变分自编码器构成

变分自编码器（VAE）代表了自编码器架构的显著进展。标准自编码器擅长降维和学习用于重建的压缩表示，而 VAE 则引入了一个概率框架，使其具备强大的生成能力。它们不仅旨在重建输入，而且旨在学习一个平滑、连续且有结构的潜在空间，从中可以生成新的数据样本。定义 VAE 的主要原理在此解释。

从确定性映射到概率性映射的转变

标准自编码器学习一个确定性编码器函数。这意味着对于给定的输入 $x$，编码器将其直接映射到潜在空间中的一个单一固定点 $z$。同样，解码器确定性地将该点 $z$ 映射回重建的 $\hat{x}$。

然而，VAE 通过引入概率以不同方式运作。VAE 编码器不为输入 $x$ 输出一个单一的潜在向量。相反，它输出描述潜在空间中一个概率分布的参数。通常，这是一个由均值向量 $\mu_x$ 和方差向量 $\sigma_x^2$（或更常见的是其对数 $\log(\sigma_x^2)$，以获得数值稳定性）表征的高斯分布。因此，对于每个输入 $x$，编码器定义了一个分布 $q(z|x)$，我们可以从中采样一个潜在向量 $z$。

可以这样理解：一个标准自编码器可能会说：“这个输入图像映射到我的潜在特征图中的这个精确坐标。” 相比之下，VAE 编码器则说：“这个输入图像很可能来自我的潜在特征图中的这个大致区域，一个由这个特定高斯分布描述的区域。”

作为分布学习器的编码器

VAE 中的编码器网络（通常是一个神经网络）负责学习从输入 $x$ 到概率分布参数的这种映射。对于每个输入，它会生成：

1. 一个 均值向量 $\mu$：该向量代表了输入 $x$ 在潜在空间中分布的中心。
2. 一个 对数方差向量 $\log(\sigma^2)$：该向量代表了潜在空间每个维度的方差的对数。使用对数方差有助于确保方差 $\sigma^2$ 保持正值。

这两个向量 $\mu$ 和 $\log(\sigma^2)$ 完全参数化了该输入在潜在空间中的一个对角高斯分布。这意味着我们可以从输入 $x$ 采样一个潜在向量 $z$，表示为 $z \sim \mathcal{N}(\mu, \text{diag}(\sigma^2))$，其中 $\text{diag}(\sigma^2)$ 是一个对角协方差矩阵，其对角线上是 $\sigma^2$。术语 $q(z|x)$ 是给定输入 $x$ 时潜在变量 $z$ 的这种所学条件概率分布的正式记法。

作为生成网络的解码器

VAE 中的解码器网络接收一个潜在向量 $z$，旨在重建原始输入 $x$ 或生成新的样本 $\hat{x}$。在训练期间，$z$ 通常从编码器为特定输入 $x$ 定义的分布 $q(z|x)$ 中采样。为了在训练后生成全新的数据，$z$ 从选定的先验分布 $p(z)$ 中采样（通常是标准正态分布）。

解码器本身也可以是概率性的，定义一个分布 $p(x|z)$，它对给定潜在向量 $z$ 时观测到数据 $x$ 的概率进行建模。例如：

• 如果输入数据是二元的（例如，黑白图像），$p(x|z)$ 可能是每个像素的伯努利分布。解码器将输出这个伯努利分布的参数（即为白色的概率），重建损失将是二元交叉熵。
• 如果输入数据是连续的（例如，灰度图像中像素强度归一化到 [0,1]，或实值特征），$p(x|z)$ 可能是一个高斯分布。解码器将输出这个高斯分布的均值，重建损失将是均方误差 (MSE)。

因为解码器可以处理从潜在空间中采样的任何点 $z$（无论是从 $q(z|x)$ 还是 $p(z)$）以生成数据样本，它有效地充当了生成模型。

变分自编码器中的信息流，显示了概率编码器和解码器组件以及潜在空间中的采样步骤。

学习结构化且连续的潜在空间

VAE 的一个主要目标是学习一个不仅是压缩的，而且是连续的和有明确结构的潜在空间。

• 连续性意味着如果你取两个在潜在空间中彼此靠近的点 $z_1$ 和 $z_2$，它们对应的解码样本 $\hat{x}_1 = \text{decoder}(z_1)$ 和 $\hat{x}_2 = \text{decoder}(z_2)$ 也应该相似。
• 有明确结构表示沿着潜在空间中的特定方向或路径移动，可能对应于生成数据属性中平滑且可解释的变化（例如，改变面部表情，或调整数字的风格）。

为了实现这种理想的结构，VAE 的损失函数（我们将在后续章节详细查看）包含一个重要正则化项。这个正则化项是 Kullback-Leibler (KL) 散度，记作 $D_{KL}(q(z|x) || p(z))$。它衡量编码器为给定输入 $x$ 学习到的分布 $q(z|x)$ 与潜在空间上预定义的先验分布 $p(z)$ 之间的差异。这个先验 $p(z)$ 通常被选择为标准正态分布，即 $\mathcal{N}(0, I)$（在所有维度上均值为零、方差为一的高斯分布）。

通过惩罚 $q(z|x)$ 偏离 $p(z)$ 的情况，这个 KL 散度项促使编码器：

1. 将输入映射到均值接近零的潜在分布。
2. 确保其方差接近一。
3. 迫使不同输入的所学分布在原点周围的潜在空间中重叠并填充，而不是聚集成稀疏、孤立的区域。这可以避免 VAE 简单地通过将每个输入分配到一个极小、精确且方差很小的区域来“记忆”输入。

这种正则化有助于创建平滑、密集的潜在空间，适合采样和有意义的插值。如果编码器试图使每个输入的 $\sigma^2$ 非常小，以完美地确定其潜在位置（本质上表现得像一个标准自编码器），KL 散度项将施加高额惩罚。

VAE 的生成过程

一旦 VAE 训练成功，其生成能力可以用来创建新的数据样本，这些样本与训练数据相似但并非直接复制。这个过程很简单：

1. 采样潜在向量：从先验分布 $p(z)$ 中抽取一个随机向量 $z_{new}$（例如，从 $\mathcal{N}(0, I)$）。
2. 解码潜在向量：将这个 $z_{new}$ 通过训练好的解码器网络。
3. 获得新样本：解码器的输出，$\hat{x}_{new} = \text{decoder}(z_{new})$，是一个新颖的数据样本。

这种从表现良好的潜在空间采样并生成新颖、一致数据的能力是 VAE 的一个显著特点，使其与较简单的自编码器变体区分开来。概率编码和 KL 正则化是支持这一能力的双重支柱。然而，在训练期间从 $q(z|x)$ 采样的行为引入了一个随机步骤，这通常会阻止梯度流回编码器。一种称为“重参数化技巧”的巧妙方法，很快就会讲到，优雅地解决了这个难题，从而实现使用标准反向传播对 VAE 进行端到端训练。