no mundo da IA e se tornou a base para muitos dos avanços recentes em campos como visão computacional, processamento de linguagem natural e muito mais.

Como Funciona o Deep Learning

O funcionamento do deep learning é baseado no uso de redes neurais artificiais profundas, que são modelos matemáticos compostos por múltiplas camadas de unidades interconectadas, inspiradas na estrutura e funcionamento do cérebro humano. 

Veja uma explicação mais detalhada de como o deep learning opera:

Camadas Neurais: uma rede neural profunda é composta por camadas de neurônios artificiais. Existem três tipos principais de camadas: camada de entrada, camadas ocultas e camada de saída.

Camada de Entrada: esta camada recebe os dados de entrada, que podem ser imagens, texto, áudio ou qualquer tipo de informação. Cada neurônio na camada de entrada corresponde a uma característica específica dos dados.

Camadas Ocultas: as camadas ocultas são onde a maioria do processamento ocorre. Cada neurônio nessas camadas está conectado a neurônios nas camadas anteriores e posteriores. Durante o treinamento, os pesos das conexões entre os neurônios são ajustados para aprender a representação dos dados.

Funções de Ativação: cada neurônio em uma camada oculta aplica uma função de ativação aos seus inputs ponderados. Isso introduz não linearidade nas operações da rede, permitindo que a rede aprenda relações complexas nos dados.

Camada de Saída: a camada de saída produz os resultados finais da rede. A configuração dessa camada depende do tipo de tarefa que a rede está realizando. Pode ser uma única saída para tarefas de regressão ou várias saídas para tarefas de classificação.

Treinamento: o treinamento de uma rede neural profunda envolve o uso de um grande conjunto de dados de treinamento. Durante o treinamento, a rede compara suas saídas com os valores desejados (rótulos) e ajusta os pesos das conexões para minimizar erros.

Aprendizado Hierárquico de Recursos: a principal vantagem do deep learning é sua capacidade de aprender automaticamente representações de alto nível dos dados. Isso significa que a rede pode aprender a extrair características relevantes dos dados.

Inferência: após o treinamento, a rede está pronta para realizar tarefas específicas, como reconhecimento de padrões, tradução de idiomas e identificação de objetos em imagens, em novos dados.

Aceleração por GPUs: para lidar com a complexidade do treinamento de redes neurais profundas, é comum o uso de unidades de processamento gráfico (GPUs) de alto desempenho, que aceleram o cálculo das operações matemáticas.

Banner da plataforma Tess AI

Qual a Diferença de Machine Learning e Deep Learning?

Machine learning e Deep learning são duas abordagens de aprendizado de máquina, subcampos da IA, que têm em comum o objetivo de permitir que os computadores aprendam com dados. No entanto, eles diferem em vários aspectos.

No machine learning, os modelos são construídos com base em algoritmos tradicionais, como regressão linear, árvores de decisão e máquinas de vetores de suporte. Esses modelos costumam ser menos complexos e envolvem menos camadas de processamento.

Além disso, no machine learning, muitas vezes é necessário realizar a extração manual de características dos dados para alimentar o modelo, o que requer a seleção e engenharia de atributos relevantes.

Por outro lado, o deep learning utiliza redes neurais profundas. Essa arquitetura complexa permite que o deep learning aprenda representações de alto nível dos dados durante o treinamento, eliminando a necessidade de extração manual de características.

Principais Exemplos de Aplicações do Deep Learning

Deep Learning: imagem de uma mulher fazendo o reconhecimento facial em seu smarthphone.

Para tornar mais fácil de entender, vamos destacar os principais exemplos de aplicações do deep learning que estão diretamente relacionadas às nossas atividades diárias. Veja a seguir!

Reconhecimento da Imagem

Como vimos, o deep learning é empregado em sistemas de reconhecimento facial para identificar e autenticar pessoas com base em suas características faciais. 

Isso tem aplicações em desbloqueio de smartphones, controle de acesso, segurança e identificação automática de amigos em redes sociais.

Além disso, essa tecnologia é usada em sistemas de detecção de objetos para identificar e rastrear objetos em imagens ou vídeos, podendo ser utilizada na segurança, vigilância, classificação de produtos em linhas de produção e muito mais.

Assistentes Virtuais      

As aplicações de deep learning em assistentes virtuais, como a Siri da Apple, Amazon Alexa e Google Assistant, melhoraram significativamente a interação entre humanos e máquinas.

O deep learning capacita esses assistentes a compreender a fala, processar linguagem natural, interagir em linguagem natural, personalizar conteúdo, automatizar tarefas, controlar dispositivos inteligentes e lembrar informações pessoais. 

Além disso, eles desempenham um papel importante em tornar a tecnologia acessível a pessoas com deficiências. Com o contínuo avanço do deep learning, podemos esperar assistentes virtuais ainda mais sofisticados e versáteis no futuro.

Mídia Social

O deep learning tem desempenhado um papel significativo nas mídias sociais, melhorando a experiência do usuário e fornecendo insights valiosos.

Duas áreas notáveis são a análise de comportamento do usuário, que rastreia atividades, interações e preferências para personalizar o conteúdo e recomendações de páginas. 

Isso torna as mídias sociais mais envolventes, identifica tendências emergentes e melhora a segurança ao detectar atividades suspeitas. Essas aplicações têm um impacto direto na personalização da experiência do usuário e fornecem informações cruciais para estratégias de marketing e na segurança.

Carros Autônomos

O deep learning é essencial para carros autônomos em várias áreas. Isso inclui percepção e detecção de objetos, navegação, planejamento de rotas, direção em várias condições, reconhecimento de sinalização e segurança. 

Os algoritmos de deep learning capacitam os veículos a interagir com o ambiente e os passageiros, além de continuar aprendendo e melhorando com o tempo. 

Essa tecnologia é fundamental para o desenvolvimento de carros autônomos seguros e eficientes, com potencial para transformar a mobilidade e a segurança no trânsito.

Segurança Cibernética

O deep learning é fundamental na segurança cibernética, detectando ameaças, como atividades suspeitas, malware (software malicioso) e tentativas de invasão, que podem escapar de métodos tradicionais de segurança. 

Ele aprimora a autenticação biométrica, a detecção de e-mails de spam e phishing e a análise do tráfego de rede. Além disso, o deep learning prevê ameaças futuras e fortalece a segurança em aplicações web, endpoints e sistemas de autenticação. 

Essa tecnologia desempenha um papel crucial na proteção de sistemas, redes e dados contra ameaças cibernéticas e está em constante evolução.

Assistência Médica

O deep learning está revolucionando a assistência médica. É amplamente usado no diagnóstico por imagem, triagem de doenças, medicina personalizada e processamento de linguagem natural para análise de registros médicos. 

Além disso, impulsiona assistentes virtuais de saúde, previsão de epidemias, gerenciamento de saúde digital e pesquisa de medicamentos. 

Essas aplicações melhoram a precisão dos diagnósticos, personalizam tratamentos e otimizam a gestão de saúde, beneficiando pacientes e profissionais de saúde.

Finanças 

Por fim, ao que tange ao setor financeiro, o Deep Learning é utilizado em várias aplicações como por exemplo na análise de risco de crédito, detecção de fraudes em transações, previsão de tendências de mercado, assistência ao cliente por meio de chatbots, recomendação de produtos financeiros etc. 

Além disso, o deep learning é aplicado em estratégias de alta frequência de negociação, gestão de portfólio e investimentos quantitativos. 

Essas aplicações melhoram a eficiência, a precisão e a segurança das operações financeiras, beneficiando tanto instituições financeiras como clientes.

Métodos de Aprendizagem Profunda

Existem várias abordagens para construir modelos eficazes de aprendizagem profunda. Estas técnicas incluem:

Decadência da Taxa de Aprendizado

A decadência da taxa de aprendizado é uma técnica importante no treinamento de modelos de aprendizado profundo. A taxa de aprendizado é um hiperparâmetro que determina a magnitude das atualizações nos pesos do modelo durante o treinamento.

Se a taxa de aprendizado for muito alta, o modelo pode oscilar e não convergir. Se for muito baixa, o treinamento pode ser lento e pode ficar preso em mínimos locais.

A decadência da taxa de aprendizado é o processo de redução gradual da taxa de aprendizado ao longo do tempo durante o treinamento, melhorando assim a estabilidade e eficiência do processo.

Transferência de Aprendizado

A transferência de aprendizado é uma estratégia que aproveita modelos de aprendizado profundo pré-treinados para tarefas relacionadas.

Em vez de treinar um modelo do zero, você inicia com um modelo que já aprendeu características úteis de um conjunto de dados grande e, em seguida, ajusta esse modelo para uma tarefa específica.

Por exemplo, se você tem um modelo que foi treinado para classificar imagens em geral, você pode reutilizá-lo para classificar imagens de carros com muito menos dados de treinamento. Isso economiza tempo e recursos, pois o modelo já possui um conhecimento prévio útil.

Treinamento do Zero

O treinamento do zero envolve começar do início, sem aproveitar modelos pré-treinados. Isso é geralmente necessário quando você tem um novo domínio de dados ou uma tarefa muito específica que não se beneficia do conhecimento prévio.

Nesse caso, você coleta um grande conjunto de dados rotulados e projeta uma arquitetura de rede neural apropriada para aprender os recursos e padrões específicos necessários para a tarefa.

Embora o treinamento do zero possa ser eficaz, ele geralmente requer uma quantidade substancial de dados e tempo para treinamento, o que pode ser impraticável em algumas situações.

Cair Fora (Dropout)

O método Cair Fora é uma técnica usada para evitar um problema chamado “overfitting” em redes neurais com muitos parâmetros. Overfitting ocorre quando um modelo se adapta demais aos dados de treinamento, tornando-se menos capaz de generalizar para novos dados.

A ideia do dropout é simples: durante o treinamento, aleatoriamente algumas unidades (ou neurônios) e suas conexões na rede neural são desativados. Isso força o modelo a não depender excessivamente de unidades específicas e a aprender de maneira mais robusta.

O dropout é eficaz em aprimorar o desempenho de redes neurais em tarefas como reconhecimento de fala, classificação de documentos e biologia computacional, tornando o modelo mais versátil.

Redes Neurais de Aprendizagem Profunda

As redes neurais de aprendizagem profunda, também conhecidas como RNAs, são os alicerces da transformação tecnológica que estamos testemunhando. Essas redes são essenciais para a inteligência artificial e o aprendizado profundo, funcionando de maneira análoga ao cérebro humano. 

Elas são compostas por camadas de processamento, cada uma desempenhando um papel importante na extração e interpretação de informações. As camadas de entrada servem para receber os dados, enquanto as camadas de saída geram os resultados desejados. 

O verdadeiro “milagre” acontece nas camadas intermediárias, também chamadas de camadas ocultas. É nesse ponto que as RNAs processam e transformam os dados, permitindo que a rede tome decisões complexas. Para atender a diferentes tarefas e desafios, as RNAs vêm em várias formas:

Redes Neurais Recorrentes: são ideais para compreender sequências de dados, como texto ou áudio, capturando relações temporais.

Redes Neurais Convolucionais: são especializadas em visão computacional e são mestres no reconhecimento de imagens.

RNAs Feedforward: são a escolha perfeita para tarefas diretas e mais simples, como classificação de dados.

Redes Neurais Diretas: representam a versatilidade pura, sendo adequadas para uma ampla gama de tarefas.

Essa diversidade nas RNAs oferece a capacidade de escolher a ferramenta certa para cada tarefa, tornando o aprendizado profundo incrivelmente flexível e eficaz em cenários que variam desde processamento de linguagem natural até análise de imagens. 

Portanto, quando você interage com sistemas de IA, lembre-se de que as redes neurais desempenham um papel crucial em como a tecnologia compreende e responde ao mundo ao nosso redor.

7 Benefícios do Aprendizado Profundo

O aprendizado profundo oferece diversas vantagens. Conheças algumas delas!

  1. Aprendizado Automático de Recursos: extrai automaticamente recursos, eliminando a necessidade de supervisão constante.
  2. Descoberta de Padrões Complexos: analisa grandes volumes de dados, identificando padrões intrincados em imagens, texto e áudio, mesmo quando não treinado para fazê-lo.
  3. Processamento de Dados Voláteis: lida eficazmente com conjuntos de dados que apresentam variações substanciais, como em sistemas de transações e detecção de fraudes.
  4. Compatibilidade com Diferentes Tipos de Dados: processa dados estruturados e não estruturados.
  5. Alta Precisão: o uso de camadas adicionais melhora a precisão dos modelos de aprendizado profundo.
  6. Maior Automação: requer menos intervenção humana em comparação com métodos de aprendizado de máquina tradicionais.
  7. Ampla Aplicabilidade: capaz de abordar tarefas desafiadoras que outros métodos de aprendizado de máquina não conseguem realizar de forma tão eficaz.

Conclusão

Em resumo, o deep learning é uma tecnologia poderosa que está transformando muitos aspectos de nossas vidas, desde a automação de tarefas cotidianas até a segurança cibernética.

É essencial estar familiarizado com essa tecnologia, pois estar informado sobre o conceito deep learning é uma necessidade para enfrentar os desafios e aproveitar as oportunidades tecnológicas.

Portanto, encorajamos você a explorar e aprender mais sobre IA, pois isso o capacitará a otimizar suas operações e alcançar maior eficiência em sua vida pessoal e profissional.

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