快捷導(dǎo)航

pytorch 實(shí)現(xiàn)變分自動(dòng)編碼器的操作

更新時(shí)間：2021年05月24日 09:45:47 作者：xckkcxxck

這篇文章主要介紹了pytorch 實(shí)現(xiàn)變分自動(dòng)編碼器的操作，具有很好的參考價(jià)值，希望對(duì)大家有所幫助。如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教

本來(lái)以為自動(dòng)編碼器是很簡(jiǎn)單的東西，但是也是看了好多資料仍然不太懂它的原理。先把代碼記錄下來(lái)，有時(shí)間好好研究。

這個(gè)例子是用MNIST數(shù)據(jù)集生成為例子

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Fri Oct 12 11:42:19 2018
@author: www
""" 
import os 
import torch
from torch.autograd import Variable
import torch.nn.functional as F
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
 
from torchvision.datasets import MNIST
from torchvision import transforms as tfs
from torchvision.utils import save_image 
im_tfs = tfs.Compose([
    tfs.ToTensor(),
    tfs.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5]) # 標(biāo)準(zhǔn)化
])
 
train_set = MNIST('E:\data', transform=im_tfs)
train_data = DataLoader(train_set, batch_size=128, shuffle=True)
 
class VAE(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(VAE, self).__init__()
 
        self.fc1 = nn.Linear(784, 400)
        self.fc21 = nn.Linear(400, 20) # mean
        self.fc22 = nn.Linear(400, 20) # var
        self.fc3 = nn.Linear(20, 400)
        self.fc4 = nn.Linear(400, 784)
 
    def encode(self, x):
        h1 = F.relu(self.fc1(x))
        return self.fc21(h1), self.fc22(h1)
 
    def reparametrize(self, mu, logvar):
        std = logvar.mul(0.5).exp_()
        eps = torch.FloatTensor(std.size()).normal_()
        if torch.cuda.is_available():
            eps = Variable(eps.cuda())
        else:
            eps = Variable(eps)
        return eps.mul(std).add_(mu)
 
    def decode(self, z):
        h3 = F.relu(self.fc3(z))
        return F.tanh(self.fc4(h3))
 
    def forward(self, x):
        mu, logvar = self.encode(x) # 編碼
        z = self.reparametrize(mu, logvar) # 重新參數(shù)化成正態(tài)分布
        return self.decode(z), mu, logvar # 解碼，同時(shí)輸出均值方差 
 
net = VAE() # 實(shí)例化網(wǎng)絡(luò)
if torch.cuda.is_available():
    net = net.cuda()
    
x, _ = train_set[0]
x = x.view(x.shape[0], -1)
if torch.cuda.is_available():
    x = x.cuda()
x = Variable(x)
_, mu, var = net(x) 
print(mu)
 
#可以看到，對(duì)于輸入，網(wǎng)絡(luò)可以輸出隱含變量的均值和方差，這里的均值方差還沒(méi)有訓(xùn)練
 
#下面開(kāi)始訓(xùn)練 
reconstruction_function = nn.MSELoss(size_average=False) 
def loss_function(recon_x, x, mu, logvar):
    """
    recon_x: generating images
    x: origin images
    mu: latent mean
    logvar: latent log variance
    """
    MSE = reconstruction_function(recon_x, x)
    # loss = 0.5 * sum(1 + log(sigma^2) - mu^2 - sigma^2)
    KLD_element = mu.pow(2).add_(logvar.exp()).mul_(-1).add_(1).add_(logvar)
    KLD = torch.sum(KLD_element).mul_(-0.5)
    # KL divergence
    return MSE + KLD 
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=1e-3)
 
def to_img(x):
    '''
    定義一個(gè)函數(shù)將最后的結(jié)果轉(zhuǎn)換回圖片
    '''
    x = 0.5 * (x + 1.)
    x = x.clamp(0, 1)
    x = x.view(x.shape[0], 1, 28, 28)
    return x
 
for e in range(100):
    for im, _ in train_data:
        im = im.view(im.shape[0], -1)
        im = Variable(im)
        if torch.cuda.is_available():
            im = im.cuda()
        recon_im, mu, logvar = net(im)
        loss = loss_function(recon_im, im, mu, logvar) / im.shape[0] # 將 loss 平均
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
 
    if (e + 1) % 20 == 0:
        print('epoch: {}, Loss: {:.4f}'.format(e + 1, loss.item()))
        save = to_img(recon_im.cpu().data)
        if not os.path.exists('./vae_img'):
            os.mkdir('./vae_img')
        save_image(save, './vae_img/image_{}.png'.format(e + 1))

補(bǔ)充：PyTorch 深度學(xué)習(xí)快速入門——變分自動(dòng)編碼器

變分編碼器是自動(dòng)編碼器的升級(jí)版本，其結(jié)構(gòu)跟自動(dòng)編碼器是類似的，也由編碼器和解碼器構(gòu)成。

回憶一下，自動(dòng)編碼器有個(gè)問(wèn)題，就是并不能任意生成圖片，因?yàn)槲覀儧](méi)有辦法自己去構(gòu)造隱藏向量，需要通過(guò)一張圖片輸入編碼我們才知道得到的隱含向量是什么，這時(shí)我們就可以通過(guò)變分自動(dòng)編碼器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

其實(shí)原理特別簡(jiǎn)單，只需要在編碼過(guò)程給它增加一些限制，迫使其生成的隱含向量能夠粗略的遵循一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，這就是其與一般的自動(dòng)編碼器最大的不同。

這樣我們生成一張新圖片就很簡(jiǎn)單了，我們只需要給它一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)隱含向量，這樣通過(guò)解碼器就能夠生成我們想要的圖片，而不需要給它一張?jiān)紙D片先編碼。

一般來(lái)講，我們通過(guò) encoder 得到的隱含向量并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，為了衡量?jī)煞N分布的相似程度，我們使用 KL divergence，利用其來(lái)表示隱含向量與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布之間差異的 loss，另外一個(gè) loss 仍然使用生成圖片與原圖片的均方誤差來(lái)表示。

KL divergence 的公式如下

重參數(shù) 為了避免計(jì)算 KL divergence 中的積分，我們使用重參數(shù)的技巧，不是每次產(chǎn)生一個(gè)隱含向量，而是生成兩個(gè)向量，一個(gè)表示均值，一個(gè)表示標(biāo)準(zhǔn)差，這里我們默認(rèn)編碼之后的隱含向量服從一個(gè)正態(tài)分布的之后，就可以用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布先乘上標(biāo)準(zhǔn)差再加上均值來(lái)合成這個(gè)正態(tài)分布，最后 loss 就是希望這個(gè)生成的正態(tài)分布能夠符合一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，也就是希望均值為 0，方差為 1

所以最后我們可以將我們的 loss 定義為下面的函數(shù)，由均方誤差和 KL divergence 求和得到一個(gè)總的 loss

def loss_function(recon_x, x, mu, logvar):
    """
    recon_x: generating images
    x: origin images
    mu: latent mean
    logvar: latent log variance
    """
    MSE = reconstruction_function(recon_x, x)
    # loss = 0.5 * sum(1 + log(sigma^2) - mu^2 - sigma^2)
    KLD_element = mu.pow(2).add_(logvar.exp()).mul_(-1).add_(1).add_(logvar)
    KLD = torch.sum(KLD_element).mul_(-0.5)
    # KL divergence
    return MSE + KLD

用 mnist 數(shù)據(jù)集來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明一下變分自動(dòng)編碼器

import os 
import torch
from torch.autograd import Variable
import torch.nn.functional as F
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
 
from torchvision.datasets import MNIST
from torchvision import transforms as tfs
from torchvision.utils import save_image
 
im_tfs = tfs.Compose([
    tfs.ToTensor(),
    tfs.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5]) # 標(biāo)準(zhǔn)化
])
 
train_set = MNIST('./mnist', transform=im_tfs)
train_data = DataLoader(train_set, batch_size=128, shuffle=True)
 
class VAE(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(VAE, self).__init__()
 
        self.fc1 = nn.Linear(784, 400)
        self.fc21 = nn.Linear(400, 20) # mean
        self.fc22 = nn.Linear(400, 20) # var
        self.fc3 = nn.Linear(20, 400)
        self.fc4 = nn.Linear(400, 784)
 
    def encode(self, x):
        h1 = F.relu(self.fc1(x))
        return self.fc21(h1), self.fc22(h1)
 
    def reparametrize(self, mu, logvar):
        std = logvar.mul(0.5).exp_()
        eps = torch.FloatTensor(std.size()).normal_()
        if torch.cuda.is_available():
            eps = Variable(eps.cuda())
        else:
            eps = Variable(eps)
        return eps.mul(std).add_(mu)
 
    def decode(self, z):
        h3 = F.relu(self.fc3(z))
        return F.tanh(self.fc4(h3))
 
    def forward(self, x):
        mu, logvar = self.encode(x) # 編碼
        z = self.reparametrize(mu, logvar) # 重新參數(shù)化成正態(tài)分布
        return self.decode(z), mu, logvar # 解碼，同時(shí)輸出均值方差
 
net = VAE() # 實(shí)例化網(wǎng)絡(luò)
if torch.cuda.is_available():
    net = net.cuda()
x, _ = train_set[0]
x = x.view(x.shape[0], -1)
if torch.cuda.is_available():
    x = x.cuda()
x = Variable(x)
_, mu, var = net(x) 
print(mu) 
 
Variable containing:  Columns 0 to 9  -0.0307 -0.1439 -0.0435  0.3472  0.0368 -0.0339  0.0274 -0.5608  0.0280  0.2742  Columns 10 to 19  -0.6221 -0.0894 -0.0933  0.4241  0.1611  0.3267  0.5755 -0.0237  0.2714 -0.2806 [torch.cuda.FloatTensor of size 1x20 (GPU 0)]

可以看到，對(duì)于輸入，網(wǎng)絡(luò)可以輸出隱含變量的均值和方差，這里的均值方差還沒(méi)有訓(xùn)練下面開(kāi)始訓(xùn)練

reconstruction_function = nn.MSELoss(size_average=False) 
def loss_function(recon_x, x, mu, logvar):
    """
    recon_x: generating images
    x: origin images
    mu: latent mean
    logvar: latent log variance
    """
    MSE = reconstruction_function(recon_x, x)
    # loss = 0.5 * sum(1 + log(sigma^2) - mu^2 - sigma^2)
    KLD_element = mu.pow(2).add_(logvar.exp()).mul_(-1).add_(1).add_(logvar)
    KLD = torch.sum(KLD_element).mul_(-0.5)
    # KL divergence
    return MSE + KLD 
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=1e-3)
 
def to_img(x):
    '''
    定義一個(gè)函數(shù)將最后的結(jié)果轉(zhuǎn)換回圖片
    '''
    x = 0.5 * (x + 1.)
    x = x.clamp(0, 1)
    x = x.view(x.shape[0], 1, 28, 28)
    return x
 
for e in range(100):
    for im, _ in train_data:
        im = im.view(im.shape[0], -1)
        im = Variable(im)
        if torch.cuda.is_available():
            im = im.cuda()
        recon_im, mu, logvar = net(im)
        loss = loss_function(recon_im, im, mu, logvar) / im.shape[0] # 將 loss 平均
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
 
    if (e + 1) % 20 == 0:
        print('epoch: {}, Loss: {:.4f}'.format(e + 1, loss.data[0]))
        save = to_img(recon_im.cpu().data)
        if not os.path.exists('./vae_img'):
            os.mkdir('./vae_img')
        save_image(save, './vae_img/image_{}.png'.format(e + 1))
  
epoch: 20, Loss: 61.5803 epoch: 40, Loss: 62.9573 epoch: 60, Loss: 63.4285 epoch: 80, Loss: 64.7138 epoch: 100, Loss: 63.3343

變分自動(dòng)編碼器雖然比一般的自動(dòng)編碼器效果要好，而且也限制了其輸出的編碼 (code) 的概率分布，但是它仍然是通過(guò)直接計(jì)算生成圖片和原始圖片的均方誤差來(lái)生成 loss，這個(gè)方式并不好，生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)中，我們會(huì)講一講這種方式計(jì)算 loss 的局限性，然后會(huì)介紹一種新的訓(xùn)練辦法，就是通過(guò)生成對(duì)抗的訓(xùn)練方式來(lái)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)而不是直接比較兩張圖片的每個(gè)像素點(diǎn)的均方誤差

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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