变分自编码器（VAE）PyTorch Lightning 实现

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VAE 简介

变分自编码器（Variational Autoencoder，VAE）是一种深度学习中的生成模型，它结合了自编码器（Autoencoder, AE）和概率建模的思想，在无监督学习环境中表现出了强大的能力。VAE 在 2013 年由 Diederik P. Kingma 和 Max Welling 首次提出，并迅速成为生成模型领域的重要组成部分。

基本原理

自编码器（AE）基础：
自编码器是一种神经网络结构，通常由两部分组成：编码器（Encoder）和解码器（Decoder）。原始数据通过编码器映射到一个低维的潜在空间（或称为隐空间），这个低维向量被称为潜变量（latent variable）。然后，潜变量再通过解码器重构回原始数据的近似版本。在训练过程中，自编码器的目标是使得输入数据经过编码-解码过程后能够尽可能地恢复原貌，从而学习到数据的有效表示。

VAE的引入与扩展：
VAE 将自编码器的概念推广到了概率框架下。在 VAE 中，潜变量不再是确定性的，而是被赋予了概率分布。具体来说，对于给定的输入数据，编码器不直接输出一个点估计值，而是输出潜变量的均值和方差（假设潜变量服从高斯分布）。这样，每个输入数据可以被视为是从某个潜在的概率分布中采样得到的。

变分推断（Variational Inference）：
训练 VA E时，由于真实的后验概率分布难以直接计算，因此采用变分推断来近似后验分布。编码器实际上输出的是一个参数化的概率分布 $q(z|x)$，即给定输入 $x$ 时潜变量 $z$ 的概率分布。然后通过最小化 KL 散度（Kullback-Leibler divergence）来优化这个近似分布，使其尽可能接近真实的后验分布 $p(z|x)$。

目标函数 - Evidence Lower Bound (ELBO)：
VAE 的目标函数是证据下界（ELBO），它是原始数据 log-likelihood 的下界。优化该目标函数既鼓励编码器找到数据的高效潜在表示，又促使解码器基于这些表示重建出类似原始数据的新样本。

数学表达上，ELBO 通常分解为两个部分：

1. 重构损失（Reconstruction Loss）：衡量从潜变量重构出来的数据与原始数据之间的差异。
2. KL散度损失（KL Divergence Loss）：衡量编码器产生的潜变量分布与预设的标准正态分布（或其他先验分布）之间的距离。

应用与优点

• VAE 可以用于生成新数据，例如图像、文本、音频等。
• 由于其对潜变量进行概率建模，所以它可以提供连续的数据生成，并且能够探索数据的不同模式。
• 在处理连续和离散数据时具有一定的灵活性。
• 可以用于特征学习，提取数据的有效低维表示。

缺点与挑战

• 训练 VAE 可能需要大量的计算资源和时间。
• 生成的样本有时可能不够清晰或细节模糊，尤其是在复杂数据集上。
• 对于某些复杂的分布形式，VAE 可能无法完美捕获所有细节。

使用 VAE 生成 MNIST 手写数字

下面我们将使用 PyTorch Lightning 来实现一个简单的 VAE 模型，并使用 MNIST 数据集来进行训练和生成。

在线 Notebook：https://www.kaggle.com/code/marquis03/vae-mnist

忽略警告

import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")

导入必要的库

import random
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

sns.set_theme(style="darkgrid", font_scale=1.5, font="SimHei", rc={"axes.unicode_minus":False})

import torch
import torchmetrics
from torch import nn, optim
from torch.nn import functional as F
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import transforms, datasets

import lightning.pytorch as pl
from lightning.pytorch.loggers import CSVLogger
from lightning.pytorch.callbacks.early_stopping import EarlyStopping

设置随机种子

seed = 1
random.seed(seed)
np.random.seed(seed)
torch.manual_seed(seed)
torch.cuda.manual_seed_all(seed)

cuDNN 设置

torch.backends.cudnn.enabled = True
torch.backends.cudnn.benchmark = True
torch.backends.cudnn.deterministic = True

超参数设置

batch_size = 64

epochs = 10
KLD_weight = 1
lr = 0.001

input_dim = 784  # 28 * 28
h_dim = 256  # 隐藏层维度  
z_dim = 2  # 潜变量维度

数据加载

train_dataset = datasets.MNIST(root="data", train=True, transform=transforms.ToTensor(), download=True)
train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)

定义 VAE 模型

class VAE(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim=784, h_dim=400, z_dim=20):
        super(VAE, self).__init__()

        self.input_dim = input_dim
        self.h_dim = h_dim
        self.z_dim = z_dim

        # Encoder
        self.fc1 = nn.Linear(input_dim, h_dim)
        self.fc21 = nn.Linear(h_dim, z_dim)  # mu
        self.fc22 = nn.Linear(h_dim, z_dim)  # log_var

        # Decoder
        self.fc3 = nn.Linear(z_dim, h_dim)
        self.fc4 = nn.Linear(h_dim, input_dim)

    def encode(self, x):
        h = torch.relu(self.fc1(x))
        mean = self.fc21(h)
        log_var = self.fc22(h)
        return mean, log_var

    def reparameterize(self, mu, logvar):
        std = torch.exp(0.5 * logvar)
        eps = torch.randn_like(std)
        return mu + eps * std

    def decode(self, z):
        h = torch.relu(self.fc3(z))
        out = torch.sigmoid(self.fc4(h))
        return out

    def forward(self, x):
        mean, log_var = self.encode(x)
        z = self.reparameterize(mean, log_var)
        reconstructed_x = self.decode(z)
        return reconstructed_x, mean, log_var

vae = VAE(input_dim, h_dim, z_dim)
x = torch.randn((10, input_dim))
reconstructed_x, mean, log_var = vae(x)
print(reconstructed_x.shape, mean.shape, log_var.shape)
# torch.Size([10, 784]) torch.Size([10, 2]) torch.Size([10, 2])

定义损失函数

def loss_function(x_hat, x, mu, log_var, KLD_weight=1):
    BCE_loss = F.binary_cross_entropy(x_hat, x, reduction="sum") # 重构损失
    KLD_loss = -0.5 * torch.sum(1 + log_var - mu.pow(2) - log_var.exp()) # KL 散度损失
    loss = BCE_loss + KLD_loss * KLD_weight
    return loss, BCE_loss, KLD_loss

定义 Lightning 模型

class LitModel(pl.LightningModule):
    def __init__(self, input_dim=784, h_dim=400, z_dim=20):
        super().__init__()
        self.model = VAE(input_dim, h_dim, z_dim)

    def forward(self, x):
        x = self.model(x)
        return x

    def configure_optimizers(self):
        optimizer = optim.Adam(
            self.parameters(), lr=lr, betas=(0.9, 0.99), eps=1e-08, weight_decay=1e-5
        )
        return optimizer

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        x = x.view(x.size(0), -1)
        reconstructed_x, mean, log_var = self(x)
        loss, BCE_loss, KLD_loss = loss_function(reconstructed_x, x, mean, log_var, KLD_weight=KLD_weight)
        self.log("loss", loss, on_step=False, on_epoch=True, prog_bar=True, logger=True)
        self.log_dict(
            {
                "BCE_loss": BCE_loss,
                "KLD_loss": KLD_loss,
            },
            on_step=False,
            on_epoch=True,
            logger=True,
        )
        return loss
    
    def decode(self, z):
        out = self.model.decode(z)
        return out

训练模型

model = LitModel(input_dim, h_dim, z_dim)
logger = CSVLogger("./")
early_stop_callback = EarlyStopping(monitor="loss", min_delta=0.00, patience=5, verbose=False, mode="min")
trainer = pl.Trainer(
    max_epochs=epochs,
    enable_progress_bar=True,
    logger=logger,
    callbacks=[early_stop_callback],
)
trainer.fit(model, train_loader)

绘制训练过程

log_path = logger.log_dir + "/metrics.csv"
metrics = pd.read_csv(log_path)
x_name = "epoch"

plt.figure(figsize=(8, 6), dpi=100)
sns.lineplot(x=x_name, y="loss", data=metrics, label="Loss", linewidth=2, marker="o", markersize=10)
sns.lineplot(x=x_name, y="BCE_loss", data=metrics, label="BCE Loss", linewidth=2, marker="^", markersize=12)
sns.lineplot(x=x_name, y="KLD_loss", data=metrics, label="KLD Loss", linewidth=2, marker="s", markersize=10)
plt.xlabel("Epoch")
plt.ylabel("Loss")
plt.tight_layout()
plt.show()

随机生成新样本

row, col = 4, 18
z = torch.randn(row * col, z_dim)
random_res = model.model.decode(z).view(-1, 1, 28, 28).detach().numpy()

plt.figure(figsize=(col, row))
for i in range(row * col):
    plt.subplot(row, col, i + 1)
    plt.imshow(random_res[i].squeeze(), cmap="gray")
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    plt.axis("off")
plt.show()

根据潜变量插值生成新样本

from scipy.stats import norm

n = 15
digit_size = 28

grid_x = norm.ppf(np.linspace(0.05, 0.95, n))
grid_y = norm.ppf(np.linspace(0.05, 0.95, n))

figure = np.zeros((digit_size * n, digit_size * n))
for i, yi in enumerate(grid_y):
    for j, xi in enumerate(grid_x):
        t = [xi, yi]
        z_sampled = torch.FloatTensor(t)
        with torch.no_grad():
            decode = model.decode(z_sampled)
            digit = decode.view((digit_size, digit_size))
            figure[
                i * digit_size : (i + 1) * digit_size,
                j * digit_size : (j + 1) * digit_size,
            ] = digit

plt.figure(figsize=(10, 10))
plt.imshow(figure, cmap="gray")
plt.xticks([])
plt.yticks([])
plt.axis("off")
plt.show()