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变分自编码器（Variational Autoencoder, VAE）

news 来源：原创 2025/5/16 10:16:48

结合了自编码器和概率生成模型的深度学习框架，主要用于生成新数据和学习数据的低维潜在表示。

一 VAE概念

VAE的目标是学习数据的潜在概率分布，而非像传统的自编码器（AE）进行简单的数据压缩。

通过引入变分推断（Variational Inference），VAE能够生成与原始数据分布一致的新样本。

1.1变分推断（Variational Inference, VI）

一种用于近似复杂概率模型后验分布的机器学习方法。在贝叶斯模型中，目标是计算后验分布 $p(z | x)$ .

$x$ ：观测数据

$z$ ：隐变量

后验分布的表达式为：

$p(z | x) = \frac{p(x | z) p(z)}{p(x)}$

变分推断的核心：通过找到简单分布 $q(z)$ （称为变分分布），最小化其与真实后验 $p(z | x)$ 的KL散度（KL散度量化了一个概率分布 P 相对于另一个分布 Q 的“差异”或“信息损失”。）：

$q^* = \arg\min_{q \in \mathcal{Q}} \text{KL}(q(z) \parallel p(z | x))$

生成模型：VAE属于隐变量模型（Latent Variable Model），假设数据由潜在变量 $z$ 生成，即 $x = f(z)$ ，其中服从特定的先 $z$ 验分布。

二结构组成

2.1编码器（Encoder）

作用：将输入数据 $x$ 映射到潜在空间，输出潜在变量 $z$ 的分布参数（均值和方差）。

输出：均向量 $\mu$ 和方差的对数值 $\log \sigma^2$ ，即 $q(z|x) \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2 I)$ 。

2.2解码器（Decoder）

作用：从潜在变量 $z$ 重构原始数据 $x$ ，即学习生成 $p(x|z)$ 。

输出：重构数据 $x'$ ，通常通过伯努利或高斯分布建模。

三变分推断与损失函数

VAE通过最大化证据下界（Evidence Lower Bound, ELBO）进行优化。ELBO由以下两部分组成：

3.1 重构损失（Reconstruction Loss）

衡量解码器重构数据的能力，等价于交叉熵（用于衡量两个概率分布之间的差异，同时也是机器学习中最常用的损失函数之一）或均方误差（MSE）。

$\mathcal{L}_{\text{recon}} = \mathbb{E}_{z \sim q(z|x)} \left[ \log p(x|z) \right]$

3.2 KL散度（KL Divergence）

强制潜在分布接近标准正态先验分布 $p(z)$ ，保证潜在空间的连 $q(z|x)$ 续性。

$\mathcal{L}_{\text{KL}} = \text{KL} \left( q(z|x) \parallel p(z) \right)$

对于高斯分布，KL散度可解析计算为：

$\mathcal{L}_{\text{KL}} = -\frac{1}{2} \sum_{i} \left( 1 + \log \sigma_i^2 - \mu_i^2 - \sigma_i^2 \right)$

总损失函数：

$\mathcal{L} = \mathcal{L}_{\text{recon}} + \mathcal{L}_{\text{KL}}$

四重参数化技巧（Reparameterization Trick）

直接从分布 $\mathcal{N}(\mu, \sigma^2)$ 采样 $z$ 会导致不可导，无法反向传播。

解决方案：将采样过程分解为确定性和随机性部分：

$z = \mu + \sigma \odot \epsilon, \quad \epsilon \sim \mathcal{N}(0, I)$

其中 $\epsilon$ 是独立噪声，确保梯度可传至编码器。

五训练过程

输入数据 $x$ 通过编码器生成 $\mu$ 和 $\log \sigma^2$ 。

通过重参数化采样 $z$ ，输入解码器生成重构数据 $x'$ 。

计算重构损失和KL散度，反向传播优化网络参数。

六优缺点

优点:

(1)可生成新数据，潜在空间具有连续性（插值生成平滑过渡样本）。

(2)显式建模概率分布，支持概率推断。

缺点:

(1)生成结果可能较模糊（因假设输出为高斯分布，而真实数据分布复杂）。

(2)训练难度较高，需平衡重构损失与KL散度。

七应用场景

图像生成（如人脸、手写数字）、数据降维与特征提取、数据去噪与补全、半监督学习

代码示例：

import torch
import torch.nn as nnclass VAE(nn.Module):def __init__(self, input_dim, latent_dim):super(VAE, self).__init__()# 编码器self.encoder = nn.Sequential(nn.Linear(input_dim, 512),nn.ReLU(),nn.Linear(512, 2 * latent_dim)  # 输出mu和log_var)# 解码器self.decoder = nn.Sequential(nn.Linear(latent_dim, 512),nn.ReLU(),nn.Linear(512, input_dim),nn.Sigmoid())def reparameterize(self, mu, log_var):std = torch.exp(0.5 * log_var)eps = torch.randn_like(std)return mu + eps * stddef forward(self, x):h = self.encoder(x)mu, log_var = torch.chunk(h, 2, dim=-1)z = self.reparameterize(mu, log_var)x_recon = self.decoder(z)return x_recon, mu, log_var

VAE通过结合自编码器与变分推断，实现了对数据潜在分布的建模与生成。其核心在于通过KL散度约束潜在空间，并利用重参数化技巧解决梯度传递问题。

生成质量上弱于GAN，但其拥有更高的概率解释性和稳定性。