4.keras实现-->生成式深度学习之用变分自编码器VAE生成图像(mnist数据集和名人头像数据集)

1.VAE和GAN

1. 变分自编码器（VAE,variatinal autoencoder）   
2. 生成式对抗网络（GAN,generative adversarial network）

两者不仅适用于图像，还可以探索声音、音乐甚至文本的潜在空间；

1. VAE非常适合用于学习具有良好结构的潜在空间，其中特定方向表示数据中有意义的变化轴; 
2. GAN生成的图像可能非常逼真，但它的潜在空间可能没有良好结构，也没有足够的连续型。

 

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。

　　在实践中，这种经典的自编码器不会得到特别有用或具有良好结构的潜在空间。它们也没有对数据做多少压缩。因此，它们已经基本上过时了（Keras 0.x版本还有AutoEncoder这个层，后来直接都删了）。但是，VAE向自编码器添加了一点统计魔法，迫使其学习连续的、高度结构化的潜在空间。这使得VAE已成为图像生成的强大工具。变分编码器和自动编码器的区别就在于，传统自动编码器的隐变量z的分布是不知道的，因此我们无法采样得到新的z，也就无法通过解码器得到新的x。下面我们来变分，我们现在不要从x中直接得到z，而是得到z的均值和方差，然后再迫使它逼近正态分布的均值和方差，则网络变成下面的样子：

然而上面这个网络最大的问题是，它是断开的。前半截是从数据集估计z的分布，后半截是从一个z的样本重构输入。最关键的采样这一步，恰好不是一个我们传统意义上的操作。这个网络没法求导，因为梯度传到f(z)以后没办法往前走了。为了使得整个网络得以训练，使用一种叫reparemerization的trick，使得网络对均值和方差可导，把网络连起来。这个trick的idea见下图：

实际上，这是将原来的单输入模型改为二输入模型了。因为服从标准正态分布，所以它乘以估计的方差加上估计的均值，效果跟上上图直接从高斯分布里抽样本结果是一样的。这样，梯度就可以通上图红线的方向回传，整个网络就变的可训练了。

VAE的工作原理:

（1）一个编码器模块将输入样本input_img转换为表示潜在空间中的两个参数z_mean和z_log_variance;

（2）我们假定潜在正态分布能够生成输入图像，并从这个分布中随机采样一个点：z=z_mean + exp(z_log_variance)*epsilon，其中epsilon是取值很小的随机张量；

（3）一个解码器模块将潜在空间的这个点映射回原始输入图像。

因为epsilon是随机的，所以这个过程可以确保，与input_img编码的潜在位置(即z-mean)靠近的每个点都能被解码为与input_img类似的图像，从而迫使潜在空间能够连续地有意义。潜在空间中任意两个相邻的点都会被解码为高度相似的图像。连续性以及潜在空间的低维度，将迫使潜在空间中的每个方向都表示数据中一个有意义的变化轴，这使得潜在空间具有非常良好的结构，因此非常适合通过概率向量来进行操作。

VAE的参数通过两个损失函数来进行训练:一个是重构损失(reconstruction loss)，它迫使解码后的样本匹配初始输入；另一个是正则化损失(regularization loss)，它有助于学习具有良好结构的潜在空间，并可以降低训练数据上的过拟合。

 实现代码如下：

编码自编码器是更现代和有趣的一种自动编码器，它为码字施加约束，使得编码器学习到输入数据的隐变量模型。 隐变量模型是连接显变量集和隐变量集的统计模型，隐变量模型的假设是显变量是由隐变量的状态控制的，各个显变量之间条件独立。 也就是说，变分编码器不再学习一个任意的函数，而是学习你的数据概率分布的一组参数。 通过在这个概率分布中采样，你可以生成新的输入数据，即变分编码器是一个生成模型。
import keras from keras import layers from keras import backend as K from keras.models import Model from keras.layers import Input,Dense import numpy as np img_shape = (28,28,1) latent_dim = 2 #潜在空间的维度:一个二维平面 input_img = keras.Input(shape=img_shape) encoded = layers.Conv2D(32,3,padding='same',activation='relu')(input_img) encoded = layers.Conv2D(64,3,padding='same',activation='relu',strides=(2,2))(encoded) encoded = layers.Conv2D(64,3,padding='same',activation='relu')(encoded) encoded = layers.Conv2D(64,3,padding='same',activation='relu')(encoded) shape_before_flattening = K.int_shape(encoded) shape_before_flattening	卷积层的输入必须是3维的(长，宽，1或者3) keras不需要输入batch的大小，fit时候再设置 shape_before_flattening (None, 14, 14, 64)
encoded = layers.Flatten()(encoded) encoded = layers.Dense(32,activation='relu')(encoded) #输入图像最终被编码为这两个参数 z_mean = layers.Dense(latent_dim)(encoded) z_log_var = layers.Dense(latent_dim)(encoded) #编码器 输入图片-->得到二维特征 encoder = Model(input_img,z_mean)	z_mean  ---> <tf.Tensor 'dense_5/BiasAdd:0' shape=(?, 2) dtype=float32> K.shape(z_mean) ---> <tf.Tensor 'Shape:0' shape=(2,) dtype=int32>
#潜在空间采样的函数 def sampling(args): z_mean,z_log_var = args epsilon = K.random_normal(shape=(K.shape(z_mean)[0],latent_dim),mean=0.,stddev=1.) return z_mean + K.exp(z_log_var)*epsilon z = layers.Lambda(sampling,output_shape=(latent_dim,))([z_mean,z_log_var])	在keras中，任何对象都应该是一个层，如果代码不是内置层的一部分， 我们应该将其包装到一个Lambda层（或自定义层）中 Keras的Lambda层以一个张量函数为参数，对输入的数据按照张量函数的要求做映射。 本质上就是Keras layer中.call()的快捷方式。先定义运算逻辑 K.int_shape(z) ---> (None,2)      None应该是batch_size
#VAE解码器网络，将潜在空间点映射为图像 decoder_input = layers.Input(K.int_shape(z)[1:]) #将z调整为图像大小,需要将z输入到这里 #对输入进行上采样 decoded = layers.Dense(np.prod(shape_before_flattening[1:]),activation='relu')(decoder_input) #将z转换为特征图，使其形状与编码器模型最后一个Flatten层之前的特征图的形状相同 decoded = layers.Reshape(shape_before_flattening[1:])(decoded) #使用一个Conv2DTranspose层和一个Conv2D层，将z解码为与原始输入图像具有相同尺寸的特征图 decoded = layers.Conv2DTranspose(32,3,padding='same',activation='relu',strides=(2,2))(decoded) decoder_output = layers.Conv2D(1,3,padding='same',activation='sigmoid')(decoded) #将解码器模型实例化，它将decoder_input转换为解码后的图像 decoder = Model(decoder_input,decoder_output) #将这个实例应用于z，以得到解码后的z z_decoded = decoder(z)
#用于计算VAE损失的自定义层 class CustomVariationalLayer(keras.layers.Layer): def vae_loss(self,x,z_decoded): x = K.flatten(x) z_decoded = K.flatten(z_decoded) xent_loss = keras.metrics.binary_crossentropy(x,z_decoded) #正则化损失 kl_loss = -5e-4 * K.mean(1 + z_log_var - K.square(z_mean) - K.exp(z_log_var),axis=-1 ) #重构损失 return K.mean(xent_loss + kl_loss) #编写一个call方法，来实现自定义层 def call(self,inputs): x = inputs[0] z_decoded = inputs[1] loss = self.vae_loss(x,z_decoded) self.add_loss(loss,inputs=inputs) return x #我们不适用这个输出，但层必须要有返回值 #对输入和解码后的输出调用自定义层，以得到最终的模型输出 y = CustomVariationalLayer()([input_img,z_decoded])	正则化损失 + 重构损失 我们一般认为采样函数的形式为loss(input,target)，VAE的双重损失不符合这种形式。 因此，损失的设置方法为:编写一个自定义层，并在其内部使用内置的add_loss层方法 来创建一个你想要的损失
#训练VAE vae = Model(input_img,y) vae.compile(optimizer='rmsprop',loss=None) vae.summary()
from keras.datasets import mnist (x_train,_),(x_test,y_test) = mnist.load_data() x_train = x_train[:600] x_test = x_test[:100] x_train = x_train.astype('float32')/255. print('x_train.shape',x_train.shape) x_train =x_train.reshape(x_train.shape+(1,)) print('x_train.shape',x_train.shape) x_test = x_test.astype('float32')/255. print('x_test.shape',x_test.shape) x_test = x_test.reshape(x_test.shape+(1,)) print('x_test.shape',x_test.shape)	x_train.shape (600, 28, 28) x_train.shape (600, 28, 28, 1) x_test.shape (100, 28, 28) x_test.shape (100, 28, 28, 1)
vae.fit(x_train,None, shuffle=True, epochs=1, batch_size=100, validation_data = (x_test,None) )	一旦训练好了这样的模型，我们就可以使用decoder网络将任意潜在空间向量 转换为图像
#从二维潜在空间中采样一组点的网络，并将其解码为图像 import matplotlib.pyplot as plt from scipy.stats import norm batch_size = 100 n = 15 #我们将显示15*15的数字网格(共225个数字) digit_size=28 figure = np.zeros((digit_size*n,digit_size*n)) #使用scipy的ppf函数对线性分割的坐标进行变换，以生存潜在变量z的值（因为潜在空间的先验分布是高斯分布） grid_x = norm.ppf(np.linspace(0.05,0.95,n)) grid_y = norm.ppf(np.linspace(0.05,0.95,n)) print(grid_x) print(grid_y) for i,yi in enumerate(grid_x): for j,xi in enumerate(grid_y): z_sample = np.array([[xi,yi]]) z_sample = np.tile(z_sample,batch_size).reshape(batch_size,2)#将z多次重复，以构建一个完整的批量 x_decoded = decoder.predict(z_sample,batch_size=batch_size)#将批量解码为数字图像 digit = x_decoded[0].reshape(digit_size,digit_size)#将批量第一个数字形状从28*28*1转变为28*28 figure[i*digit_size:(i+1)*digit_size,j*digit_size:(j+1)*digit_size] = digit plt.figure(figsize=(10,10)) plt.imshow(figure,cmap='Greys_r') plt.show()	因为训练时候就用了600个数据，所以效果很差....电脑实在带不动，┭┮﹏┭┮ 以后有服务器再试试，7777777

小结:  用深度学习进行图像生成,就是通过对潜在空间进行学习来实现的，这个潜在空间能够捕捉到关于图像数据集的统计信息。 通过对潜在空间中的点进行采样和编码，我们可以生成前所未见的图像。

网上的代码大部分都是关于mnist数据集的，直接load_dataset就完事了，我找到了名人头像的数据集celebrity_data,用这个数据集做vae更有趣一点。

import keras from keras import layers from keras import backend as K from keras.models import Model import numpy as np import skimage import glob from skimage import io import os import imageio	skimage即是Scikit-Image。基于python脚本语言开发的数字图片处理包，比如PIL,Pillow, opencv, scikit-image等。 PIL和Pillow只提供最基础的数字图像处理，功能有限；opencv实际上是一个c++库，只是提供了python接口，更新速度非常慢。 scikit-image是基于scipy的一款图像处理包，它将图片作为numpy数组进行处理，正好与matlab一样， 因此，我们最终选择scikit-image进行数字图像处理。
train_imgs = glob.glob('./celebrity_data/train/*.jpg') np.random.shuffle(train_imgs) test_imgs = glob.glob('./celebrity_data/test/*.jpg') np.random.shuffle(train_imgs) nxf_image = io.imread(test_imgs[0])	Image读出来的是PIL的类型，而skimage.io读出来的数据是numpy格式的 import Image as img import os from matplotlib import pyplot as plot from skimage import io,transform #Image和skimage读图片 img_file1 = img.open('./CXR_png/MCUCXR_0042_0.png') img_file2 = io.imread('./CXR_png/MCUCXR_0042_0.png') 输出可以看出Img读图片的大小是图片的(width, height)；而skimage的是(height,width, channel)
height,width = imageio.imread(train_imgs[0]).shape[:2] center_height = int((height-width)/2) img_xdim = 218 img_ydim = 178 z_dim = 512	训练集里面的图片都是218*178*3的，训练的时候我也没有改大小，直接放进去训练的
def imread(f): x = imageio.imread(f) x = x[center_height:center_height+width,:] x = skimage.transform.resize(x,(img_xdim,img_ydim),mode='constant') return x.astype(np.float32)/255 * 2 - 1 def train_data_generator(batch_size=32): X = [] while True: np.random.shuffle(train_imgs) for f in train_imgs: X.append(imread(f)) if len(X) == batch_size: X = np.array(X) yield X,None X = []	train_data_generator是训练集图片生成器，每次生成一个图片
img_shape = (img_xdim,img_ydim,3) latent_dim = 2 #潜在空间的维度:一个二维平面 input_img = keras.Input(shape=img_shape) encoded = layers.Conv2D(32,3,padding='same',activation='relu')(input_img) encoded = layers.Conv2D(64,3,padding='same',activation='relu',strides=(2,2))(encoded) encoded = layers.Conv2D(64,3,padding='same',activation='relu')(encoded) encoded = layers.Conv2D(64,3,padding='same',activation='relu')(encoded) shape_before_flattening = K.int_shape(encoded) encoded = layers.Flatten()(encoded) encoded = layers.Dense(32,activation='relu')(encoded) #输入图像最终被编码为这两个参数 z_mean = layers.Dense(latent_dim)(encoded) z_log_var = layers.Dense(latent_dim)(encoded) encoder = Model(input_img,z_mean)	这部分和上面基于minist数据集的encoder部分一样
#将图片转换为二维向量 nxf_image = nxf_image.reshape((1,)+nxf_image.shape) nxf_image_encoder = encoder.predict(nxf_image) print('nxf_image_encoder',nxf_image_encoder)	这里是我在测试encoder，随机输入一张图片，输出了二维的一个值，一个是均值，一个是方差，encoder没有编译， 也没有fit，就相当于将多维图片降维成二维的一组
# 潜在空间采样的函数 def sampling(args): z_mean,z_log_var = args epsilon = K.random_normal(shape=(K.shape(z_mean)[0],latent_dim),mean=0.,stddev=1.) return z_mean + K.exp(z_log_var)*epsilon z = layers.Lambda(sampling,output_shape=(latent_dim,))([z_mean,z_log_var]) #VAE解码器网络，将潜在空间点映射为图像 decoder_input = layers.Input(K.int_shape(z)[1:]) #将z调整为图像大小,需要将z输入到这里 #对输入进行上采样 decoded = layers.Dense(np.prod(shape_before_flattening[1:]),activation='relu')(decoder_input) #将z转换为特征图，使其形状与编码器模型最后一个Flatten层之前的特征图的形状相同 decoded = layers.Reshape(shape_before_flattening[1:])(decoded) #使用一个Conv2DTranspose层和一个Conv2D层，将z解码为与原始输入图像具有相同尺寸的特征图 decoded = layers.Conv2DTranspose(32,3,padding='same',activation='relu',strides=(2,2))(decoded) decoder_output = layers.Conv2D(3,3,padding='same',activation='sigmoid')(decoded) #将解码器模型实例化，它将decoder_input转换为解码后的图像 decoder = Model(decoder_input,decoder_output) #将这个实例应用于z，以得到解码后的z z_decoded = decoder(z) # decoder.summary()	这部分也是一样的，解码操作，随机生成一个点（均值，方差）放入decoder中，看看生成的图片能不能和原来的图片一样
# 用于计算VAE损失的自定义层 class CustomVariationalLayer (keras.layers.Layer): def vae_loss(self, x, z_decoded): x = K.flatten (x) z_decoded = K.flatten (z_decoded) xent_loss = keras.metrics.binary_crossentropy (x, z_decoded) # 正则化损失 kl_loss = -5e-4 * K.mean (1 + z_log_var - K.square (z_mean) - K.exp (z_log_var), axis=-1) # 重构损失 return K.mean (xent_loss + kl_loss) # 编写一个call方法，来实现自定义层 def call(self, inputs): x = inputs[0] z_decoded = inputs[1] loss = self.vae_loss (x, z_decoded) self.add_loss(loss, inputs=inputs) return x # 我们不适用这个输出，但层必须要有返回值 # 对输入和解码后的输出调用自定义层，以得到最终的模型输出 y = CustomVariationalLayer() ([input_img, z_decoded]) # 训练VAE vae = Model(input_img, y) vae.compile(optimizer='rmsprop', loss=None) # vae.summary()	VAE的两个损失，由于keras自带的损失函数没有同时有正则损失和重构损失，所以需要自定义一个损失层， 使用call函数来定义该损失层的功能
def sample(path): figure_nxf = np.array(nxf_image_encoder) nxf_recon = decoder.predict(figure_nxf)[0] imageio.imwrite(path,nxf_recon) from keras.callbacks import Callback class Evaluate(Callback): def __init__(self): import os self.lowest = 1e10 self.losses = [] if not os.path.exists('samples'): os.mkdir('samples') def on_epoch_end(self, epoch, logs=None): path = 'samples/test_%s.png' % epoch sample(path) self.losses.append((epoch, logs['loss'])) if logs['loss'] <= self.lowest: self.lowest = logs['loss'] encoder.save_weights('./best_encoder.weights') evaluator = Evaluate() vae.fit_generator(train_data_generator(), epochs=1, steps_per_epoch=1, callbacks=[evaluator])	sample函数，我就随机输入两个值（encoder的输出值），看看能不能生成一个相似的图片

参考文献：

【1】Keras示例程序解析（4）：变分编码器VAE

【2】变分自编码器（Variational Autoencoder, VAE）通俗教程

【3】变分自编码器VAE：一步到位的聚类方案

【4】如何使用变分自编码器VAE生成动漫人物形象

【5】vae 名人数据集的使用