用pytorch实现Autoencoder

2024-02-04 08:18:40

原文连接： https://debuggercafe.com/implementing-deep-autoencoder-in-pytorch/

本文将简述pytorch环境下的线性自编码器的实现：

本文内容：

autoencoder简介；
方法；
Pytorch实现（线性层）
图片重构

一、autoencoder简介

深度学习自编码器是一种神经网络类型，可以从潜在code空间中重构图片；

这里涉及到三个概念：

1）encoder 2)decoder 3) code

下面以图像为例进行说明：

encoder：是个网络结构；输入图像，输出code；

decoder：也是个网络结构；输入code，输出图像；

code：可以理解为图像潜在特征表示

下面用一张图来对其进行表示：

二、方法

Deep autoencoder

三、Pytorch实现

数据集： Fashion MNIST

有70000张灰度图，其中60000作为训练，10000作为测试集；

包含有10个类别；

代码实现：

1）导入需要的包

# import packages
import os
import torch 
import torchvision
import torch.nn as nn
import torchvision.transforms as transforms
import torch.optim as optim
import matplotlib.pyplot as plt
import torch.nn.functional as F
 
from torchvision import datasets
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.utils import save_image

重要包说明：

torchvision：包含许多流行的计算机视觉数据集，深度神经网络架构，以及图像处理模块；我们将使用这个包来下载Fashion MNIST和CIFAR10数据集；
torch.nn：包含了许多深度学习网络层，比如Linear()、Conv2d()等；
transforms：帮助定义图像变换和正则化；
optim：包含了深度学习的优化器；
functional：在本文中的激活函数将用到它；
Dataloader：使数据成为可迭代的训练和测试形式；

2）数据准备以及超参数定义

超参数是指，人工预先设定的，不通过网络学习得到的参数；

主要有, 迭代的次数NUM_EPOCHS，学习率LEARNING_RATE，batch的大小BATCH_SIZE

代码如下：

# constants
NUM_EPOCHS = 50
LEARNING_RATE = 1e-3 
BATCH_SIZE = 128  
# image transformations
transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
])

transforms.Compose([transforms.ToTensor(),])是将pixel的值转换为tensor；并且将其缩放至[-1,1]范围；

训练集和测试的准备：

trainset = datasets.FashionMNIST(
    root='./data',
    train=True, 
    download=True,
    transform=transform
)
testset = datasets.FashionMNIST(
    root='./data',
    train=False,
    download=True,
    transform=transform
)
trainloader = DataLoader(
    trainset, 
    batch_size=BATCH_SIZE,
    shuffle=True
)
testloader = DataLoader(
    testset, 
    batch_size=BATCH_SIZE, 
    shuffle=True
)

这里的trainloader以及testloader中的batchsize大小均为128； data loaders是可迭代的；

trainloader中含有60000/128个batches，testloader中含有10000/128个batches。

3) 实用函数 utility functions

写这些函数的目的在于：节省时间，避免代码重复；

本文包含三个实用函数：

a. get_device() 设备判断函数——返回GPU或者是CPU

b.make_dir()创建一个目录来存储训练中重构的图片；

c. save_decode_image() 用于存储自编码器重构的图片。

# utility functions
def get_device():
    if torch.cuda.is_available():
        device = 'cuda:0'
    else:
        device = 'cpu'
    return device
def make_dir():
    image_dir = 'FashionMNIST_Images'
    if not os.path.exists(image_dir):
        os.makedirs(image_dir)
def save_decoded_image(img, epoch):
    img = img.view(img.size(0), 1, 28, 28)
    save_image(img, './FashionMNIST_Images/linear_ae_image{}.png'.format(epoch))

4）定义自编码-解码网络

Autoencoder()具有两个部分：编码encoder部分以及解码decoder部分；

encoder部分：

a. encoder将28*28维的图像进行展平处理，成为28*28=784维的向量；

b. 定义了5个Linear()层，直到最后一个输出特征是16；

encoder部分生成了潜在code表示；之后进行decoder用于重构；

decoder:

a. 将code中的16个维度通过线性层逐层递增；

b. 最后得到输出的784维的特征；

在forward()函数中，对每层的后面都接了ReLU激活函数，最后将网络结构进行返回；

net = Autoencoder() 创建了一个Autoencoder()实例，当我们需要使用神经网络的时候就可以调用它；

实际上，对于Fashion MNIST来说，我们甚至不需要这么大的网络；即使是两层网络也可以很好的捕捉到图像的重要特征；

class Autoencoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Autoencoder, self).__init__()
        # encoder
        self.enc1 = nn.Linear(in_features=784, out_features=256)
        self.enc2 = nn.Linear(in_features=256, out_features=128)
        self.enc3 = nn.Linear(in_features=128, out_features=64)
        self.enc4 = nn.Linear(in_features=64, out_features=32)
        self.enc5 = nn.Linear(in_features=32, out_features=16)
        # decoder 
        self.dec1 = nn.Linear(in_features=16, out_features=32)
        self.dec2 = nn.Linear(in_features=32, out_features=64)
        self.dec3 = nn.Linear(in_features=64, out_features=128)
        self.dec4 = nn.Linear(in_features=128, out_features=256)
        self.dec5 = nn.Linear(in_features=256, out_features=784)
    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.enc1(x))
        x = F.relu(self.enc2(x))
        x = F.relu(self.enc3(x))
        x = F.relu(self.enc4(x))
        x = F.relu(self.enc5(x))
        x = F.relu(self.dec1(x))
        x = F.relu(self.dec2(x))
        x = F.relu(self.dec3(x))
        x = F.relu(self.dec4(x))
        x = F.relu(self.dec5(x))
        return x
net = Autoencoder()
print(net)

输出：

Autoencoder(
  (enc1): Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
  (enc2): Linear(in_features=256, out_features=128, bias=True)
  (enc3): Linear(in_features=128, out_features=64, bias=True)
  (enc4): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
  (enc5): Linear(in_features=32, out_features=16, bias=True)
  (dec1): Linear(in_features=16, out_features=32, bias=True)
  (dec2): Linear(in_features=32, out_features=64, bias=True)
  (dec3): Linear(in_features=64, out_features=128, bias=True)
  (dec4): Linear(in_features=128, out_features=256, bias=True)
  (dec5): Linear(in_features=256, out_features=784, bias=True)
)

5）定义网络的损失函数和优化器

criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=LEARNING_RATE)

6）定义使用的train和test函数

train()函数

有一些需要注意的地方：

第6行，只提取了数据，而没有提取Label;

第8行，将28*28的图像展成784维的形式；

在每次迭代的时候，我们都将loss值存储到train_loss中，在函数最后进行返回；

每5次迭代后，我们将存储重构的图像；可以直观可视化神经网络的变现性能；

test()函数：test_image_reconstruction()

将重构一个batch的图像；

 1 def train(net, trainloader, NUM_EPOCHS):
 2     train_loss = []
 3     for epoch in range(NUM_EPOCHS):
 4         running_loss = 0.0
 5         for data in trainloader:
 6             img, _ = data
 7             img = img.to(device)
 8             img = img.view(img.size(0), -1)
 9             optimizer.zero_grad()
10             outputs = net(img)
11             loss = criterion(outputs, img)
12             loss.backward()
13             optimizer.step()
14             running_loss += loss.item()
15         
16         loss = running_loss / len(trainloader)
17         train_loss.append(loss)
18         print('Epoch {} of {}, Train Loss: {:.3f}'.format(
19             epoch+1, NUM_EPOCHS, loss))
20         if epoch % 5 == 0:
21             save_decoded_image(outputs.cpu().data, epoch)
22     return train_loss
23 def test_image_reconstruction(net, testloader):
24      for batch in testloader:
25         img, _ = batch
26         img = img.to(device)
27         img = img.view(img.size(0), -1)
28         outputs = net(img)
29         outputs = outputs.view(outputs.size(0), 1, 28, 28).cpu().data
30         save_image(outputs, 'fashionmnist_reconstruction.png')
31         break

7）训练自编码网络

接下来，接可以调用之前定义的utility函数，训练和检验我们的网络；

代码说明：

line 2 得到计算设备 cuda: cpu/gpu

line 5 加载网络到设备上；

line 6 为重构的图像建立目录文件；

line 10 绘制训练损失；

line 19 对图像进行重构来检验单个batch中的影像；

 1 # get the computation device
 2 device = get_device()
 3 print(device)
 4 # load the neural network onto the device
 5 net.to(device)
 6 make_dir()
 7 # train the network
 8 train_loss = train(net, trainloader, NUM_EPOCHS)
 9 plt.figure()
10 plt.plot(train_loss)
11 plt.title('Train Loss')
12 plt.xlabel('Epochs')
13 plt.ylabel('Loss')
14 plt.savefig('deep_ae_fashionmnist_loss.png')
15 # test the network
16 test_image_reconstruction(net, testloader)

8）分析损失图和图像重构结果

四、重构图像：

可以看出随着迭代次数的增加，图像的质量得到了显著提升；

总结与结论：

本文是关于Pytorch实现一个简单的深度自编码器的研究。

在深度学习中，如果你能够很清晰的理解一个简单的概念，那么相关的概念也会较为容易理解的。

我在此希望你已经学到了如何使用Pytorch实现深度自编码器。

接下来，我们将实现卷积自编码器。

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