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Unsupervised Learning: Deep Generation
今日的課程來自於: Unsupervised Learning - Deep Generative Model (Part I)
ML Lecture 18: Unsupervised Learning - Deep Generative Model (Part II)Introduction
What I cannot create, I do not understand — Richard Reynman
Richard Reynman說”我無法創造出我無法理解的東西”。就像機器無法劃出一隻貓或是狗，因為他們無法真正理解他。 今天將介紹三種generative models。
Generative Models:
- Pixal RNN
- Variational Antoencoder(VAE)
- Generative Adversarial Network
PixelRNN
RNN可以處理長度不同的input，他的主要概念是根據過去的狀態來推測下一個狀態。
PixelRNN的基本思想是每次只畫一個pixel，這個pixel是由過去所有已產生的Pixel共同決定的
training PixelRNN 是很簡單的，這是完全的unsupervised。你可以會想說這麼簡單的方法怎麼會有用但是在不同generate image的方法裡pixelRNN是最清晰的
PixelRNN 還可以用在聲音跟影像的生成，給定前面的音訊，在predict 下一個sample 結果，再丟到model 中，一直硬train 下去
ex: pokemon creation
我們可以不用抓寶可夢，我們直接用 pixelRNN 創造寶可夢
Don’t catch them! create them!
使用PixelRNN生成寶可夢，有幾個tips:
- 為了減少運算量，將40*40的圖像減少成20*20
- 如果將每個Pixel都以[R,G,B]的vector表示的話
- 生成的圖像都是灰的，因為比較亮的顏色，通常RGB的差異會很大
- 如果用sigmoid function ，最終生成的RGB都是0.5左右，所以色彩不鮮艷
- 解決方法:將所有的色彩集合成一個1-of-N encoder，由於色彩種類比較多，因此先對類似的顏色做clustering ，最後獲得167個色彩向量
使用PixelRNN訓練好的模型之後，給它看沒有被放在training data的三個圖像的一部分，分別遮住原圖的50%或75%，得到原圖的預測結果的對比如下:
其實效果還不錯，提供比較多圖案的效果當然比較好
我們也可以不提供圖片，只是需要設定不同的機率，不然跑出來的圖都一樣
VAE
VAE, Variantional Autoencoder，可變自動編碼器
上一篇已經介紹過Autoencoder 的基本思想，我們拿出其中的decoder，給它隨機輸入數據，就可以生成對應的圖像
但是普通的Decoder生成的效果並不好，VAE可以得到更好的效果
在VAE中，很像encoder，但是加了小trick。code不再直接等於encoder的輸出，這裡假設目標降維空間為三維，那我們使Encoder分別輸出m1、m2、m3 和σ1、σ2、σ3 ，此外我們從常態分布中隨機挑選出三個點 e1、 e2、 e3 ，最後的結果如下:
ci = eσi ⋅ ei + mi
此時，我們訓練目標不僅是要最小化input和output之間的差距，同時還要最小化下面的式子:
與pixelRNN不同的是，VAE畫出的圖一班都是不太清晰的，但是在某種程度上我們可以控制生成的圖像
write poetry
VAE還可以用來寫詩，只需要某兩句話對應的code，然後在降維後的空間中得到這兩個code所在點的連線，從中取樣，並輸入給Decoder，就可以得到類似下圖中的效果
上圖可以看到，我們只給了第一句和最後一句，中間的過程，就是training的結果
Why VAE ?
為什麼要使用VAE呢? VAE與傳統的Autoencoder相比，有甚麼優勢嗎?
實際上，VAE就是加了noise的Autoencoder，它的抗干擾能力更強，過度生成能力也更強
對原先的Autoencoder來說，假設我們得到了滿月和弦月的code，從兩者連線中隨機獲
取一個點並映射回原來的空間，得到的圖像很可能是完全不一樣的東西
而對VAE來說，它要保證在降維後的空間中，加了noise的一段範圍內的所有點都能夠映
射到目標圖像，如下圖所示，當某個點既被要求映射到滿月、又被要求映射到弦月，則它
最終映射出來的結果就很有可能是兩者之間的過渡圖像
再回頭看VAE的結構:
- mi其實就代表原本的code
- ci則代表加了noise以後的code
- σi則代表了noise的variance，描述了noise的大小，這是由NN學習到的參數
- ei 是常態分佈中隨機採樣的點
注意:如果loss function 只讓input和output的差距最小是不夠的，因為variance是由機器決定的。
如果不加以約束，機器就會讓variance=0，這樣就跟普通的autoencoder沒有差別了
用下面的塗寫是函數的意思:
下圖中，藍線代表eσi ，紅線代表1+σi ，兩者相減得到綠線
綠線的最低點σi=0，則variance eσi=1，此時loss 最低
而(mi )2 項則是對code的L2 ，讓他比較sparse，不容易過擬合
problems of VAE
VAE有一個缺點，它只是在努力做到讓生成的圖像與數據集裡的圖像盡可能相似，卻從來
沒有想過怎麼樣真的產生一張新的圖像，因此由VAE生成的圖像大多是數據集中圖像的線
性變化，而很難自主生成全新的圖像
VAE產生的image，都是data裡的image的linear combination，因為它從來沒有學過產生image
VAE做到的只是模仿，而不是創造，GAN的誕生，就是為了創造
GAN
GAN的概念，有點像擬態的演化
枯葉蝶是怎麼變得更菇業一模一樣呢? 假設原本枯葉蝶原本是彩色的，但是他的天敵: 波波鳥會吃這個蝴蝶。那枯葉蝶就近畫成為棕色的，接下來他的天敵也進化了，波坡變成比比鳥，比比鳥知道，蝴蝶是沒有葉脈的，所以他會吃沒有葉脈的東西。最後枯葉蝶跟天敵都會一再的演化
GAN 的概念是這個樣子。首先，有一個第一代的 Generator，第一代的 Generator 它很廢，它可能根本就是 random 的，它會 generate 一大堆奇怪的東西，看起來不像是真正的 image。假如我們現在叫它 Generate 4 個 digit，那接下來有一個的第一代 Discriminator，他就是那個天敵，Discriminator 做的事情是，他會根據real 的 image跟 Generator 所產生的 image去調整它裡面的參數，去評斷說，一張 image 是真正的 image，還是 Generator 所產生的 image。
接下來呢，這個 Generator 根據這個 Discriminator調整了他的參數，所以，第二代的 Generator產生的 digit 就可能就更像真的。接下來，Discriminator 會再根據第二代的Generator的image去 update 他的參數。接下來，有了第二代的Discriminator，就會再產生第三代的 Generator，第三代 Generator 產生的數字又更像真正的這個數字。第三代 Generator 他產生的這些數字，可以騙過第二代的 Discriminator，第二代產生的這些數字，可以騙過第一代的 Generator。
要注意的是: Generator 從來沒有看過真正的 image長什麼樣子，Discriminator 有看過真正的 image 長什麼樣子，它會比較真正的 image 跟 Generator 的 output 的不同
GAN – Generator & Discriminator
GAN 組要由Ganerator 和 Discriminator組成:
- 對Discriminator的訓練: 把Generator產生的圖像標記為0，真實圖像標記為1
- 對Generator的訓練: 調整生成器的參數，使產生的圖像能夠騙過Discriminator
- Discriminator和Generator 結合，其實就是一個很大的neural network
- 只是我們只要選Generator的參數，而Discriminator的參數要鎖定，不然就不能運作了
GAN的問題: 他們有一個清楚的訓練目標，你不知道discriminator標記的答案是否正確，也沒有辦法使用loss function來判斷，所以必須在訓練時，同時查看訓練的狀況
