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Autoencoder 自编码

作者: Alice 编辑: UnityTutorial 2016-10-30

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机器学习-简介系列自编码 Autoencoder

自编码，简单来说就是把输入数据进行一个压缩和解压缩的过程。原来有很多 Feature，压缩成几个来代表原来的数据，解压之后恢复成原来的维度，再和原数据进行比较。

它是一种非监督算法，只需要输入数据，解压缩之后的结果与原数据本身进行比较。

今天要做的事情是把 datasets.mnist 数据的 28×28＝784 维的数据，压缩成 2 维的数据，然后在一个二维空间中可视化出分类的效果。

导入模块并创建数据 ¶

数据仍然用 datasets.mnist。

import numpy as np
np.random.seed(1337)  # for reproducibility

from keras.datasets import mnist
from keras.models import Model
from keras.layers import Dense, Input
import matplotlib.pyplot as plt

# download the mnist to the path '~/.keras/datasets/' if it is the first time to be called
# X shape (60,000 28x28), y shape (10,000, )
(x_train, _), (x_test, y_test) = mnist.load_data()

# data pre-processing
x_train = x_train.astype('float32') / 255. - 0.5       # minmax_normalized
x_test = x_test.astype('float32') / 255. - 0.5         # minmax_normalized
x_train = x_train.reshape((x_train.shape[0], -1))
x_test = x_test.reshape((x_test.shape[0], -1))
print(x_train.shape)
print(x_test.shape)


"""
(60000, 784)
(10000, 784)
"""

建立模型 ¶

encoding_dim，要压缩成的维度。

# in order to plot in a 2D figure
encoding_dim = 2

# this is our input placeholder
input_img = Input(shape=(784,))

接下来是建立 encoded 和 decoded ，再用 autoencoder 把二者组建在一起。训练时用 autoencoder。

encoded 用4层 Dense 全联接层，激活函数用 relu，输入的维度就是前一步定义的 input_img。

接下来定义下一层，它的输出维度是64，输入是上一层的输出结果。

在最后一层，我们定义它的输出维度就是想要的 encoding_dim＝2。

解压的环节，它的过程和压缩的过程是正好相反的。相对应层的激活函数也是一样的，不过在解压的最后一层用到的激活函数是 tanh。因为输入值是由 -0.5 到 0.5 这个范围，在最后一层用这个激活函数的时候，它的输出是 -1 到 1，可以是作为一个很好的对应。

# encoder layers
encoded = Dense(128, activation='relu')(input_img)
encoded = Dense(64, activation='relu')(encoded)
encoded = Dense(10, activation='relu')(encoded)
encoder_output = Dense(encoding_dim)(encoded)

# decoder layers
decoded = Dense(10, activation='relu')(encoder_output)
decoded = Dense(64, activation='relu')(decoded)
decoded = Dense(128, activation='relu')(decoded)
decoded = Dense(784, activation='tanh')(decoded)

# construct the autoencoder model
autoencoder = Model(input=input_img, output=decoded)

接下来直接用 Model 这个模块来组建模型，输入就是图片，输出是解压的最后的结果。

# construct the encoder model for plotting
encoder = Model(input=input_img, output=encoder_output)

当我们想要看由 784 压缩到 2维后，这个结果是什么样的时候，也可以只单独组建压缩的板块，此时它的输入是图片，输出是压缩环节的最后结果。

激活模型 ¶

接下来是编译自编码这个模型，优化器用的是 adam，损失函数用的是 mse。

# compile autoencoder
autoencoder.compile(optimizer='adam', loss='mse')

训练模型 ¶

接下来训练自编码模型，注意它的输入和输出是一样的，都是训练集的 X。

# training
autoencoder.fit(x_train, x_train,
                nb_epoch=20,
                batch_size=256,
                shuffle=True)

"""
Epoch 20/20
60000/60000 [==============================] - 7s - loss: 0.0398
"""

可视化结果 ¶

最后看到可视化的结果，自编码模型可以把这几个数字给区分开来，我们可以用自编码这个过程来作为一个特征压缩的方法，和PCA的功能一样，效果要比它好一些，因为它是非线性的结构。

# plotting
encoded_imgs = encoder.predict(x_test)
plt.scatter(encoded_imgs[:, 0], encoded_imgs[:, 1], c=y_test)
plt.colorbar()
plt.show()

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