自編碼器可以認(rèn)為是一種數(shù)據(jù)壓縮算法，或特征提取算法。本文作者NathanHubens介紹了autoencoders的基本體系結(jié)構(gòu)。首先介紹了編碼器和解碼器的概念，然后就“自編碼器可以做什么？”進(jìn)行討論，最后分別講解了四種不同類型的自編碼器：普通自編碼器，多層自編碼器，卷積自編碼器和正則化自編碼器。

Deepinside:Autoencoders

自編碼器指的是試圖讓輸出和輸入一樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他們通過將輸入壓縮成一個隱藏空間表示來進(jìn)行工作，然后通過這種表示重構(gòu)輸出。這種網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成：

1.編碼器：這是自編碼網(wǎng)絡(luò)的一部分，功能在于把輸入變成一個隱藏的空間表示。它可以用一個編碼函數(shù)h=f（x）表示。

2.解碼器：這部分旨在從隱藏空間的表示重構(gòu)輸入。它可以用解碼函數(shù)r=g（h）表示。

作為一個整體的自編碼器可以用函數(shù)g（f（x））=r來描述，其中r與原始輸入x相近。

為什么要將輸入復(fù)制到輸出中？

如果autoencoders的唯一目的是將輸入復(fù)制到輸出中，那么它們將毫無用處。實(shí)際上，我們希望通過訓(xùn)練autoencoder將輸入復(fù)制到輸出中，隱藏表示h將具有有用的屬性。

這可以通過在復(fù)制任務(wù)上添加一些限制條件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。從自編碼器獲得有用特征的一種方法是將h限制為小于x的維度，在這種情況下，自編碼器是不完整的。通過訓(xùn)練不完整的表示，我們強(qiáng)制自編碼器學(xué)習(xí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的最顯著特征。如果自編碼器的容量過大，自編碼器可以出色地完成賦值任務(wù)而沒有從數(shù)據(jù)的分布抽取到任何有用的信息。如果隱藏表示的維度與輸入相同，或者隱藏表示維度大于輸入維度的情況下，也會發(fā)生這種情況。在這些情況下，即使線性編碼器和線性解碼器也可以將輸入復(fù)制到輸出，而無需了解有關(guān)數(shù)據(jù)分配的任何有用信息。理想情況下，自編碼器可以成功地訓(xùn)練任何體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)要分配的復(fù)雜度來選擇編碼器和解碼器的代碼維數(shù)和容量。

自編碼器可以用于干什么？

當(dāng)前，數(shù)據(jù)去噪和數(shù)據(jù)可視化中的降維被認(rèn)為是自編碼器的兩個主要的實(shí)際應(yīng)用。通過適當(dāng)?shù)木S度和稀疏性約束，自編碼器可以學(xué)習(xí)比PCA或其他基本技術(shù)更有趣的數(shù)據(jù)投影。

自編碼器通過數(shù)據(jù)樣本自動學(xué)習(xí)。這意味著很容易訓(xùn)練特定的算法實(shí)例，該算法在特定類型的輸入中表現(xiàn)良好，并且不需要任何新工程，只需要適當(dāng)?shù)挠?xùn)練數(shù)據(jù)。

但是，自編碼器在圖像壓縮方面做得不好。由于自編碼器是在給定的一組數(shù)據(jù)上進(jìn)行訓(xùn)練的，因此它將對類似于所用訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)合理的壓縮結(jié)果，但是作為圖像壓縮器效果是不好的。像JPEG這樣的壓縮技術(shù)效果比自編碼器效果好很多。

自編碼器經(jīng)過訓(xùn)練，可以在輸入通過編碼器和解碼器后保留盡可能多的信息，但也會接受訓(xùn)練以使新的表示具有各種不錯的屬性。不同類型的自編碼器旨在實(shí)現(xiàn)不同類型的屬性。我們將關(guān)注四種類型的自編碼器。

自編碼器的類型：

在本文中，將介紹以下四種類型的自編碼器：

1.普通自編碼器

2.多層自編碼器

3.卷積自編碼器

4.正則化的自編碼

為了演示不同類型的自編碼器，我使用Keras框架和MNIST數(shù)據(jù)集創(chuàng)建了每個類型自編碼器的示例。

普通自編碼器

普通自編碼器是三層網(wǎng)絡(luò)，即具有一個隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入和輸出是相同的，我們將學(xué)習(xí)如何重構(gòu)輸入，例如使用adam優(yōu)化器和均方誤差損失函數(shù)。

在這里，我們看到我們有一個欠完備自編碼器，因?yàn)殡[藏層維（64）小于輸入（784）。這個約束將強(qiáng)加我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)壓縮的數(shù)據(jù)表示。

多層自編碼器

如果一個隱藏層不夠用，我們顯然可以將自編碼器擴(kuò)展到更多的隱藏層。

現(xiàn)在我們的實(shí)現(xiàn)使用3個隱藏層，而不是一個。任何隱藏層都可以作為特征表示，但我們將使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對稱并使用最中間的隱藏層。

卷積自編碼器

我們也可能會問自己：自編碼器可以用于卷積層而不是全連接層嗎？

答案是肯定的，原理是一樣的，但使用圖像（3D矢量）而不是平坦的1維矢量。對輸入圖像進(jìn)行下采樣以提供較小尺寸的隱藏表示并強(qiáng)制自編碼器學(xué)習(xí)圖像的壓縮版本。

正則化的自編碼器

還有其他一些方法可以限制自編碼器的重構(gòu)，而不是簡單地強(qiáng)加一個維度比輸入小的隱藏層。正規(guī)化自編碼器不是通過調(diào)整編碼器和解碼從而限制模型容量，而是使用損失函數(shù)，鼓勵模型學(xué)習(xí)除了將輸入復(fù)制到其輸出之外的其他屬性。在實(shí)踐中，我們通常會發(fā)現(xiàn)兩種正規(guī)化自編碼器：稀疏自編碼器和去噪自編碼器。

稀疏自編碼器：稀疏自編碼器通常用于學(xué)習(xí)分類等其他任務(wù)的特征。稀疏自編碼器必須響應(yīng)數(shù)據(jù)集獨(dú)特的統(tǒng)計(jì)特征，而不僅僅是作為標(biāo)識函數(shù)。通過這種方式，用稀疏性懲罰來執(zhí)行復(fù)制任務(wù)的訓(xùn)練可以產(chǎn)生有用的特征模型。

我們可以限制自編碼器重構(gòu)的另一種方式是對損失函數(shù)施加約束。例如，我們可以在損失函數(shù)中添加一個修正術(shù)語。這樣做會使我們的自編碼器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的稀疏表示

注意在我們的正則項(xiàng)中，我們添加了一個l1激活函數(shù)正則器，它將在優(yōu)化階段對損失函數(shù)應(yīng)用一個懲罰。在結(jié)果上，與正常普通自編碼器相比，該表示現(xiàn)在更稀松。

去噪自編碼器：我們可以獲得一個自編碼器，通過改變損失函數(shù)的重構(gòu)誤差項(xiàng)來學(xué)習(xí)一些有用的東西，而不是對損失函數(shù)加以懲罰。這可以通過給輸入圖像添加一些噪聲并使自編碼器學(xué)會移除噪聲從而來進(jìn)行訓(xùn)練。通過這種方式，編碼器將提取最重要的特征并學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的更魯棒的表示。

總結(jié)

在本文中，我們介紹了autoencoders的基本體系結(jié)構(gòu)。我們還研究了許多不同類型的自編碼器：普通自編碼器，多層自編碼器，卷積自編碼器和正則化自編碼器。根據(jù)約束的不同（縮小隱藏層的尺寸或施加其他類型的懲罰項(xiàng)），可以學(xué)到不同屬性的編碼。