【轩说AI】生成模型（1）——自编码器AE+变分自编码器VAE_变分自编码器生成序列

生成模型

从概率分布的角度去理解“生成”一张图片

一维随机变量的概率密度$f(X)$
二维随机变量的联合概率密度$f(X,Y)$
…
一张图片的每一个像素都是一个随机变量X，他可以在0-255之间任意取值，一张20pixel*20pixel的图片，就是400维的随机向量，他的分布$f(X_1,X_2,...,X_{399},X_{400})$，如果它是一张特定的宝可梦的图片

生成宝可梦

上述宝可梦图片每个像素的值是确定的。如果一个生成模型想要生成它，那么他的分布$f(X_1,X_2,...,X_{399},X_{400})$必须尽可能的拟合这个原图给出的像素值$Y=(x_1,x_2,...,x_{399},x_{400})$，也就是说，这个生成模型是在拟合一个概率分布，这个分布在某个给定的400维像素分布Y的时候，取值最大，且方差尽可能小。

举例，假如Y中某个像素Xi=168，那么$f(X_1,X_2,...,X_{399},X_{400})$的边缘概率密度$f(X_i)$可以拟合出一个均值168，方差越小越好的正态分布。

生成系列图片

生成所有的宝可梦：

令$P(X)$=分布$f(X_1,X_2,...,X_{399},X_{400})$

1. 在上述生成单个皮卡丘的情况，这个分布P(X)是单峰的，只有在给定的Y分布时，概率密度最大。
2. 在生成所有的宝可梦时，这个分布可以是多峰的，也就是P(X)涵盖了所有可能的宝可梦。同理，在手写数字识别时，它涵盖了所有可能的数字“1”（或者其他数字）。这时，只要在P采样，就可以得到想要的sample。

可见，图片中像素的分布需要满足一定条件时，P(X)中采样得到的图片才能是个宝可梦。可以想象，一个400维的随即向量的可能取值有$256^{400}$种，并不是每种像素值的组合都会是一张宝可梦，假如每个像素的边际分布是均匀分布，那么得到的会是一张“电视雪花模糊”图片，毫无意义。

所以，这个P(X)是一种客观实在的东西，是我们用概率学去抽象出的图片的分布规律。于是，我们要想办法生成这个分布函数P(X)，让他尽可能的拟合真实世界中的分布。

我们认识客观世界的过程就是学习分布的过程。买菜买肉时“看成色”，是因为我们头脑中有“好物”的颜色、气味应该是什么分布，比如一个深蓝绿色的汉堡包就很奇怪。

自动编码器Auto-Encoder

AE的模型及其存在的问题

把图片X降维，然后生成code，然后在解码，得到一个模拟的分布中的采样sample。

关于降维，如果感兴趣背后的故事，请看我上一篇博客【轩说AI】无监督特征学习——主成分分析、稀疏编码、自编码器。

这里面X是咖啡这个分布的一个采样，生成的也是某个分布中的采样code，最后得到的也是一个分布中的采样sample，整个AE只是在做编码解码。

隐空间code中的分布是一个个“点”，每个X进来，生成一个code值，会出现如下问题。

也就是说，这个生成器产生的分布和隐空间的点具有一一对应的关系，“记得死死的”，过拟合。并且隐空间的编码值可解释性差。而隐空间中各个编码值的之间的“点”，decoder可能因为完全没见过，而产生一些错误的分布。假设我们在隐空间Z中取得数字“8”降维后和数字“9”降维后的点的中心点，我们希望这个点可以既像8又像9，但是真实情况是，decoder并未能解析这个点。

AE中的高斯混合模型

$$\begin{gathered} m：隐空间的取值。 \\ p(m)：隐空间的分布 \\ p(x|m)：decoder拟合的正态分布(gaussian) \\ p(x)：所有gaussian的mixture \end{gathered}$$

我们要拟合一个手写数字“1”，P(x)就是这个手写数字1的概率分布函数，x∈R(400)，每个峰值都对应着一种可能的字体“1”，每处低谷都对应着其他图像分布（可能是一只宝可梦，但是我们不管他）【上述图像的峰值位置应该比较集中，图示仅供参考】

上述这个分布是decoder来拟合的，也就是说，给出一个隐空间的点m（前提是这个点距离之前训练样本产生的点非常非常近），那么这个decoder会拟合出一个比较合理的正态分布$p(x|m)$，对应着某一种写法的数字“1”（比如草体数字“1”）

但是，这个$P(m)$如果是离散型随机变量的分布，那么有些m的取值我们的decoder就难以拟合出正确的$p(x|m)$，而进一步说，我们的$P(x)$也可以说是“不完整的”，没有涵盖所有可能的数字“1”。

这就是普通的auto-encoder的问题所在：隐空间中的分布不是连续的。

AE的训练情况

可见，每个训练样本在隐空间用一个有颜色的点来表示，同一类用一个颜色表示。可以看出，点和点之间的空隙很大。每个样本都在decoder中获得了一个$p(x|m)$，产生了对应的一个正态分布。并且通过$\underset{m}{\Sigma }[p(x|m)\ast p(m)]$得到了P(x)。与上述所言**“AE中的高斯混合模型”**不同的是，这里将p(m)推广为所有手写数字训练样本的在隐空间的分布。生成了的p(x)也是所有手写数字的分布，概率密度大的地方就可能是某一种数字的手写图片分布值（也就是同时涵盖了“1”~"9"的分布）
这里的推广，更多的是开拓思路，也就是p(x)可以用decoder生成的Gaussian 任意mixture。就如同一堆宝可梦的例子中，我们的P(X)涵盖了所有可能的宝可梦，而不只是所有可能的皮卡丘。

举例理解从AE到VAE

根据前文，我们知道了AE隐空间的分布是离散的，decoder实际上就是一个$p(x|m)$。

在上面图片中，我们在code（隐空间）中取出一个介于满月和圆月的code-x，然后想要送入decoder，可惜，这个decoder并不能把它映射为一个比较”合理“的”3/4月亮“，同时，在Gaussian Mixture后的P(X)中，我们在3/4月亮对应的分布处的概率密度也是几乎为0。这显然不够合理。

于是产生了VAE，通过加入噪音，来使得code-x在圆月样本训练和半月样本训练时都参加，也就是既去拟合圆月的分布，又去拟合半月的分布，最后得到一个”合理“的”3/4月亮“。

这个噪音通常是以原来AE的code为均值，产生一定方差的正态分布。这个分布p(m)，也被称为先验分布。他可以是其他分布，但是我们暂且定义为N(μ,Σ)

变分自动编码器Variational Auto-Encoder

VAE的模型

VAE中，某样本Xi经过encoder产生的是一个隐空间上的正态分布，而不是一个具体的点。
不同于AE的Encoder只产生一个vector，VAE的Encoder产生一个两倍dimension的vector，并将前1/2看做产生的分布的“均值”，后1/2看做产生的分布的“方差的以e为底的对数”。之所以如此，是因为我们希望分布均值为0，方差为1，则ln(e)=0，而神经网络拟合变量趋向于0的能力比拟合到1的能力更稳定。
$$\begin{gathered} z～N(m_1,m_2,m_3,exp({\sigma }_1),exp({\sigma }_2),exp({\sigma }_3)) \\ 这里我们定义均值\mu =m，方差\Sigma =exp(\sigma ) \end{gathered}$$

如下图，在代码实现上，为了保证没有“梯度断裂”，可以做back propagation，不能产生$\mu$和$\sigma$后生成高斯分布然后随机sample。而是迂回一下，通过在N(0,I)中采样得到$ϵ$，然后$z=ϵ\sigma +\mu$得到sample值，然后放入后面的decoder解码。这样就保证了梯度在反向传播时可以顺畅无阻。

在李宏毅的PPT中的模型，也是这种思想。

VAE的高斯混合模型

我们把m换成z,同样表示隐空间的变量。在上述的m分布里，m是一组离散的隐空间取值。z是一个随机向量，每一个维度表示一种特征。我们在其某一维度上映射在图中，方便观察。z的每一维度都是连续型随机变量。z的每一个取值都对应一个Gaussian，所以P(x)是由无数个Gaussian来mix而成。

我们还以二维隐空间为例。

这样，隐空间中连续分布的p(z)，每一个点都会对应一个Gaussian，从而有无穷多个Gaussian。使得decoder可以对隐空间的任意位置（相对AE而言更任意）进行分布映射，生成对应的图片像素分布。将其mixture之后得到了P(X）
$$P(x)=\int p(x|z)\ast p(z)dz$$
这样，我们就解决了普通auto-encoder中存在的问题——隐空间中的分布已经变成连续的了。

我们用标准正态分布来定义这个p(z)（其他连续型的先验分布也可以），我们将p(z)称为隐空间的理想分布。

明确p(z)和p(z|x)的区别

1. p(z)
   p(z)是我们期望的隐空间的分布情况，是一种先验分布，人为定义成正态分布，也可以是其他分布。在AE中，我们隐空间的p(z)是离散型分布【又称之为p(m)】，故经过decoder后在p(x)中不能包含隐空间中每个点的Gaussian，而是只有个别某些可数个点的Gaussian的mixture。所以我们希望隐空间应该是一种连续的分布，并假设二维隐空间上的分布是一个标准正态分布N(0,0,1,1)，经过强大的decoder后，每一个Z(x,y)都会映射为一个Gaussian，具体公式上文已经解释过。

2. p(z|x)
   p(z|x)是我们用encoder根据某个输入x得到的编码分布，是一种后验分布。是根据某一个输入样本，实际产生的在隐空间的分布。也就是根据encoder产生的$\mu$和$\sigma$得到的分布。

那这个p(z)和我们用encoder产生的p(z|x)有什么关联呢？如何建立一种关联？直观上说，或许p(z|x)应该越趋向于p(z)越好，后面我将用理论推导，证明二者分布应该尽可能相似。

VAE的训练情况

在VAE的训练中，如果我们只关注重构误差(reconstruction error)，那么encoder产生的$log(\sigma )$会逐渐趋于负无穷，即：z的正态分布的方差逐渐趋于0，因为VAE发现noise越小，重构误差就越小。然而这和我们的初心相悖，我们希望encoder产生的是一个有噪音的分布。

于是，loss中除了重构误差，还有对隐空间变量的限制：
$$\Sigma [(exp({\sigma }_i)-(1+{\sigma }_i)+m^2)]$$

旨在让：$\mu i趋向于0,\sigma i趋向于1$
即：$p(z|x)趋向于N(0,1)$
而N(0,I)就是我们定义的p(z)。这个loss表明我们在让p(z|x)趋向于p(z)，所以为什么loss函数要这么写呢？请看下文。

Loss中对隐空间分布限制的函数的推导

这里的推导源于李宏毅老师课上的讲述，更合理的方案是变分推断，需要了解概率图模型、有参推导等知识，建议查看邱锡鹏老师的《nndl》这本书，如果对于上述数学知识了解不深，可以试着用下面的角度理解。

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