拓端tecdat|使用Python代写和Keras进行主成分分析、神经网络构建图像重建的自动编码器
原文链接：http://tecdat.cn/?p=8417
介绍
如今，几乎我们使用的每个应用程序中都有大量数据-在Spotify上听音乐，在Instagram上浏览朋友的图像，或者在YouTube上观看新的预告片
对于单个用户来说这不是问题。但是，想象一下同时处理成千上万的请求（如果不是上百万）具有大数据的请求。必须以某种方式减少这些数据流，以便我们能够物理上将其提供给用户-这就是数据压缩的开始。
压缩技术很多，它们的用法和兼容性也各不相同。例如，某些压缩技术仅适用于音频文件，例如著名的MPEG-2音频层III（MP3）编解码器。
压缩有两种主要类型：
- 无损：即使我们不太“精打细算”，数据完整性和准确性也是首选
- 有损：数据完整性和准确性并不像我们提供服务的速度那么重要-想象一下实时视频传输，其中“实时”传输比拥有高质量视频更为重要
例如，使用Autoencoders，我们可以分解此图像并将其表示为下面的32矢量代码。使用它，我们可以重建图像。当然，这是有损压缩的一个示例，因为我们已经丢失了很多信息。
不过，我们可以使用完全相同的技术，通过为表示分配更多的空间来更精确地做到这一点：
什么是自动编码器？
根据定义，自动编码器是一种自动对某些内容进行编码的技术。通过使用神经网络，自动编码器能够学习如何将数据（在我们的情况下为图像）分解为相当小的数据位，然后使用该表示形式，将原始数据尽可能地重建为原始数据。
此任务有两个关键组件：
- 编码器：学习如何将原始输入压缩为小的编码
- 解码器：了解如何从编码器生成的编码中恢复原始数据
对这两者进行共生训练，以获得最有效的数据表示形式，我们可以从中重建原始数据，而不会丢失太多数据。
解码器
该解码器的工作原理类似的方式来编码，但周围的其他方式。它学习读取而不是生成这些压缩的代码表示形式，并根据该信息生成图像。显然，其目的是使重建时的损失最小化。
通过使用均方误差（MSE）将重建图像与原始图像进行比较来评估输出-与原始图像越相似，误差就越小。
此时，我们向后传播并更新从解码器到编码器的所有参数。因此，基于输入和输出图像之间的差异，解码器和编码器都将在其工作时进行评估，并更新其参数以变得更好。
建立一个自动编码器
Keras是一个Python框架，可简化神经网络的构建。它允许我们堆叠不同类型的层以创建深度神经网络-我们将构建自动编码器。
首先，让我们使用pip安装Keras：
$ pip install keras
预处理数据
同样，我们将使用LFW数据集。像往常一样，对于此类项目，我们将对数据进行预处理，以使我们的自动编码器更轻松地完成工作。
为此，我们将首先定义几个路径 ：
# http://www.cs.columbia.edu/CAVE/databases/pubfig/download/lfw_attributes.txt
ATTRS_NAME = "lfw_attributes.txt"
# http://vis-www.cs.umass.edu/lfw/lfw-deepfunneled.tgz
IMAGES_NAME = "lfw-deepfunneled.tgz"
# http://vis-www.cs.umass.edu/lfw/lfw.tgz
RAW_IMAGES_NAME = "lfw.tgz"
然后，我们将使用两个函数-一个将原始矩阵转换为图像并将颜色系统更改为RGB：
def decode_image_from_raw_bytes(raw_bytes):
img = cv2.imdecode(np.asarray(bytearray(raw_bytes), dtype=np.uint8), 1)
img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
return img
另一个是实际加载数据集并使其适应我们的需求：
def load_lfw_dataset(
use_raw=False,
dx=80, dy=80,
dimx=45, dimy=45):
# Read attrs
df_attrs = pd.read_csv(ATTRS_NAME, sep='\t', skiprows=1)
df_attrs = pd.DataFrame(df_attrs.iloc[:, :-1].values, columns=df_attrs.columns[1:])
imgs_with_attrs = set(map(tuple, df_attrs[["person", "imagenum"]].values))
# Read photos
all_photos = []
photo_ids = []
# tqdm in used to show progress bar while reading the data in a notebook here, you can change
# tqdm_notebook to use it outside a notebook
with tarfile.open(RAW_IMAGES_NAME if use_raw else IMAGES_NAME) as f:
for m in tqdm.tqdm_notebook(f.getmembers()):
# Only process image files from the compressed data
if m.isfile() and m.name.endswith(".jpg"):
# Prepare image
img = decode_image_from_raw_bytes(f.extractfile(m).read())
# Crop only faces and resize it
img = img[dy:-dy, dx:-dx]
img = cv2.resize(img, (dimx, dimy))
# Parse person and append it to the collected data
fname = os.path.split(m.name)[-1]
fname_splitted = fname[:-4].replace('_', ' ').split()
person_id = ' '.join(fname_splitted[:-1])
photo_number = int(fname_splitted[-1])
if (person_id, photo_number) in imgs_with_attrs:
all_photos.append(img)
photo_ids.append({'person': person_id, 'imagenum': photo_number})
photo_ids = pd.DataFrame(photo_ids)
all_photos = np.stack(all_photos).astype('uint8')
# Preserve photo_ids order!
all_attrs = photo_ids.merge(df_attrs, on=('person', 'imagenum')).drop(["person", "imagenum"], axis=1)
return all_photos, all_attrs
实施自动编码器
import numpy as np
X, attr = load_lfw_dataset(use_raw=True, dimx=32, dimy=32)
我们的数据X以3D矩阵的形式存在于矩阵中，这是RGB图像的默认表示形式。通过提供三个矩阵-红色，绿色和蓝色，这三个矩阵的组合产生了图像颜色。
这些图像的每个像素将具有较大的值，范围从0到255。通常，在机器学习中，我们倾向于使值较小，并以0为中心，因为这有助于我们的模型更快地训练并获得更好的结果，因此让我们对图像进行归一化：
X = X.astype('float32') / 255.0 - 0.5
现在，如果我们测试X数组的最小值和最大值，它将是-.5和.5，您可以验证：
print(X.max(), X.min())
0.5 -0.5
为了能够看到图像，让我们创建一个show_image函数。0.5由于像素值不能为负，它将添加到图像中：
import matplotlib.pyplot as plt
def show_image(x):
plt.imshow(np.clip(x + 0.5, 0, 1))
现在，让我们快速浏览一下我们的数据：
show_image(X[6])
现在让我们将数据分为训练和测试集：
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test = train_test_split(X, test_size=0.1, random_state=42)
sklearn train_test_split()函数能够通过给它测试比率来分割数据，其余的当然是训练量。的random_state，你会看到很多机器学习，用来产生相同的结果，不管你有多少次运行代码。
现在该模型了：
from keras.layers import Dense, Flatten, Reshape, Input, InputLayer
from keras.models import Sequential, Model
def build_autoencoder(img_shape, code_size):
# The encoder
encoder = Sequential()
encoder.add(InputLayer(img_shape))
encoder.add(Flatten())
encoder.add(Dense(code_size))
# The decoder
decoder = Sequential()
decoder.add(InputLayer((code_size,)))
decoder.add(Dense(np.prod(img_shape))) # np.prod(img_shape) is the same as 32*32*3, it's more generic than saying 3072
decoder.add(Reshape(img_shape))
return encoder, decoder
此函数将image_shape（图像尺寸）和code_size（输出表示的大小）作为参数。
从逻辑上讲，该值越小code_size，图像将压缩得越多，但是保存的功能就越少，并且所复制的图像与原始图像的差异会更大。
由于网络体系结构不接受3D矩阵，因此该Flatten层的工作是将(32,32,3)矩阵展平为一维数组（3072）。
编码器中的最后一层是该Dense层，这是此处的实际神经网络。它试图找到实现最佳输出的最佳参数-在我们的例子中是编码，我们将其输出大小（也是其中的神经元数量）设置为code_size。
解码器也是顺序模型。它接受输入（编码）并尝试以行的形式重构它。然后，32x32x3通过Dense层将其堆叠成矩阵。最后Reshape一层会将其重塑为图像。
现在，将它们连接在一起并开始我们的模型：
# Same as (32,32,3), we neglect the number of instances from shape
IMG_SHAPE = X.shape[1:]
encoder, decoder = build_autoencoder(IMG_SHAPE, 32)
inp = Input(IMG_SHAPE)
code = encoder(inp)
reconstruction = decoder(code)
autoencoder = Model(inp,reconstruction)
autoencoder.compile(optimizer='adamax', loss='mse')
print(autoencoder.summary())
之后，我们通过Model使用inp和reconstruction参数创建一个链接它们，并使用adamax优化器和mse损失函数对其进行编译。
在这里编译模型意味着定义其目标以及达到目标的方式。在我们的上下文中，目标是最小化，mse并通过使用优化程序来达到此目的-从本质上讲，这是一种经过调整的算法，可以找到全局最小值。
结果：
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
input_6 (InputLayer) (None, 32, 32, 3) 0
_________________________________________________________________
sequential_3 (Sequential) (None, 32) 98336
_________________________________________________________________
sequential_4 (Sequential) (None, 32, 32, 3) 101376
=================================================================
Total params: 199,712
Trainable params: 199,712
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________
在这里我们可以看到输入是32,32,3。
隐藏层是32，这的确是我们选择的编码大小，最后，您看到的解码器输出是(32,32,3)。
模型：
history = autoencoder.fit(x=X_train, y=X_train, epochs=20,
validation_data=[X_test, X_test])
在本例中，我们将比较构造的图像和原始图像，因此x和y都等于X_train。理想情况下，输入等于输出。
该epochs变量定义多少次，我们要训练数据通过模型过去了，validation_data是我们用来评估训练后的模型验证组：
Train on 11828 samples, validate on 1315 samples
Epoch 1/20
11828/11828 [==============================] - 3s 272us/step - loss: 0.0128 - val_loss: 0.0087
Epoch 2/20
11828/11828 [==============================] - 3s 227us/step - loss: 0.0078 - val_loss: 0.0071
.
.
.
Epoch 20/20
11828/11828 [==============================] - 3s 237us/step - loss: 0.0067 - val_loss: 0.0066
我们可以将 损失可视化，以获得 概述。
plt.plot(history.history['loss'])
plt.plot(history.history['val_loss'])
plt.title('model loss')
plt.ylabel('loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.legend(['train', 'test'], loc='upper left')
plt.show()
我们可以看到，在第三个时期之后，损失没有明显的进展。
这也可能导致模型过度拟合，从而使其在训练和测试数据集之外的新数据上的表现不佳。
现在，最令人期待的部分-让我们可视化结果：
def visualize(img,encoder,decoder):
"""Draws original, encoded and decoded images"""
# img[None] will have shape of (1, 32, 32, 3) which is the same as the model input
code = encoder.predict(img[None])[0]
reco = decoder.predict(code[None])[0]
plt.subplot(1,3,1)
plt.title("Original")
show_image(img)
plt.subplot(1,3,2)
plt.title("Code")
plt.imshow(code.reshape([code.shape[-1]//2,-1]))
plt.subplot(1,3,3)
plt.title("Reconstructed")
show_image(reco)
plt.show()
for i in range(5):
img = X_test[i]
visualize(img,encoder,decoder)
现在，让我们增加code_size至1000：
我们刚刚做的就是主成分分析（PCA），这是一种降维技术。我们可以通过生成较小的新功能来使用它来减小功能集的大小，但是仍然可以捕获重要信息。
主成分分析是自动编码器的一种非常流行的用法。
图像去噪
自动编码器的另一种流行用法是去噪。让我们在图片中添加一些随机噪声：
def apply_gaussian_noise(X, sigma=0.1):
noise = np.random.normal(loc=0.0, scale=sigma, size=X.shape)
return X + noise
在这里，我们从标准正态分布中添加了一些随机噪声，其大小为sigma，默认为0.1。
作为参考，这是具有不同sigma值的噪声的样子：
plt.subplot(1,4,1)
show_image(X_train[0])
plt.subplot(1,4,2)
show_image(apply_gaussian_noise(X_train[:1],sigma=0.01)[0])
plt.subplot(1,4,3)
show_image(apply_gaussian_noise(X_train[:1],sigma=0.1)[0])
plt.subplot(1,4,4)
show_image(apply_gaussian_noise(X_train[:1],sigma=0.5)[0])
正如我们所看到的，几乎看不到图像的sigma增加0.5。我们将尝试从σ为的嘈杂图像中再生原始图像0.1。
我们将为此生成的模型与之前的模型相同，尽管我们将进行不同的训练。这次，我们将使用原始和相应的噪点图像对其进行训练：
code_size = 100
# We can use bigger code size for better quality
encoder, decoder = build_autoencoder(IMG_SHAPE, code_size=code_size)
inp = Input(IMG_SHAPE)
code = encoder(inp)
reconstruction = decoder(code)
autoencoder = Model(inp, reconstruction)
autoencoder.compile('adamax', 'mse')
for i in range(25):
print("Epoch %i/25, Generating corrupted samples..."%(i+1))
X_train_noise = apply_gaussian_noise(X_train)
X_test_noise = apply_gaussian_noise(X_test)
# We continue to train our model with new noise-augmented data
autoencoder.fit(x=X_train_noise, y=X_train, epochs=1,
validation_data=[X_test_noise, X_test])
现在让我们看一下模型结果：
X_test_noise = apply_gaussian_noise(X_test)
for i in range(5):
img = X_test_noise[i]
visualize(img,encoder,decoder)
结论
自动编码器可用于主成分分析，这是一种降维技术，图像去噪等。
