Deep Generative Model1--VAE

1.VAE(Variational auto-encoder)

首先我们思考一下，为什么我们需要VAE? 或者说Auto-encoder有什么问题？首先我们需要明确我们的目标，我们需要的是一个图像生成模型，也就是说在给定维度下的任意一个code，通过decoder都应该产生一张清晰且符合逻辑的图片。但是，仅仅通过auto-encoder类的模型是无法实现任意这一条件的。下面引用李宏毅老师机器学习Deep Generation Model课件中的例子来做解释。

从上面的图中，假如我们使用了一个deep auto-encoder 模型，对于给定的几张图片，下方的全月图和半月图，通过神经网络参数的学习，我们可以无损地还原出上方的两张图。但是，需要注意的是，参数的学习仅仅focus在有限的训练集图片上，对于那些网络没有见过的陌生图片，模型是无法通过在code space上经过简单的迁移再解码生成的。比方说，现在，如果我们想要生成一张3/4全月的图片，直觉上，我们可能回想说，既然3/4全月介于全月图和半月图之间，那么对应的code是否也是介于两者之间呢？答案是否定的，因为整个encode和decode的过程中引入了复杂的neural network，充斥着非线性变换，因此code space上的点之间的迁移往往是毫无规律可言的。
因此auto-encoder本质上并不是一个真正的生成式模型，那么VAE相较于auto-encoder做了什么改变呢？答案就是化离散为连续，简单来说，原图经过encode之后不再是一个code space（latent space）上的一个点，而是生成一个分布。通过从这个分布中抽样，再decode,从而生成artificial image。
下面，我们通过具体的例子来看一看。
首先我们再来回顾一下，auto-encoder的基本结构。如下所示，

如果你的目标仅仅是reconstruct你的input，那么 auto-encoder会是一个非常好的选择，通过选取一些deep neural network，能实现非常好的还原。但是正如我上面提到的，auto-encoder并不是一个 generative model。对于那些从来没有见过的code，decoder无法生成合理的图片。

那么VAE是怎么做的呢？
每一个input X通过encoder会生成一个有特定均值 μ 和特定方差 σ 的高维正态分布，维度与latent space 相同，然后，再从standard normal distribution中抽样得到一个epsilon ϵ，最后生成一个random variable z=σ⋅ϵ+μ。z∼N(μ,σ)，最后 z就可以作为 decoder的输入。（注意，这里我虽然写的是σ，但是实际上我们会再加一层exp(.),保证其为正值）下图是一个简单的例子。

这里还有一个需要明确的点就是，对于每个input X，通过encoder生成的正态分布的参数μ和σ自然是不一样的，因为它是input x的函数，下面是李宏毅老师课件中的图片，描述地十分清楚。

从直观上理解，再比如下图

但是如果我们把所有的input X生成的正态分布取average，那么我们就可以近似地认为z近似地遵从standard normal distribution。如下

事实上，这也是VAE中一个非常重要的假设，那就是
当这个条件满足时，其实也意味着我们能够训练我们的decoder，让它能够将从这个分布抽样得到的任意样本转化为一张合理的图片。
另外一个需要明确的点就是为什么我们要构建一个z=σ⋅ϵ+μ的表达式，原因在于如果我们直接通过z∼N(μ,σ)抽样，那么本质上z是一个random variable，那么也就意味着我们无法对其参数σ和μ求导，因此backpropagation算法无法使用。但是当我们将其表示为z=σ⋅ϵ+μ的形式后，从encoder输出到z，就只是涉及线性操作，这里的ϵ对与神经网络而言只是一个常数。我们把这种方法称为reparemerization trick。

以上，我已经从intuition 的角度介绍完了VAE，接下来，我们从理论推导的角度再来回溯一下。
明确目标：使用最大似然的思想，我们希望通过 VAE 生成 x的几率最大。

通过对P(x)取对数，原目标等价于最大化下图中的L。那么我们再仔细观察一下似然函数的表达式，z的分布是已知的，就是一个标准正态分布，唯一的问题就是 P(x|z)这个条件概率的分布，更进一步来说就是估计 μ(z)和 σ(z)这两个functions。

具体来说，我们利用一个neural network，下面的蓝色方块，来估计这个函数的参数，使得似然函数最大化。那么这一块实际上也就是对应着VAE 中的Decoder，从 latent variable 到 output x的过程。

讨论完了decoder的部分，我们再来思考一下encoder的部分。我们知道与decoder相反，encoder实现的是从input x到 latent variable z的转换过程。

这里我们引入一个分布，q(z|x),其中q可以代表任意分布。因为q（z|x）可以是任意分布，那么我们的logP(x)可以转化如下：

通过上图中的转化，我们最终可以得到logP(x)的另一种表达式，等于一个lower bound Lb与 一个 KL divergence. 其中KL divergence 描述了两个分布之间的差异，当两个分布完全相同时，它的值为0，两个分布差异越大，它的值越大，因此，这一项恒>=0, 这也说明了为什么把前一项称为lower bound，因为 logP(x)必然恒大于等于它。

OK，到这里，我们再来回顾一下发生了什么，在decoder部分，我们想要求解P(x|z)以期望max logP(x)。 现在当我们在encoder部分引入这个q(z|x),观察lower bound Lb的表达式，我们现在的目标变成了同时求P(x|z) 和 q(z|x)来 max logP(x)。
但是我们可以发现，本质上，logP(x)只与P(x|z)有关，所以当我们fix住P(x|z)的值，logP(x)也是不会变的。我们可以通过不断调整q(z|x)使其不断靠近P(z|x)，使KL不断趋近于0，因为logP(x)没有改变，因此意味着Lb能够不断逼近我们的目标logP(x),因此求解max logP(x) 可以转化为求解 max Lb。下面我们来细看一下我们的Lb。

这里补充一下VAE中的损失函数，除了重构函数(类似 auto-encoder),增加的一项就是下图黄色框中的函数，恰好对应的就是Lb的第一项。那么增加这一项的意义是什么呢？保证足够的噪音，一旦这一项消失，机器在学习的过程中单一地考虑重构函数，原图与生成图的高度匹配，那么必然会让噪声消失，也就是σ会取负无穷。增加这一项的目的就是避免这种情况的发生。

那么关于第二项呢？最大化Lb意味着应该最大化第二项，我们通过一点转化，可以得到

这个期望值表示，在给定q(z|x) 也就是encoder输出的情况下，decoder输出值尽可能大，本质上就是input x与output x的接近，可以理解为auto-encoder中的重构函数。

以上是我对VAE的简单总结，关于一些细节的理解还有待进一步提高。

参考：李宏毅老师机器学习课程：https://www.bilibili.com/video/BV1JE411g7XF?p=61
Conditional Variational Autoencoders
https://ijdykeman.github.io/ml/2016/12/21/cvae.html
【VAE学习笔记】全面通透地理解VAE(Variational Auto Encoder)
https://blog.csdn.net/a312863063/article/details/87953517?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-2.channel_param&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-2.channel_param