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  • 【自编码器】降噪自编码器实现

    注意:代码源自[1][2]

    # 这里以最具代表性的去噪自编码器为例。
    # 导入MNIST数据集
    import numpy as np
    import sklearn.preprocessing as prep
    import tensorflow as tf
    from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
    # 这里使用一种参数初始化方法xavier initialization,需要对此做好定义工作。
    # Xaiver初始化器的作用就是让权重大小正好合适。
    # 这里实现的是标准均匀分布的Xaiver初始化器。
    def xavier_init(fan_in, fan_out, constant=1):
        """
        目的是合理初始化权重。
        参数:
        fan_in --行数;
        fan_out -- 列数;
        constant --常数权重,条件初始化范围的倍数。
        return 初始化后的权重tensor.
        """
        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)
    # 定义一个去噪的自编码类
    class AdditiveGaussianNoiseAutoencoder(object):
        """
        __init__() :构建函数;
        n_input : 输入变量数;
        n_hidden : 隐含层节点数;
        transfer_function: 隐含层激活函数,默认是softplus;
        optimizer : 优化器,默认是Adam;
        scale : 高斯噪声系数,默认是0.1;
        """
        def __init__(self, n_input, n_hidden, transfer_function=tf.nn.softplus, optimizer=tf.train.AdamOptimizer(),
                 scale=0.1):
            self.n_input = n_input
            self.n_hidden = n_hidden
            self.transfer = transfer_function
            self.scale = tf.placeholder(tf.float32)
            self.training_scale = scale
            network_weights = self._initialize_weights()
            self.weights = network_weights
            # 定义网络结构,为输入x创建一个维度为n_input的placeholder,然后
            # 建立一个能提取特征的隐含层。
            self.x = tf.placeholder(tf.float32, [None, self.n_input])
            self.hidden = self.transfer(tf.add(tf.matmul(self.x + 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'])
            # 首先,定义自编码器的损失函数,在此直接使用平方误差(SquaredError)作为cost。
            # 然后,定义训练操作作为优化器self.optimizer对损失self.cost进行优化。
            # 最后,创建Session,并初始化自编码器全部模型参数。
            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):
            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):
            cost, opt = self.sess.run((self.cost, self.optimizer), feed_dict={self.x: X,
                                                                     self.scale: self.training_scale})
            return cost
    
        def calc_total_cost(self, X):
            return self.sess.run(self.cost, feed_dict={self.x: X,
                                               self.scale: self.training_scale})
    # 定义一个transform函数,以便返回自编码器隐含层的输出结果,目的是提供一个接口来获取抽象后的特征。
        def transform(self, X):
    
            return self.sess.run(self.hidden, feed_dict={self.x: X,
                                                      self.scale: self.training_scale})
    
        def generate(self, hidden=None):
            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):
            return self.sess.run(self.reconstruction, feed_dict={self.x: X,
                                                         self.scale: self.training_scale})
    
        def getWeights(self):  # 获取隐含层的权重w1.
            return self.sess.run(self.weights['w1'])
    
        def getBiases(self):  # 获取隐含层的偏执系数b1.
            return self.sess.run(self.weights['b1'])
    
    # 利用TensorFlow提供的读取示例数据的函数载入MNIST数据集。
    
    mnist = input_data.read_data_sets('MNIST_data', one_hot=True)
    
    
    # 定义一个对训练、测试数据进行标准化处理的函数。
    
    def standard_scale(X_train, X_test):
        preprocessor = prep.StandardScaler().fit(X_train)
        X_train = preprocessor.transform(X_train)
        X_test = preprocessor.transform(X_test)
        return X_train, X_test
    
    def get_random_block_from_data(data, batch_size):
        start_index = np.random.randint(0, len(data) - batch_size)
    
        return data[start_index:(start_index + batch_size)]
    X_train, X_test = standard_scale(mnist.train.images, mnist.test.images)
    n_samples = int(mnist.train.num_examples)
    training_epochs = 20
    batch_size = 128
    display_step = 1
    autoencoder = AdditiveGaussianNoiseAutoencoder(n_input=784,
                                                   n_hidden=200,
                                                   transfer_function=tf.nn.softplus,
                                                   optimizer=tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001),
                                                   scale=0.01)
    for epoch in range(training_epochs):
        avg_cost = 0.
        total_batch = int(n_samples / batch_size)
    # Loop over all batches
    for i in range(total_batch):
        batch_xs = get_random_block_from_data(X_train, batch_size)
    # Fit training using batch data
    cost = autoencoder.partial_fit(batch_xs)
    # Compute average loss
    avg_cost += cost / n_samples * batch_size
    # Display logs per epoch step
    if epoch % display_step == 0:
        print("Epoch:", '%04d' % (epoch + 1), "cost=", "{:.9f}".format(avg_cost))
    # 最后对训练完的模型进行性能测试。
    print("Total cost: " + str(autoencoder.calc_total_cost(X_test)))

    [1] 黄文坚.TensorFlow实战.北京:电子工业出版社

    [2] https://blog.csdn.net/qq_37608890/article/details/79352212

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