【李宏毅机器学习】自编码器auto-encoder

note:

• VAE的本质结构：重构的过程是希望没噪声的，而 KL loss 则希望有高斯噪声的，两者是对立的。所以，VAE 跟 GAN 一样，内部其实是包含了一个对抗的过程，只不过它们两者是混合起来，共同进化的。

一、auto-encoder

auto encoder是一个基本的生成模型，以encoder-decoder的架构进行先编码（如将图像压缩成更低维度向量），再解码（如将刚才的低维向量还原为图像），并且还原出的图像和原图像越接近越好，reconstruction error。常见的transformer模型就是这种auto-encoder模型（其实FCN的卷积和反卷积也是这样）。

• 在训练时，加入噪声能使得学得的model泛化能力更强；

二、自编码器的应用

2.1 Feature Disentangle

如果人声音有两种信息（人信息+声音内容信息），可以将两个encoder后的向量中，分别提取人信息、声音内容信息，进行语音合成（变声器）。

2.2 Text as Representation（学会产生摘要）​

直接encoder-decoder学到的摘要可能狗P不通，大佬们利用GAN概念，加上discriminator（看过人写的句子长啥样）。

2.3 Anomaly Detection（欺诈检测）

常规的异常检测中，我们需要找到正样本（容易获取，正常的信用卡交易记录），但是负样本不容易获取或者构造，用auto-encoder就能解决这个问题：利用auto-encoder基于同类（比如说正样本）图片训练好的模型，在测试时：
（1）比如正样本（正常类）图片通过encoder编码和decoder解码，计算还原后的照片和原照片的差异，如果很小则认为是这类是在训练时看过的照片（正样本）。
（2）比如负样本（异常类）图片，因为这类照片在训练时没看过，经过encoder和decoder后很难还原回来，差异很大则认为是异常情况。

三、HW8：FCN auto-encoder

class fcn_autoencoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(fcn_autoencoder, self).__init__()
        self.encoder = nn.Sequential(
            nn.Linear(64 * 64 * 3, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(128, 64),
            nn.ReLU(), 
            nn.Linear(64, 12), 
            nn.ReLU(), 
            nn.Linear(12, 3)
        )
        
        self.decoder = nn.Sequential(
            nn.Linear(3, 12),
            nn.ReLU(), 
            nn.Linear(12, 64),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(64, 128),
            nn.ReLU(), 
            nn.Linear(128, 64 * 64 * 3), 
            nn.Tanh()
        )

    def forward(self, x):
        x = self.encoder(x)
        x = self.decoder(x)
        return x

class conv_autoencoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(conv_autoencoder, self).__init__()
        self.encoder = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 12, 4, stride=2, padding=1),         
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(12, 24, 4, stride=2, padding=1),        
            nn.ReLU(),
			      nn.Conv2d(24, 48, 4, stride=2, padding=1),         
            nn.ReLU(),
        )
        self.decoder = nn.Sequential(
			      nn.ConvTranspose2d(48, 24, 4, stride=2, padding=1),
            nn.ReLU(),
			      nn.ConvTranspose2d(24, 12, 4, stride=2, padding=1), 
            nn.ReLU(),
            nn.ConvTranspose2d(12, 3, 4, stride=2, padding=1),
            nn.Tanh(),
        )

    def forward(self, x):
        x = self.encoder(x)
        x = self.decoder(x)
        return x

class VAE(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(VAE, self).__init__()
        self.encoder = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 12, 4, stride=2, padding=1),            
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(12, 24, 4, stride=2, padding=1),    
            nn.ReLU(),
        )
        # encoder have two encoder_output
        self.enc_out_1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(24, 48, 4, stride=2, padding=1),  
            nn.ReLU(),
        )
        self.enc_out_2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(24, 48, 4, stride=2, padding=1),
            nn.ReLU(),
        )
        self.decoder = nn.Sequential(
			      nn.ConvTranspose2d(48, 24, 4, stride=2, padding=1), 
            nn.ReLU(),
			      nn.ConvTranspose2d(24, 12, 4, stride=2, padding=1), 
            nn.ReLU(),
            nn.ConvTranspose2d(12, 3, 4, stride=2, padding=1), 
            nn.Tanh(),
        )

    def encode(self, x):
        h1 = self.encoder(x)
        return self.enc_out_1(h1), self.enc_out_2(h1)

    def reparametrize(self, mu, logvar):
        std = logvar.mul(0.5).exp_()
        if torch.cuda.is_available():
            eps = torch.cuda.FloatTensor(std.size()).normal_()
        else:
            eps = torch.FloatTensor(std.size()).normal_()
        eps = Variable(eps)
        return eps.mul(std).add_(mu)

    # decoder part
    def decode(self, z):
        return self.decoder(z)

    def forward(self, x):
        mu, logvar = self.encode(x)
        z = self.reparametrize(mu, logvar)
        return self.decode(z), mu, logvar


def loss_vae(recon_x, x, mu, logvar, criterion):
    """
    recon_x: generating images
    x: origin images
    mu: latent mean
    logvar: latent log variance
    """
    mse = criterion(recon_x, x)
    KLD_element = mu.pow(2).add_(logvar.exp()).mul_(-1).add_(1).add_(logvar)
    KLD = torch.sum(KLD_element).mul_(-0.5)
    return mse + KLD
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四、VAEs在推荐系统的应用

参考：推荐系统从零到负无穷（十）-自编码器AutoRec。VAE即变分自编码器。

Reference

[1] 李宏毅21版视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV1JA411c7VT
[2] 李宏毅ML官方地址：http://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/courses.html
[3] https://github.com/unclestrong/DeepLearning_LHY21_Notes
[4] 自编码器李宏毅
[5] 变分自编码器(VAEs)在推荐系统中的应用
[6] https://www.kaggle.com/competitions/ml2022spring-hw8/rules
[7] 变分自编码器VAE：原来是这么一回事 | 附开源代码
[8] 推荐系统从零到负无穷（十）-自编码器AutoRec

附：时间安排