[深度学习] 降噪自动编码器
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起源:PCA、特征提取....
随着一些奇怪的高维数据出现,比如图像、语音,传统的统计学-机器学习方法遇到了前所未有的挑战。
数据维度过高,数据单调,噪声分布广,传统方法的“数值游戏”很难奏效。数据挖掘?已然挖不出有用的东西。
为了解决高维度的问题,出现的线性学习的PCA降维方法,PCA的数学理论确实无懈可击,但是却只对线性数据效果比较好。
于是,寻求简单的、自动的、智能的特征提取方法仍然是机器学习的研究重点。比如LeCun在1998年CNN总结性论文中就概括了今后机器学习模型的基本架构。
当然CNN另辟蹊径,利用卷积、降采样两大手段从信号数据的特点上很好的提取出了特征。对于一般非信号数据,该怎么办呢??
Part I 自动编码器(AutoEncoder)
自动编码器基于这样一个事实:原始input(设为x)经过加权(W、b)、映射(Sigmoid)之后得到y,再对y反向加权映射回来成为z。
通过反复迭代训练两组(W、b),使得误差函数最小,即尽可能保证z近似于x,即完美重构了x。
那么可以说正向第一组权(W、b)是成功的,很好的学习了input中的关键特征,不然也不会重构得如此完美。结构图如下:
从生物的大脑角度考虑,可以这么理解,学习和重构就好像编码和解码一样。
这个过程很有趣,首先,它没有使用数据标签来计算误差update参数,所以是无监督学习。
其次,利用类似神经网络的双隐层的方式,简单粗暴地提取了样本的特征。
这个双隐层是有争议的,最初的编码器确实使用了两组(W,b),但是Vincent在2010年的论文中做了研究,发现只要单组W就可以了。
即W'=WT, W和W’称为Tied Weights。实验证明,W'真的只是在打酱油,完全没有必要去做训练。
逆向重构矩阵让人想起了逆矩阵,若W-1=WT的话,W就是个正交矩阵了,即W是可以训成近似正交阵的。
由于W'就是个酱油,训练完之后就没它事了。正向传播用W即可,相当于为input预先编个码,再导入到下一layer去。所以叫自动编码器,而不叫自动编码解码器。
Part II 降噪自动编码器(Denoising Autoencoder)
Vincent在2008年的论文中提出了AutoEncoder的改良版——dA。推荐首先去看这篇paper。
论文的标题叫 "Extracting and Composing Robust Features",译成中文就是"提取、编码出具有鲁棒性的特征"
怎么才能使特征很鲁棒呢?就是以一定概率分布(通常使用二项分布)去擦除原始input矩阵,即每个值都随机置0, 这样看起来部分数据的部分特征是丢失了。
以这丢失的数据x'去计算y,计算z,并将z与原始x做误差迭代,这样,网络就学习了这个破损(原文叫Corruputed)的数据。
这个破损的数据是很有用的,原因有二:
其之一,通过与非破损数据训练的对比,破损数据训练出来的Weight噪声比较小。降噪因此得名。
原因不难理解,因为擦除的时候不小心把输入噪声给×掉了。
其之二,破损数据一定程度上减轻了训练数据与测试数据的代沟。由于数据的部分被×掉了,因而这破损数据
一定程度上比较接近测试数据。(训练、测试肯定有同有异,当然我们要求同舍异)。
这样训练出来的Weight的鲁棒性就提高了。图示如下:
关键是,这样胡乱擦除原始input真的很科学?真的没问题? Vincent又从大脑认知角度给了解释:
paper中这么说到:人类具有认知被阻挡的破损图像能力,此源于我们高等的联想记忆感受机能。
我们能以多种形式去记忆(比如图像、声音,甚至如上图的词根记忆法),所以即便是数据破损丢失,我们也能回想起来。
另外,就是从特征提取的流形学习(Manifold Learning)角度看:
破损的数据相当于一个简化的PCA,把特征做一个简单的降维预提取。
Part III 自动编码器的奇怪用法
自动编码器相当于创建了一个隐层,一个简单想法就是加在深度网络的开头,作为原始信号的初级filter,起到降维、提取特征的效果。
关于自动编码器取代PCA的基本用法,参考 http://www.360doc.com/content/15/0324/08/20625606_457576675.shtml
当然Bengio在2007年论文中仿照DBN较之于RBM做法:作为深度网络中各个layer的参数初始化值,而不是用随机小值。
即变成了Stacked AutoEncoder。
当然,这种做法就有一个问题,AutoEncoder可以看作是PCA的非线性补丁加强版,PCA的取得的效果是建立在降维基础上的。
仔细想想CNN这种结构,随着layer的推进,每层的神经元个数在递增,如果用了AutoEncoder去预训练,岂不是增维了?真的没问题?
paper中给出的实验结果认为AutoEncoder的增维效果还不赖,原因可能是非线性网络能力很强,尽管神经元个数增多,但是每个神经元的效果在衰减。
同时,随机梯度算法给了后续监督学习一个良好的开端。整体上,增维是利大于弊的。
Part IV 代码与实现
具体参考 http://deeplearning.net/tutorial/dA.html
有几个注意点说下:
①cost函数可以使用交错熵(Cross Entroy)设计,对于定义域在[0,1]这类的数据,交错熵可用来设计cost函数。
其中Logistic回归的似然函数求导结果可看作是交错熵的特例。参考 http://en.wikipedia.org/wiki/Cross_entropy
也可以使用最小二乘法设计。
②RandomStreams函数存在多个,因为要与非Tensor量相乘,必须用shared版本。
所以是 from theano.tensor.shared_randomstreamsimportRandomStreams
而不是 from theano.tensor import RandomStreams
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