17 Sep

变分自编码器(四):一步到位的聚类方案

由于VAE中既有编码器又有解码器(生成器),同时隐变量分布又被近似编码为标准正态分布,因此VAE既是一个生成模型,又是一个特征提取器。在图像领域中,由于VAE生成的图片偏模糊,因此大家通常更关心VAE作为图像特征提取器的作用。提取特征都是为了下一步的任务准备的,而下一步的任务可能有很多,比如分类、聚类等。本文来关心“聚类”这个任务。

一般来说,用AE或者VAE做聚类都是分步来进行的,即先训练一个普通的VAE,然后得到原始数据的隐变量,接着对隐变量做一个K-Means或GMM之类的。但是这样的思路的整体感显然不够,而且聚类方法的选择也让我们纠结。本文介绍基于VAE的一个“一步到位”的聚类思路,它同时允许我们完成无监督地完成聚类和条件生成。

理论

一般框架

回顾VAE的loss(如果没印象请参考《变分自编码器(二):从贝叶斯观点出发》):
$$KL\Big(p(x,z)\Big\Vert q(x,z)\Big) = \iint p(z|x)\tilde{p}(x)\ln \frac{p(z|x)\tilde{p}(x)}{q(x|z)q(z)} dzdx\tag{1}$$
通常来说,我们会假设$q(z)$是标准正态分布,$p(z|x),q(x|z)$是条件正态分布,然后代入计算,就得到了普通的VAE的loss。

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8 Sep

Keras之小众需求:自定义优化器

今天我们来看一个小众需求:自定义优化器。

细想之下,不管用什么框架,自定义优化器这个需求可谓真的是小众中的小众。一般而言,对于大多数任务我们都可以无脑地直接上Adam,而调参炼丹高手一般会用SGD来调出更好的效果,换言之不管是高手新手,都很少会有自定义优化器的需求。

那这篇文章还有什么价值呢?有些场景下会有一点点作用。比如通过学习Keras中的优化器写法,你可以对梯度下降等算法有进一步的认识,你还可以顺带看到Keras的源码是多么简洁优雅。此外,有时候我们可以通过自定义优化器来实现自己的一些功能,比如给一些简单的模型(例如Word2Vec)重写优化器(直接写死梯度,而不是用自动求导),可以使得算法更快;自定义优化器还可以实现诸如“软batch”的功能。

Keras优化器

我们首先来看Keras中自带优化器的代码,位于:
https://github.com/keras-team/keras/blob/master/keras/optimizers.py

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1 Sep

玩转Keras之seq2seq自动生成标题

话说自称搞了这么久的NLP,我都还没有真正跑过NLP与深度学习结合的经典之作——seq2seq。这两天兴致来了,决定学习并实践一番seq2seq,当然最后少不了Keras实现了。

seq2seq可以做的事情非常多,我这挑选的是比较简单的根据文章内容生成标题(中文),也可以理解为自动摘要的一种。选择这个任务主要是因为“文章-标题”这样的语料对比较好找,能快速实验一下。

seq2seq简介

所谓seq2seq,就是指一般的序列到序列的转换任务,比如机器翻译、自动文摘等等,这种任务的特点是输入序列和输出序列是不对齐的,如果对齐的话,那么我们称之为序列标注,这就比seq2seq简单很多了。所以尽管序列标注任务也可以理解为序列到序列的转换,但我们在谈到seq2seq时,一般不包含序列标注。

要自己实现seq2seq,关键是搞懂seq2seq的原理和架构,一旦弄清楚了,其实不管哪个框架实现起来都不复杂。早期有一个第三方实现的Keras的seq2seq库,现在作者也已经放弃更新了,也许就是觉得这么简单的事情没必要再建一个库了吧。可以参考的资料还有去年Keras官方博客中写的《A ten-minute introduction to sequence-to-sequence learning in Keras》

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26 Aug

细水长flow之RealNVP与Glow:流模型的传承与升华

话在开头

上一篇文章《细水长flow之NICE:流模型的基本概念与实现》中,我们介绍了flow模型中的一个开山之作:NICE模型。从NICE模型中,我们能知道flow模型的基本概念和基本思想,最后笔者还给出了Keras中的NICE实现。

本文我们来关心NICE的升级版:RealNVP和Glow。

Glow模型的采样演示:

精巧的flow

不得不说,flow模型是一个在设计上非常精巧的模型。总的来看,flow就是想办法得到一个encoder将输入$\boldsymbol{x}$编码为隐变量$\boldsymbol{z}$,并且使得$\boldsymbol{z}$服从标准正态分布。得益于flow模型的精巧设计,这个encoder是可逆的,从而我们可以立马从encoder写出相应的decoder(生成器)出来,因此,只要encoder训练完成,我们就能同时得到decoder,完成生成模型的构建。

为了完成这个构思,不仅仅要使得模型可逆,还要使得对应的雅可比行列式容易计算,为此,NICE提出了加性耦合层,通过多个加性耦合层的堆叠,使得模型既具有强大的拟合能力,又具有单位雅可比行列式。就这样,一种不同于VAE和GAN的生成模型——flow模型就这样出来了,它通过巧妙的构造,让我们能直接去拟合概率分布本身。

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11 Aug

细水长flow之NICE:流模型的基本概念与实现

前言:自从在机器之心上看到了glow模型之后(请看《下一个GAN?OpenAI提出可逆生成模型Glow》),我就一直对其念念不忘。现在机器学习模型层出不穷,我也经常关注一些新模型动态,但很少像glow模型那样让我怦然心动,有种“就是它了”的感觉。更意外的是,这个效果看起来如此好的模型,居然是我以前完全没有听说过的。于是我翻来覆去阅读了好几天,越读越觉得有意思,感觉通过它能将我之前的很多想法都关联起来。在此,先来个阶段总结。

背景

本文主要是《NICE: Non-linear Independent Components Estimation》一文的介绍和实现。这篇文章也是glow这个模型的基础文章之一,可以说它就是glow的奠基石。

艰难的分布

众所周知,目前主流的生成模型包括VAE和GAN,但事实上除了这两个之外,还有基于flow的模型(flow可以直接翻译为“流”,它的概念我们后面再介绍)。事实上flow的历史和VAE、GAN它们一样悠久,但是flow却鲜为人知。在我看来,大概原因是flow找不到像GAN一样的诸如“造假者-鉴别者”的直观解释吧,因为flow整体偏数学化,加上早期效果没有特别好但计算量又特别大,所以很难让人提起兴趣来。不过现在看来,OpenAI的这个好得让人惊叹的、基于flow的glow模型,估计会让更多的人投入到flow模型的改进中。

glow模型生成的高清人脸

glow模型生成的高清人脸

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6 Aug

让Keras更酷一些!Keras模型杂谈

Keras伴我走来

回想起进入机器学习领域的这两三年来,Keras是一直陪伴在笔者的身边。要不是当初刚掉进这个坑时碰到了Keras这个这么易用的框架,能快速实现我的想法,我也不确定我是否能有毅力坚持下来,毕竟当初是theano、pylearn、caffe、torch等的天下,哪怕在今天它们对我来说仍然像天书一般。

后来为了拓展视野,我也去学习了一段时间的tensorflow,用纯tensorflow写过若干程序,但不管怎样,仍然无法割舍Keras。随着对Keras的了解的深入,尤其是花了一点时间研究过Keras的源码后,我发现Keras并没有大家诟病的那样“欠缺灵活性”。事实上,Keras那精巧的封装,可以让我们轻松实现很多复杂的功能。我越来越感觉,Keras像是一件非常精美的艺术品,充分体现了Keras的开发者们深厚的创作功力。

本文介绍Keras中自定义模型的一些内容,相对而言,这属于Keras进阶的内容,刚入门的朋友请暂时忽略。

层的自定义

这里介绍Keras中自定义层及其一些运用技巧。

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29 Jul

基于GRU和am-softmax的句子相似度模型

搞计算机视觉的朋友会知道,am-softmax是人脸识别中的成果。所以这篇文章就是借鉴人脸识别的做法来做句子相似度模型,顺便介绍在Keras下各种margin loss的写法。

背景

细想之下会发现,句子相似度与人脸识别有很多的相似之处~

已有的做法

在我搜索到的资料中,深度学习做句子相似度模型,就只有两种做法:一是输入一对句子,然后输出一个0/1标签代表相似程度,也就是视为一个二分类问题,比如《Learning Text Similarity with Siamese Recurrent Networks》中的模型是这样的

将句子相似度视为二分类模型

将句子相似度视为二分类模型

包括今年拍拍贷的“魔镜杯”,也是这种格式。另外一种做法是输入一个三元组“(句子A,跟A相似的句子,跟A不相似的句子)”,然后用triplet loss的做法解决,比如文章《Applying Deep Learning To Answer Selection: A Study And An Open Task》中的做法。

这两种做法其实也可以看成是一种,本质上是一样的,只不过loss和训练方法有所差别。但是,这两种方法却都有一个很严重的问题:负样本采样严重不足,导致效果提升非常慢。

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18 Jul

用变分推断统一理解生成模型(VAE、GAN、AAE、ALI)

前言:我小学开始就喜欢纯数学,后来也喜欢上物理,还学习过一段时间的理论物理,直到本科毕业时,我才慢慢进入机器学习领域。所以,哪怕在机器学习领域中,我的研究习惯还保留着数学和物理的风格:企图从最少的原理出发,理解、推导尽可能多的东西。这篇文章是我这个理念的结果之一,试图以变分推断作为出发点,来统一地理解深度学习中的各种模型,尤其是各种让人眼花缭乱的GAN。本文已经挂到arxiv上,需要读英文原稿的可以移步到《Variational Inference: A Unified Framework of Generative Models and Some Revelations》

下面是文章的介绍。其实,中文版的信息可能还比英文版要稍微丰富一些,原谅我这蹩脚的英语...

摘要:本文从一种新的视角阐述了变分推断,并证明了EM算法、VAE、GAN、AAE、ALI(BiGAN)都可以作为变分推断的某个特例。其中,论文也表明了标准的GAN的优化目标是不完备的,这可以解释为什么GAN的训练需要谨慎地选择各个超参数。最后,文中给出了一个可以改善这种不完备性的正则项,实验表明该正则项能增强GAN训练的稳定性。

近年来,深度生成模型,尤其是GAN,取得了巨大的成功。现在我们已经可以找到数十个乃至上百个GAN的变种。然而,其中的大部分都是凭着经验改进的,鲜有比较完备的理论指导。

本文的目标是通过变分推断来给这些生成模型建立一个统一的框架。首先,本文先介绍了变分推断的一个新形式,这个新形式其实在博客以前的文章中就已经介绍过,它可以让我们在几行字之内导出变分自编码器(VAE)和EM算法。然后,利用这个新形式,我们能直接导出GAN,并且发现标准GAN的loss实则是不完备的,缺少了一个正则项。如果没有这个正则项,我们就需要谨慎地调整超参数,才能使得模型收敛。

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