Auto-encoder 系列

Auto-Encoder (AE)

1. Auto-encoder概念

自编码器要做的事：将高维的信息通过encoder压缩到一个低维的code内，然后再使用decoder对其进行重建。“自”不是自动，而是自己训练[1]。

PCA要做的事其实与AE一样，只是没有神经网络。对于一个输入x，PCA通过一个转换矩阵W将x转换为c，因为是线性的过程，就可以再通过WT将其转换为x^，目的是使x和x^尽可能一致。而AE要做的就是，在这样一个过程中，将PCA的转换矩阵W，WT换成encoder和decoder。

在这样一个过程中，将input layer, bottleneck, output layer 换做深度神经网络，就变成了deep auto-encoder，最开始由hinton 在2006年提出，这一替换的明显好处是，引入了神经网络强大的拟合能力，使得编码（Code）的维度能够比原始图像（X）的维度低非常多。

在一个手写数字图像的生成模型中，这样的一个简单的Deep Auto-Encoder模型能够把一个784维的向量（28*28图像）压缩到只有30维，并且解码回的图像具备清楚的辨认度（如下图）[2]。

2. Auto-encoder的应用

• Auto-encoder也可以用于预训练 DNN：当labeled data比较少的时候，对前几层网络进行合适的initialization是有必要的，这是可以先用 unlabelled data 使用AE技术分别train并fix W1，W2，W3，最后只需要使用label data训练W4即可。

• Auto-encoder还可以用来降噪：首先加噪，然后进行AE，目的是使网络不仅可以重构，还可以过滤其中的noise。过程如下。

3. Auto-encoder for CNN

在CNN中应用auto-encoder，主要是先使用convolution和pooling降维，然后再使用deconvolution和unpooling升维。deconvolution叫做逆卷积，也是一个卷积操作，其对feature map恢复的原理核心就是（k-1-p）扩展（padding），详细可以阅读：Deconvolution（逆卷积）。unpooling与upsampling还是有点区别，unpooling是在CNN中常用的来表示max pooling的逆操作，简单来说，记住做max pooling的时候的最大item的位置，比如一个3x3的矩阵，max pooling的size为2x2，stride为1，反卷积记住其位置，unpooling的操作就是让其余位置至为0就行。

Variational Auto-Encoder (VAE)

#TODO: 阅读：http://www.gwylab.com/note-vae.html

#TODO: 阅读：https://blog.rexking6.top/2019/06/09/%E5%8F%98%E5%88%86%E8%87%AA%E7%BC%96%E7%A0%81%E5%99%A8VAE/，并阅读其中转载的几篇文章

#TODO: KL散度

#TODO: 贝叶斯估计

参考：

[1] https://www.bilibili.com/video/av15889450/?p=33

[2] http://www.gwylab.com/note-vae.html