Pytorch 第十三回：神经网络编码器——自动编解码器

Pytorch 第十三回：神经网络编码器——自动编码器

本次开启深度学习第十三回，基于Pytorch的神经网络编码器。本回先分享一个自动编码器。在本回中，通过minist数据集来分享如何建立一个简单的自动编码器。接下来给大家分享具体思路。
本次学习，借助的平台是PyCharm 2024.1.3，python版本3.11 numpy版本是1.26.4，pytorch版本2.0.0

前言

讲述模型前，先讲述两个概念，统一下思路：

1、神经网络编码器

神经网络编码器（Encoder）是深度学习中的核心组件之一，其作用在于将输入数据转化为更高效、更具表征能力的中间形式，以支持后续处理任务。通过将输入数据本身作为学习目标，实现对数据的压缩编码与重建，从而学习输入的本质特征‌。其核心目标是在编码-解码过程中捕获数据的关键特征，而非简单复制输入数据‌。换句话说，编码器把原始数据转化为一个固定大小的向量或特征表示。这个过程称为“编码”或“特征提取”。

2、自动编码器组成

‌编码器（Encoder）‌：将高维输入数据映射到低维隐空间（Latent Space），提取核心特征。例如，输入图像通过卷积层或全连接层压缩为向量表示‌；
‌解码器（Decoder）‌：从隐空间重构原始输入数据，尽可能复现原始输入。例如，低维向量通过反卷积层恢复为图像‌。
自动编码器结构如下所示：

闲言少叙，直接展示逻辑，先上引用：

import os
import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.datasets import MNIST
from torchvision import transforms as tfs
from torchvision.utils import save_image

一、数据准备

首先准备MNIST数据集，并进行数据的预处理。关于数据集、数据加载器的介绍，可以查看第五回内容。

data_treating = tfs.Compose([
    tfs.ToTensor(),
    tfs.Normalize([0.5], [0.5])
])
train_set = MNIST('./data', transform=data_treating)
train_data = DataLoader(train_set, batch_size=64, shuffle=True)

二、模型准备

1.模型准备

这里定义的编码器和解码器都是4层的神经网络，网络之间的连接采用Relu激活函数。

class autoencoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(autoencoder, self).__init__()

        self.encoder = nn.Sequential(
            nn.Linear(28 * 28, 256),
            nn.ReLU(True),
            nn.Linear(256, 100),
            nn.ReLU(True),
            nn.Linear(100, 20),
            nn.ReLU(True),
            nn.Linear(20, 4)
        )

        self.decoder = nn.Sequential(
            nn.Linear(4, 20),
            nn.ReLU(True),
            nn.Linear(20, 100),
            nn.ReLU(True),
            nn.Linear(100, 256),
            nn.ReLU(True),
            nn.Linear(256, 28 * 28),
            nn.Tanh()
        )

    def forward(self, x):
        encode = self.encoder(x)
        decode = self.decoder(encode)
        return encode, decode

注：由于输入图片标准化在-1到1之间，因此输出也要在-1到1之间，因此解码器的最后采用tanh激活函数。

2.定义损失函数和优化函数

定义计算均方误差损失函数；定义Adam优化器，学习率设定为0.01。

loss_f = nn.MSELoss(reduction='sum')
optimizer = torch.optim.Adam(encoder_net.parameters(), lr=1e-3)

3 定义生成图片的函数

def change_image(x):
    x = 0.5 * (x + 1.)
    x = x.clamp(0, 1)
    x = x.view(x.shape[0], 1, 28, 28)
    return x

三、模型训练

1 实例化模型

这里实例化了一个自动编码-解码的模型，同时为了加快模型训练，引入GPU进行训练（如何引入GPU进行训练，可以查看第六回）

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print("device=", device)
encoder_net = autoencoder().to(device)

2 迭代训练

进行100次迭代训练，并将生成的图片保存。

for e in range(100):
    for image, _ in train_data:
        image = image.view(image.shape[0], -1)
        image = image.to(device)
        _, y_code = encoder_net(image)
        loss = (loss_f(y_code, image).to(device) / image.shape[0])
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

    if (e + 1) % 10 == 0:
        print('epoch:	{},	Loss:	{:.4f}'.format(e + 1, loss))
        print("image.shape[0]=",image.shape[0])
        print("image.shape=", image.shape)
        pic = change_image(y_code.cpu().data)
        if not os.path.exists('./simple_autoencoder'):
            os.mkdir('./simple_autoencoder')
        save_image(pic, './simple_autoencoder/image_{}.png'.format(e + 1))

误差输出如下：

epoch:	10,	Loss:	82.4779
epoch:	20,	Loss:	81.4972
epoch:	30,	Loss:	78.1668
epoch:	40,	Loss:	69.2767
epoch:	50,	Loss:	68.0554
epoch:	60,	Loss:	73.5405
epoch:	70,	Loss:	74.1826
epoch:	80,	Loss:	72.9499
epoch:	90,	Loss:	71.9427
epoch:	100,	Loss:	68.0742

3 图片展示

训练10次生成图片
训练100次生成的图片：

相对来说，经过100次迭代训练，生成的图片还是比较清晰的。

总结

1）数据准备：准备MNIST集；
2）模型准备：定义自动编解码模型、损失函数和优化器；
3）数据训练：实例化模型并训练，生成新的图片数据。