科学空间|Scientific Spaces

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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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://papers.cool/arxiv/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

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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今天我们来谈一下Wasserstein散度，简称“W散度”。注意，这跟Wasserstein距离（Wasserstein distance，简称“W距离”，又叫Wasserstein度量、Wasserstein metric）是不同的两个东西。

本文源于论文《Wasserstein Divergence for GANs》，论文中提出了称为WGAN-div的GAN训练方案。这是一篇我很是欣赏却默默无闻的paper，我只是找文献时偶然碰到了它。不管英文还是中文界，它似乎都没有流行起来，但是我感觉它是一个相当漂亮的结果。

WGAN-div的部分样本（2w iter）

如果读者需要入门一下WGAN的相关知识，不妨请阅读拙作《互怼的艺术：从零直达WGAN-GP》。

WGAN

我们知道原始的GAN（SGAN）会有可能存在梯度消失的问题，因此WGAN横空出世了。

W距离

WGAN引入了最优传输里边的W距离来度量两个分布的距离：
\begin{equation}W_c[\tilde{p}(x), q(x)] = \inf_{\gamma\in \Pi(\tilde{p}(x), q(x))} \mathbb{E}_{(x,y)\sim \gamma}[c(x,y)] \end{equation}
这里的$\tilde{p}(x)$是真实样本的分布，$q(x)$是伪造分布，$c(x,y)$是传输成本，论文中用的是$c(x,y)=\Vert x-y\Vert$；而$\gamma\in \Pi(\tilde{p}(x), q(x))$的意思是说：$\gamma$是任意关于$x, y$的二元分布，其边缘分布则为$\tilde{p}(x)$和$q(y)$。直观来看，$\gamma$描述了一个运输方案，而$c(x,y)$则是运输成本，$W_c[\tilde{p}(x), q(x)]$就是说要找到成本最低的那个运输方案所对应的成本作为分布度量。

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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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这篇文章很简短，主要描述的是一个很有用、也不复杂、但是我居然这么久才发现的事实～

在《深度学习的互信息：无监督提取特征》一文中，我们通过先验分布和最大化互信息两个loss的加权组合来得到Deep INFOMAX模型最后的loss。在那篇文章中，虽然把故事讲完了，但是某种意义上来说，那只是个拼凑的loss。而本文则要证明那个loss可以由变分自编码器自然地导出来。

过程

不厌其烦地重复一下，变分自编码器（VAE）需要优化的loss是
\begin{equation}\begin{aligned}&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{aligned}\end{equation}
相关的论述在本博客已经出现多次了。VAE中既包含编码器，又包含解码器，如果我们只需要编码特征，那么再训练一个解码器就显得很累赘了。所以重点是怎么将解码器去掉。

其实再简单不过了，把VAE的loss分开两部分

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前言：去年写过一篇WGAN-GP的入门读物《互怼的艺术：从零直达WGAN-GP》，提到通过梯度惩罚来为WGAN的判别器增加Lipschitz约束（下面简称“L约束”）。前几天遐想时再次想到了WGAN，总觉得WGAN的梯度惩罚不够优雅，后来也听说WGAN在条件生成时很难搞（因为不同类的随机插值就开始乱了...），所以就想琢磨一下能不能搞出个新的方案来给判别器增加L约束。

闭门造车想了几天，然后发现想出来的东西别人都已经做了，果然是只有你想不到，没有别人做不到。主要包含在这两篇论文中：《Spectral Norm Regularization for Improving the Generalizability of Deep Learning》和《Spectral Normalization for Generative Adversarial Networks》。

所以这篇文章就按照自己的理解思路，对L约束相关的内容进行简单的介绍。注意本文的主题是L约束，并不只是WGAN。它可以用在生成模型中，也可以用在一般的监督学习中。

L约束与泛化

扰动敏感

记输入为$x$，输出为$y$，模型为$f$，模型参数为$w$，记为
$$\begin{equation}y = f_w(x)\end{equation}$$
很多时候，我们希望得到一个“稳健”的模型。何为稳健？一般来说有两种含义，一是对于参数扰动的稳定性，比如模型变成了$f_{w+\Delta w}(x)$后是否还能达到相近的效果？如果在动力学系统中，还要考虑模型最终是否能恢复到$f_w(x)$；二是对于输入扰动的稳定性，比如输入从$x$变成了$x+\Delta x$后，$f_w(x+\Delta x)$是否能给出相近的预测结果。读者或许已经听说过深度学习模型存在“对抗攻击样本”，比如图片只改变一个像素就给出完全不一样的分类结果，这就是模型对输入过于敏感的案例。

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随机采样的KNN样本

对于NLP来说，互信息是一个非常重要的指标，它衡量了两个东西的本质相关性。本博客中也多次讨论过互信息，而我也对各种利用互信息的文章颇感兴趣。前几天在机器之心上看到了最近提出来的Deep INFOMAX模型，用最大化互信息来对图像做无监督学习，自然也颇感兴趣，研读了一番，就得到了本文。

本文整体思路源于Deep INFOMAX的原始论文，但并没有照搬原始模型，而是按照这自己的想法改动了模型（主要是先验分布部分），并且会在相应的位置进行注明。

我们要做什么

自编码器

特征提取是无监督学习中很重要且很基本的一项任务，常见形式是训练一个编码器将原始数据集编码为一个固定长度的向量。自然地，我们对这个编码器的基本要求是：保留原始数据的（尽可能多的）重要信息。

我们怎么知道编码向量保留了重要信息呢？一个很自然的想法是这个编码向量应该也要能还原出原始图片出来，所以我们还训练一个解码器，试图重构原图片，最后的loss就是原始图片和重构图片的mse。这导致了标准的自编码器的设计。后来，我们还希望编码向量的分布尽量能接近高斯分布，这就导致了变分自编码器。

重构的思考

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今天介绍一篇比较经典的工作，作者命名为f-GAN，他在文章中给出了通过一般的$f$散度来构造一般的GAN的方案。可以毫不夸张地说，这论文就是一个GAN模型的“生产车间”，它一般化的囊括了很多GAN变种，并且可以启发我们快速地构建新的GAN变种（当然有没有价值是另一回事，但理论上是这样）。

局部变分

整篇文章对$f$散度的处理事实上在机器学习中被称为“局部变分方法”，它是一种非常经典且有用的估算技巧。事实上本文将会花大部分篇幅介绍这种估算技巧在$f$散度中的应用结果。至于GAN，只不过是这个结果的基本应用而已。

f散度

首先我们还是对$f$散度进行基本的介绍。所谓$f$散度，是KL散度的一般化：
$$\begin{equation}\mathcal{D}_f(P\Vert Q) = \int q(x) f\left(\frac{p(x)}{q(x)}\right)dx\label{eq:f-div}\end{equation}$$
注意，按照通用的约定写法，括号内是$p/q$而不是$q/p$，大家不要自然而言地根据KL散度的形式以为是$q/p$。

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