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TensorFlow之3 实现自编码器
阅读量:4147 次
发布时间:2019-05-25

本文共 6617 字,大约阅读时间需要 22 分钟。

1 自编码器原理

自编码器(AutoEncoder)即可以使用自身的高阶特征编码自己。自编码器其实是一种神经网络,它的输入和输出是一致的,它借助稀疏编码的思想,目标是使用稀疏的一些高阶特征重新组合来重构自己。
因此,它的特征比较明显:1.期望输入输出一致;2.希望使用高阶特征来重构自己。
当给数据加入噪声时,那就是Denoising AutoEncoder(去噪自编码器),我们将从噪声中学习出数据的特征。去燥编码器最常用的噪声就是加性高斯噪声(Additive Gaussian Noise, AGN),也可以使用Masking noise,即有随机遮挡的噪声。
自编码器的理论内容可以参考:

2 代码实现

注意:在给W1进行初始化时,采用的是xavier initialization的初始化方法,其特点是会根据某一层网络的输入、输出节点数量自动调整最合适的分布。如果深度学习模型的权重初始化得太小,那信号将在每层间传递时逐渐缩小而难以产生作用,但如果权重初始化得太大,那信号将在每层间传递时逐渐放大并导致发散和失效。而Xavier初始化器做的事情就是让权重被初始化得正好合适。该初始化用函数
xavier_init(fan_in,fan_out,constant=1)实现。
代码实现包含4步:载入数据-》参数设置-》训练-》输出检测误差。
#__author__ = 'Administrator'#AGN自编码器import numpy as npimport sklearn.preprocessing as preimport tensorflow as tffrom tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_dataimport randomdef xavier_init(fan_in,fan_out,constant=1):    '''    实现Xaiver初始化器    :param fan_in: 输入节点数量    :param fan_out: 输出节点数量    :param constant: 常量    :return:fan_in行fan_out列的初始化参数    '''    low=-constant*np.sqrt(6.0/(fan_in+fan_out))    high=constant*np.sqrt(6.0/(fan_in+fan_out))    return tf.random_uniform([fan_in,fan_out],minval=low,maxval=high,dtype=tf.float32)class AdditiveGaussianNoiseAutoenencoder(object):    '''    函数功能:构建函数    Input:  n_input--输入变量数            n_hidden--隐含层节点数            transfer_function--隐含层激活函数,默认为softplus            optimizer--优化器,默认为Adam            scale--高斯噪声系数,默认为0.1    '''    def __init__(self,n_input,n_hidden,transfer_function=tf.nn.softplus,                 optimizer=tf.train.AdamOptimizer(),scale=0.1):        #初始化类内参数        self.n_input=n_input        self.n_hidden=n_hidden        self.transfer=transfer_function        self.optimizer=optimizer        self.scale=tf.placeholder(tf.float32)        self.trainning_scale=scale        networks_weights=self.__initialize_weights__()        self.weights=networks_weights        self.x=tf.placeholder(tf.float32,[None,self.n_input])        self.hidden=self.transfer(tf.add(tf.matmul(self.x+self.scale*tf.random_normal((n_input,)),self.weights['w1'])                                         ,self.weights['b1']))        self.reconstruction=tf.add(tf.matmul(self.hidden,self.weights['w2']),self.weights['b2'])        self.cost=0.5*tf.reduce_sum(tf.pow(tf.subtract(self.reconstruction,self.x),2.0))        self.optimizer=optimizer.minimize(self.cost)        init=tf.global_variables_initializer()        self.sess=tf.Session()        self.sess.run(init)    def __initialize_weights__(self):        '''        参数初始化函数        :return:所有初始化的参数        '''        all_weights=dict()        all_weights['w1']=tf.Variable(xavier_init(self.n_input,self.n_hidden))        all_weights['b1']=tf.Variable(tf.zeros([self.n_hidden],dtype=tf.float32))        all_weights['w2']=tf.Variable(tf.zeros([self.n_hidden,self.n_input],dtype=tf.float32))        all_weights['b2']=tf.Variable(tf.zeros([self.n_input],dtype=tf.float32))        return all_weights    def partial_fit(self,X):        '''        执行一步训练        :param X: 输入样本        :return:一步训练的损失函数        '''        cost, opt=self.sess.run((self.cost,self.optimizer),                                feed_dict={self.x:X,self.scale:self.trainning_scale})        return cost    def calc_total_cost(self,X):        '''        只计算cost量,在测试时会用到        :param X: 输入样本        :return:损失函数        '''        return self.sess.run(self.cost,feed_dict={self.x:X,self.scale:self.trainning_scale})    def transform(self,X):        '''        输出学到的高阶特征        :param X: 输入样本        :return:W1        '''        return self.sess.run(self.hidden,feed_dict={self.x:X,self.scale:self.trainning_scale})    def generate(self,hidden=None):        '''        和transform将整个自编码器拆分成两部分        :param hidden: 提取到的高阶特征        :return:重建后的结果        '''        if hidden is None:            hidden=np.random.normal(size=self.weights['b1'])        return self.sess.run(self.reconstruction,feed_dict={self.hidden:hidden})    def reconstruct(self,X):        '''        返回重建结果        :param X: 输入样本        :return:重建的输入样本        '''        return self.sess.run(self.reconstruction,feed_dict={self.x:X,self.scale:self.trainning_scale})    def getWeights(self):        '''        获取隐含层的权重W1        :return:        '''        return self.sess.run(self.weights['w1'])    def getBias(self):        '''        获取隐含层的贬值系数b1        :return:        '''        return self.sess.run(self.weights['b1'])def standard_scale(X_train,X_test):    '''    标准化训练、测试数据    :param X_train: 训练数据    :param X_test: 测试数据    :return:标准化后的训练、测试数据    '''    preprocessor=pre.StandardScaler().fit(X_train)    X_train=preprocessor.transform(X_train)    X_test=preprocessor.transform(X_test)    return X_train,X_testdef get_random_block_from_data(data,batch_size):    '''    获取随机block数据    :param data: 输入数据    :param batch_size: 输出block的size    :return:data中的一个随机块    '''    start_index=random.randint(0,len(data)-batch_size)    return data[start_index:(start_index+batch_size)]#Step 1:获取数据Mnist=input_data.read_data_sets('MNIST_data',one_hot=True)X_train, X_test=standard_scale(Mnist.train.images,Mnist.test.images)#Step 2:参数设置n_samples=int(Mnist.train.num_examples)#训练样本数trainning_epoches=20 #最大训练轮数为20batch_size=128  #block大小display_step=1  #每1轮显示一次损失#Step 3:创建一个AGNAE实例antoencoder=AdditiveGaussianNoiseAutoenencoder(n_input=784,n_hidden=200,transfer_function=tf.nn.softplus,                                               optimizer=tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001),                                               scale=0.1)#Step 4:训练for epoch in range(trainning_epoches):    avg_cost=0.    total_batch=int(n_samples/batch_size)    for i in range(total_batch):        batch_xs=get_random_block_from_data(X_train,batch_size)#获取训练样本        cost=antoencoder.partial_fit(batch_xs)        avg_cost+=cost/n_samples*batch_size    if epoch%display_step==0:        print("Epoch:",'%04d'%(epoch+1),"cost=","{:.9f}".format(avg_cost))#Step 5: 检测误差print("Total_test:"+str(antoencoder.calc_total_cost(X_test)))
代码运行结果:
Epoch: 0001 cost= 18650.284456818
Epoch: 0002 cost= 12630.999268182
Epoch: 0003 cost= 10485.710794318
Epoch: 0004 cost= 10707.715422727
Epoch: 0005 cost= 10043.228388068
Epoch: 0006 cost= 10306.512345455
Epoch: 0007 cost= 9110.141159091
Epoch: 0008 cost= 8862.424358523
Epoch: 0009 cost= 9093.140026136
Epoch: 0010 cost= 8423.467127841
Epoch: 0011 cost= 8311.227650000
Epoch: 0012 cost= 8544.473260227
Epoch: 0013 cost= 8011.591522727
Epoch: 0014 cost= 8255.224732955
Epoch: 0015 cost= 8158.267313636
Epoch: 0016 cost= 8378.106032386
Epoch: 0017 cost= 8344.232843182
Epoch: 0018 cost= 8045.843802273
Epoch: 0019 cost= 8365.110832955
Epoch: 0020 cost= 7751.792575568
Total_test:713613.0

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