Auto-encoder（自编码器）的原理及最新的技术应用（李宏毅视频课整理和总结）

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0 前言

本节学习的是Auto-encoder，这是一种无监督的学习算法，主要用于数据的降维或者特征的抽取。自编码器是一种特殊的神经网络架构，其的输入和输出是架构是相同的，先获取输入数据的低维度表达，然后在神经网络的后段重构回高维的数据表达，在此基础还有诸多应用。本文由整理李宏毅老师视频课笔记和个人理解所得，详细讲述了Auto-encoder的原理及最新的技术。我会及时回复评论区的问题，如果觉得本文有帮助欢迎点赞 ?。

1 Auto-encoder

Auto-encoder是一个基本的生成模型，更重要的是它提供了一种encoder-decoder的框架思想，广泛的应用在了许多模型架构中。简单来说，Auto-encoder可以看作是如下的结构：

1. Encoder(编码器)：它可以把原先的图像压缩成更低维度的向量。
2. Decoder(解码器)：它可以把压缩后的向量还原成图像，通常它们使用的都是神经网络。

Encoder接收一张图像（或是其他类型的数据）（hidden layer）输出一个低维的vector，它也可称为Embedding或者code，然后将vector输入到Decoder中就可以得到重建后的图像，希望它和输入图像越接近越好，即最小化重建误差（reconstruction error）。Auto-encoder本质上就是一个自我压缩和解压的过程。具体如下图：

第一个流程图：假设输入是一张图片，有784个像素，输入一种network的Encoder（编码器）后，输出一组远小于784的code vector，认为这是一种紧凑的表示。
第二个流程图：输入是一组code vector，经过network的Decoder（解码器）之后可以输出原始图片。

两者单独来看都是无监督学习，不能独立训练，因为不知道输出是什么。所以将两者结合起来训练。

1.1 PCA

先回顾PCA的概念。PCA输入是$x$，乘上W的权值矩阵，可以得到component $c$，然后再乘上$W^T$ ，可以得到$\hat{x}$。目标函数即使得$x$和$\hat{x}$的差值最小：Minimize $(x?\hat{x}{)}^2$。

将PCA类比为network的话，就可以分为input layer，hidden layer和output layer，hidden layer又称Bottleneck（瓶颈） layer。因为hidden layer的通常维数比output和input要小很多，所以整体看来hidden layer形如瓶颈一般。 Hidden layer 的输出就可以等同于Auto-encoder的code vector。

1.2 Deep Auto-encoder

但是PCA只有一个hidden layer，如果我们将hidden layer增加，就变成了Deep Auto-encoder。目标函数也是：Minimize $(x?\hat{x}{)}^2$，训练方法和训练一般的神经网络一样。

将中间最窄的hidden layer作为bottleneck layer，其输出就是code。bottleneck layer之前的部分认为是encoder，之后的部分认为是decoder。

可认为$W_1$和$W_1^T$互为转置的关系，参数的值是相同的，但是实际上这种对称是没有必要的。直接训练就可以了。

对比使用PCA和Deep Auto-encoder的结果，可以发现后者的结果要好很多：

为了可视化，将bottleneck layer的输出降到2维后拿出来显示，不同颜色代表不同的数字。PCA就比较混杂，而Deep Auto-encoder分得比较开。

2 Some Applications

2.1 Text Retrieval（文字检索）

一般的文字搜索的方法是Vector Space Model，把每一篇文章表示为空间中的一个点，将输入的查询词汇也变成空间中的一个点，计算输出的查询词汇和文章在空间的距离，比如内积和cosine similarity，用距离来retrieve。

这个模型的核心是将一个document表示成一个vector，假设我们有一个 bag of word，假设所有的词汇有十万个，那么这个document的维度就是十万维。涉及到某个词汇，对应的维度就置为1。但是这样的模型无法知道具体的语义，对它来说每一个词汇都是独立的，忽略了相关性。

可以使用Auto-encoder来表示这种相关性。

降到2维后做可视化，右上的每个点表示一个document，可以发现同一类的document都分散在一起。如果用刚刚的LSA模型，如右下，就得不到类似的结果。

2.2 Similar Image Search（相似图片搜索）

可以用在图片的搜索上面，用图片来寻找类似的图片。如果使用欧式距离在像素密度空间去搜索的话，结果如下，效果不是很好。

Auto-encoder的方法就是将图片变成一个code，在code空间去做搜索。变成code之后再通过一个decoder，reconstruct回来可以得到下图的结果：

如果在code上做搜索的话，可以得到以下结果，至少都是人脸。

2.3 Pre-training（预训练）

在训练DNN的时候希望能选择好的初始值，这类方法称为Pre-training。可以用Auto-encoder来做Pre-training，假设目标是一个如下的network：

开始使用Auto-encoder对第一个hidden layer进行训练：

但是有个问题，就是这里的hidden layer是1000维，code比两边都大，可能什么都learn不到，直接把参数复制一遍就可以一模一样了。所以要加一个很强的regularization 来约束，比如使得这1000维是稀疏（sparse）的，某几个维度才有值，这样才能learn下去。

现在将学好的第一层的$W^1$固定下来，再学习第二层hidden layer：

同理得到其他的W：

已经得到很好的W了，最后使用BP（back propagation）算法fine-tune微调一下即可。不过现在训练的技术进步，Pre-training用的不多了，但是如果你unlabeled data很多，labeled data1很少，那么可以使用这个方法。

3 De-noising Auto-encoder（加噪的自编码器）

这是一种改进的Auto-encoder算法：训练的时候，在x输入前加入噪声。这样做的结果会使得学习的模型有更好的鲁棒性。

还有很多线性的降维法：

深度信念网络：

4 Auto-encoder for CNN

一般图像处理会使用CNN，如果将Auto-encoder的思想用在CNN上，那么encoder和decoder的卷积、池化和反卷积、池化将是一一对应的，如下图所示：

但是反卷积和反池化到底是什么呢？

4.1 Unpooling（反池化）

首先看反池化的部分。池化的意思原本是对特征进行提取，比如是在22的矩阵中选取一个作为特征，那么此时使用一个Max location的层来记录筛选特征的位置，在后面进行反池化（unpooling）的时候就依据Max location的位置reconstruction这些特征。原本1414的数据，经过unpooling之后就会变成28*28的数据。具体过程如下图所示：

上述只是一种方式，也有不管位置信息，直接将特征复制4份的做法。

4.2 Deconvolution（反卷积）

那对于反卷积来说，本质上就是做卷积。我们知道卷积的本质就是相乘相加，再移位后继续重复。用一维的卷积举例，输入5个点，卷积核为红色蓝色绿色的3个weight，最后相加得到3个值。而Deconvolution 的就是反过来，因为刚才是三个点乘上3个weight，相加后变成1个值，这里Deconvolution就需要从1个值乘3个weight变成3个值，其他点操作一样，产生在相同位置的值可以相加。最后初始的3个点就变成了5个点。这件事其实等价于padding后的convolution，在3个点周围补上4个零，仍然使用3个weight，最后得到的结果是一模一样的。不同之处在于，卷积核即weight的顺序是相反的：

4.3 Generate Image

Decoder还有一个特别的用法，因为已经训练好了整个模型，将Decoder抽出来，随机丢入一个二维的code，希望可以输出一张图。李宏毅老师将图片通过hidden layer 投影到2维上，然后再通过Decoder解成图片。2维是可以画图的，分布如下图所示，按照一定步长取红色方框中的code输入到decoder中，可以解出如下图片：

加上L1的正则项后，数据分布向0靠拢。重新选取数据得到以下结果，可以观察到这两个维度其实是有一定物理意义的，反映了图片的变化规律：

我们知道一般的Auto-encoder的目标函数是最小化重构误差（上文），但是除此之外还有别的方法。

5 More Than Minimizing Reconstruction Error（其他计算Error的方法）

5.1 Representative Embedding

先思考对Auto-encoder的目标来说什么样的embedding（嵌入，这里可以理解为低维表示）是好的呢？希望这个embedding可以代表原来的object。比如出现这个embedding就会联想到这个object。比如出现一个耳机，就会想到“三玖”（动漫人物）：

这里涉及一点对抗生成网络的概念，即使用一个二分类的判别器对结果进行判别，如果觉得输入和输出是一对就是yes，反之就是no。通过使得判别器的损失最小来训练这个网络：

具体是首先通过训练判别器 $L_D^{?}={\min }_{?}{L}_D$ 最小化损失函数$L_D$，然后再训练encoder的$\begin{array}{rl}{\theta }^{?}& =\arg \underset{\theta }{\min }{L}_D^{?}=\arg \underset{\theta }{\min }\underset{?}{\min }{L}_D\end{array}$。训练最好的encoder和最好的discriminator：

可以将这个过程类比如下：

5.2 Sequential Data

也可以用于训练有顺序的数据：

6 More Interpretable Embedding（更易解释）

让encoder的output，即code，更容易被解释。

6.1 Feature Disentangle（特征解析）

比如一段声音信号里面除了语义本身，还包含了说话人的语音语调和环境噪声等信息。那么code vector中也含有以上所有信息，但是我们不知道各个维度的具体含义。所以期望Encoder能指出维度和各类信息的对应关系。

具体做法如下，假设只有说话人和内容两种信息，一种是将vector进行划分，另外一种是直接就训练两个encoder处理不同的信息：

可以将声音和语义分开：

然后将不同的声音和语义组合，得到完全不同的语音输出，可以做成一个变声器：

变声器的应用：

引入对抗训练的概念，也就是在训练中加入了Discriminator。目的是训练让前面的维度是语义，后面的维度代表男声还是女声。先训练一个语者的Classifier，可以分辨男声女声，但是encoder需要训练来骗过classifier，让这个classifier不能区分男声还是女声，正确率越低越好。这样就使得语者的信息从前部分的维度剔除了出来，只剩下内容的信息，语者信息都在了后部分的维度中：

或者直接修改encoder的架构可以区分语者和语义信息。假设有一种特殊的layer，instance normalization，可以抹除语者的信息：

6.2 Discrete Representation（离散的表示）

6.2.1 Base Method

我们之前讲的code都说是一个连续的vector，如果Encoder能够输出离散的向量，那么更有利于我们解读code的信息，比如可以用一些聚类的方法将向量分成一些簇。可以将code直接变成One-hot或者Binary的形式，取最大值或者设置阈值即可实现，这样看维度信息就可以直接完成分类了。但是老师认为binary更好，因为可表示的信息更大，而one-hot过于稀疏。

6.2.2 Vector Quantized Variational Auto-encoder (向量量化变异的自编码器)

设置一个codebook，里面是一排向量，这个也是需要学习的。Encoder输出原始向量vector，这是连续的。接下来用这个vector去计算和codebook里面的向量的相似度，相似度最高的vector3作为decoder的输入。这样可以固定向量的类别，相当于做了离散化。离散化之后信息 更易分类：

有一些trick来让你训练这些没办法微分的部分，一般是用强化学习直接做。

6.2.3 Sequence as Embedding

可以让embedding不再是向量而是句子。比如一个 seq2seq2seq auto-encoder 模型，使用这些sequence 作为code来还原文章。期待这些code可以就是原来那篇文章的摘要或者精简版本，但是实际上由于encoder和decoder的存在，这些code会参杂一些“暗号”，虽然是文字的组合，但没有实际含义。如果要让这些code有实际含义，将会用到GAN的概念，就是预先训练一个可以识别人类是否能读懂的句子的discriminator，然后去训练这些code，使得code具有可读性：

一些实验的例子：