AutoEncoder 学习笔记

2022-10-31 15:50:18 浏览数 (1)

AutoEncoder 学习笔记

前言

AutoEncoder 作为神经网络里的一类模型，采用无监督学习的方式对高维数据进行特征提取和特征表示，其目的是重构输入（最小化输入和输出之间的差异），而不是在给定输入的情况下预测目标值。

AutoEncoder 简介

上面这张图很好的描述了 AutoEncoder 的工作原理，首先是一个数据输入，它可以是图片或是一串序列，就像上图描述的一样，一幅图片经过一个 Encoder 网络之后，得到了 Compressed representation ，也就是我们所谓的这个图像的「特征」，之后将得到的「特征」再次输入到 Decoder 网络中，获得图像的输出，将「特征」还原成了图片。

我们可以假设图中的网络是这样的，输入经过全连接层得到 Feature 之后再次进入全连接层，得到最后的输出。

可以预见的是，我们的通过这个网络得到的输出必然是有「损失」的，因为我们是经过「压缩」图像，然后再「还原」图像，许多的细节在这个过程中丢失了。

和许多网络一样，我们这么做的目的无非是为了提取特征。

AutoEncoder 模型实现（PyTorch）

下面我们通过一个例子来实现 AutoEncoder，在这个例子中，我们通过一个「异常检测」的例子来进行说明。

模型实现

假设我们现在有 n 天的时序数据，需要从这 n 天的时序数据中寻找异常点。

代码语言：javascript复制
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
import torch.nn.functional as F
from torch import nn, optim
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

一般的，首先进行数据预处理，归一化，将值压缩到 0-1 之间。

代码语言：javascript复制
# data: pd.DataFrame
data = get_data()

scaler = MinMaxScaler()
dataset = scaler.fit_transform(data[['Total']])
dataset = torch.tensor(dataset, dtype=torch.float32).to(device)

接下来就是定义网络结构，你可以参考之前的网络结构图，下面的代码都是一些基本操作，全连接，Dropout，ReLU；当然，你需要保证 encoder_input 和 decoder_output ，encoder_output 和 decoder_input 的维度是一致的。

代码语言：javascript复制
class AE(nn.Module):
    def __init__(self, input_size):
        super(AE, self).__init__()
        self.encoder = nn.Sequential(nn.Linear(input_size, 24), nn.Dropout(0.5), nn.ReLU(True),
                                     nn.Linear(24, 10), nn.Dropout(0.5), nn.ReLU(True))
        self.decoder = nn.Sequential(nn.Linear(10, 24), nn.ReLU(True),
                                     nn.Linear(24, input_size), nn.Sigmoid())

    def forward(self, input):
        en_out = self.encoder(input)
        de_out = self.decoder(en_out)
        return de_out, en_out

然后设置 criterion 和 optimizer。

代码语言：javascript复制
model = AE(72).to(device)
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)

对于 Loss 的计算，我们这样考虑，在监督学习中，我们往往将模型的输出和对应的 Label 进行对比，然而在无监督学习中，AE 中我们只需要对比 input 和 output。具体来说每次的输入是 1 天的时序数据，然后最小化 input 和 output 之间的误差即可。

代码语言：javascript复制
for e in range(200):
    for d in dataset:
        out, feature = model(d)
        loss = criterion(out, d)

        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
    if e % 10 == 0:
        print('Epoch: {}, Loss: {:.5f}'.format(e, loss.item()))

训练结果

完成了对模型的训练之后，我们可以简单的看一下模型的效果：

总的来说，我们还是得到了一个较为符合趋势的输出序列，接下来你可以通过计算误差，指定阈值等操作进行异常值检测，在此就不过多叙述了。

完整代码

到这里，我们就实现了一个简单的 AE 网络，完整代码如下：

代码语言：javascript复制
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
import torch.nn.functional as F
from torch import nn, optim
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

class AE(nn.Module):
    def __init__(self, input_size):
        super(AE, self).__init__()
        self.encoder = nn.Sequential(nn.Linear(input_size, 24), nn.Dropout(0.5), nn.ReLU(True),
                                     nn.Linear(24, 10), nn.Dropout(0.5), nn.ReLU(True))
        self.decoder = nn.Sequential(nn.Linear(10, 24), nn.ReLU(True),
                                     nn.Linear(24, input_size), nn.Sigmoid())

    def forward(self, input):
        en_out = self.encoder(input)
        de_out = self.decoder(en_out)
        return de_out, en_out

def main():
    # data: pd.DataFrame
    data = get_data()

    scaler = MinMaxScaler()
    dataset = scaler.fit_transform(data[['Total']])
    dataset = torch.tensor(dataset, dtype=torch.float32).to(device)

    model = AE(72).to(device)
    criterion = nn.MSELoss()
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)

    for e in range(200):
        for d in dataset:
            out, feature = model(d)
            loss = criterion(out, d)

            optimizer.zero_grad()
            loss.backward()
            optimizer.step()
        if e % 10 == 0:
            print('Epoch: {}, Loss: {:.5f}'.format(e, loss.item()))

if __name__ == '__main__':
    main()

Denoising AutoEncoders

Vincent 在 2008 的论文中提出了 AutoEncoder 的改良版，简单来说就是在 input 上面加 noise（如高斯噪声，椒盐噪声），在传统 AutoEncoder 的基础上增强模型的鲁棒性。在加入噪声的情况下对模型进行训练，使得中间提取的特征更加具有鲁棒性，从而得到一个较好的输出结果。

Variational AutoEncoders

Vairational AutoEncoder（VAE）是 Kingma 等人与 2014 年提出。VAE 比较大的不同点在于：VAE 不再将输入 input 映射到一个固定的抽象特征 feature 上，而是假设样本 input 的抽象特征 feature 服从（μ，σ^2）的正态分布，然后再通过分布生成抽象特征 feature。最后基于 feature 通过 decoder 得到输出。模型框架如下图所示：

参考文献

  • AutoEncoder
  • 一文看懂 AutoEncoder 模型演进图谱
监督学习 无监督学习

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