27 Nov

这是一篇“散文”,我们来谈一下有着千丝万缕联系的三个东西:变分自编码器、信息瓶颈、正态分布。

众所周知,变分自编码器是一个很经典的生成模型,但实际上它有着超越生成模型的含义;而对于信息瓶颈,大家也许相对陌生一些,然而事实上信息瓶颈在去年也热闹了一阵子;至于正态分布,那就不用说了,它几乎跟所有机器学习领域都有或多或少的联系。

那么,当它们三个碰撞在一块时,又有什么样的故事可说呢?它们跟“遗忘”又有什么关系呢?

变分自编码器

在本博客你可以搜索到若干几篇介绍VAE的文章。下面简单回顾一下。

理论形式回顾

简单来说,VAE的优化目标是:
\begin{equation}KL(\tilde{p}(x)p(z|x)\Vert q(z)q(x|z))=\iint \tilde{p}(x)p(z|x)\log \frac{\tilde{p}(x)p(z|x)}{q(x|z)q(z)} dzdx\end{equation}
其中$q(z)$是标准正态分布,$p(z|x),q(x|z)$是条件正态分布,分别对应编码器、解码器。具体细节可以参考《变分自编码器(二):从贝叶斯观点出发》

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20 Nov

不用L约束又不会梯度消失的GAN,了解一下?

不知道从什么时候开始,我发现我也掉到了GAN的大坑里边了,唉,争取早日能跳出来...

这篇博客介绍的是我最近提交到arxiv的一个关于GAN的新框架,里边主要介绍了一种对概率散度的新理解,并且基于这种理解推导出了一个新的GAN。整篇文章比较偏理论,对这个GAN的相关性质都做了完整的论证,自认为是一个理论完备的结果。

文章链接:https://arxiv.org/abs/1811.07296

先摆结论:

1、论文提供了一种分析和构造概率散度的直接思路,从而简化了构建新GAN框架的过程。

2、推导出了一个称为GAN-QP的GAN框架$\eqref{eq:gan-gp-gd}$,这个GAN不需要像WGAN那样的L约束,又不会有SGAN的梯度消失问题,实验表明它至少有不逊色于、甚至优于WGAN的表现。

GAN-QP效果图

GAN-QP效果图

论文的实验最大做到了512x512的人脸生成(CelebA HQ),充分表明了模型的有效性(效果不算完美,但是模型特别简单)。有兴趣的朋友,欢迎继续阅读下去。

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22 Oct

RSGAN:对抗模型中的“图灵测试”思想

这两天无意间发现一个非常有意义的工作,称为“相对GAN”,简称RSGAN,来自文章《The relativistic discriminator: a key element missing from standard GAN》,据说该文章还得到了GAN创始人Goodfellow的点赞。这篇文章提出了用相对的判别器来取代标准GAN原有的判别器,使得生成器的收敛更为迅速,训练更为稳定。

可惜的是,这篇文章仅仅从训练和实验角度对结果进行了论述,并没有进行更深入的分析,以至于不少人觉得这只是GAN训练的一个trick。但是在笔者来看,RSGAN具有更为深刻的含义,甚至可以看成它已经开创了一个新的GAN流派。所以,笔者决定对RSGAN模型及其背后的内涵做一个基本的介绍。不过需要指出的是,除了结果一样之外,本文的介绍过程跟原论文相比几乎没有重合之处。

“图灵测试”思想

SGAN

SGAN就是标准的GAN(Standard GAN)。就算没有做过GAN研究的读者,相信也从各种渠道了解到GAN的大概原理:“造假者”不断地进行造假,试图愚弄“鉴别者”;“鉴别者”不断提高鉴别技术,以分辨出真品和赝品。两者相互竞争,共同进步,直到“鉴别者”无法分辨出真、赝品了,“造假者”就功成身退了。

在建模时,通过交替训练实现这个过程:固定生成器,训练一个判别器(二分类模型),将真实样本输出1,将伪造样本输出0;然后固定判别器,训练生成器让伪造样本尽可能输出1,后面这一步不需要真实样本参与。

问题所在

然而,这个建模过程似乎对判别器的要求过于苛刻了,因为判别器是孤立运作的:训练生成器时,真实样本没有参与,所以判别器必须把关于真实样本的所有属性记住,这样才能指导生成器生成更真实的样本。

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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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13 Jun

“噪声对比估计”杂谈:曲径通幽之妙

说到噪声对比估计,或者“负采样”,大家可能立马就想到了Word2Vec。事实上,它的含义远不止于此,噪音对比估计(NCE, Noise Contrastive Estimation)是一个迂回但却异常精美的技巧,它使得我们在没法直接完成归一化因子(也叫配分函数)的计算时,就能够去估算出概率分布的参数。本文就让我们来欣赏一下NCE的曲径通幽般的美妙。

注:由于出发点不同,本文所介绍的“噪声对比估计”实际上更偏向于所谓的“负采样”技巧,但两者本质上是一样的,在此不作区分。

问题起源

问题的根源是难分难舍的指数概率分布~

指数族分布

在很多问题中都会出现指数族分布,即对于某个变量$\boldsymbol{x}$的概率$p(\boldsymbol{x})$,我们将其写成
$$p(\boldsymbol{x}) = \frac{e^{G(\boldsymbol{x})}}{Z}\tag{1}$$
其中$G(\boldsymbol{x})$是$\boldsymbol{x}$的某个“能量”函数,而$Z=\sum_{\boldsymbol{x}} e^{G(\boldsymbol{x})}$则是归一化常数,也叫配分函数。这种分布也称为“玻尔兹曼分布”。

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7 Jun

python简单实现gillespie模拟

由于专业需求,需要做主方程的随机模拟。在网上并没有找到适合的Python实现,遂自己写了一个,分享一下源码。至于gillespie算法本身就不介绍了,有需要的读者自然会懂,没需要的读者不建议去懂。

源码

其实基本的gillespie模拟算法很简单,也很好实现,下面就是一个参考例子:

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28 Mar

变分自编码器(二):从贝叶斯观点出发

源起

前几天写了博文《变分自编码器(一):原来是这么一回事》,从一种比较通俗的观点来理解变分自编码器(VAE),在那篇文章的视角中,VAE跟普通的自编码器差别不大,无非是多加了噪声并对噪声做了约束。然而,当初我想要弄懂VAE的初衷,是想看看究竟贝叶斯学派的概率图模型究竟是如何与深度学习结合来发挥作用的,如果仅仅是得到一个通俗的理解,那显然是不够的。

所以我对VAE继续思考了几天,试图用更一般的、概率化的语言来把VAE说清楚。事实上,这种思考也能回答通俗理解中无法解答的问题,比如重构损失用MSE好还是交叉熵好、重构损失和KL损失应该怎么平衡,等等。

建议在阅读《变分自编码器(一):原来是这么一回事》后对本文进行阅读,本文在内容上尽量不与前文重复。

准备

在进入对VAE的描述之前,我觉得有必要把一些概念性的内容讲一下。

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