Невозможно заставить эту сеть автоэнкодера функционировать должным образом (со сверточным и максимальным уровнями)

Автоэнкодерные сети кажутся более хитрыми, чем обычные классификаторы MLP сетей. После нескольких попыток использования лазаньи все, что я получаю в восстановленном выводе, в чем-то напоминает размытое усреднение всех изображений базы данных MNIST без различия того, что представляет собой входная цифра.

Структура сетей, которую я выбрал, представляет собой следующие каскадные слои:

1. входной слой (28x28)
2. 2D сверточный слой, размер фильтра 7x7
3. Максимальный слой пула, размер 3х3, шаг 2х2
4. Плотный (полностью соединенный) уплощающий слой, 10 ед. (Это узкое место)
5. Плотный (полностью подключенный) слой, 121 ед.
6. Изменение формы слоя до 11x11
7. 2D сверточный слой, размер фильтра 3х3
8. 2D Upscaling layer factor 2
9. 2D сверточный слой, размер фильтра 3х3
10. 2D Upscaling layer factor 2
11. 2D сверточный слой, размер фильтра 5х5
12. Максимальное объединение (от 31x28x28 до 28x28)

Все двумерные сверточные слои имеют смещенные несимметричные сигмовидные активации и 31 фильтр.

Все полностью связанные слои имеют сигмовидную активацию.

Используемая функция потерь - квадрат ошибки , функция обновления - adagrad. Длина фрагмента для обучения составляет 100 образцов, умноженных на 1000 эпох.

Ниже приведена иллюстрация проблемы: в верхнем ряду приведены некоторые выборки, заданные в качестве входов сети, а в нижнем ряду - реконструкция:

Просто для полноты ниже приведен код, который я использовал:

import theano.tensor as T
import theano
import sys
sys.path.insert(0,'./Lasagne') # local checkout of Lasagne
import lasagne
from theano import pp
from theano import function
import gzip
import numpy as np
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
import matplotlib.pyplot as plt
def load_mnist():

    def load_mnist_images(filename):
        with gzip.open(filename, 'rb') as f:
            data = np.frombuffer(f.read(), np.uint8, offset=16)
        # The inputs are vectors now, we reshape them to monochrome 2D images,
        # following the shape convention: (examples, channels, rows, columns)
        data = data.reshape(-1, 1, 28, 28)
        # The inputs come as bytes, we convert them to float32 in range [0,1].
        # (Actually to range [0, 255/256], for compatibility to the version
        # provided at http://deeplearning.net/data/mnist/mnist.pkl.gz.)
        return data / np.float32(256)

    def load_mnist_labels(filename):
        # Read the labels in Yann LeCun's binary format.
        with gzip.open(filename, 'rb') as f:
            data = np.frombuffer(f.read(), np.uint8, offset=8)
        # The labels are vectors of integers now, that's exactly what we want.
        return data

    X_train = load_mnist_images('train-images-idx3-ubyte.gz')
    y_train = load_mnist_labels('train-labels-idx1-ubyte.gz')
    X_test = load_mnist_images('t10k-images-idx3-ubyte.gz')
    y_test = load_mnist_labels('t10k-labels-idx1-ubyte.gz')
    return X_train, y_train, X_test, y_test

def plot_filters(conv_layer):
    W = conv_layer.get_params()[0]
    W_fn = theano.function([],W)
    params = W_fn()
    ks = np.squeeze(params)
    kstack = np.vstack(ks)
    plt.imshow(kstack,interpolation='none')
    plt.show()

def main():

    #theano.config.exception_verbosity="high"
    #theano.config.optimizer='None'

    X_train, y_train, X_test, y_test = load_mnist()
    ohe = OneHotEncoder()

    y_train = ohe.fit_transform(np.expand_dims(y_train,1)).toarray()
    chunk_len = 100
    visamount = 10
    num_epochs = 1000
    num_filters=31
    dropout_p=.0
    print "X_train.shape",X_train.shape,"y_train.shape",y_train.shape
    input_var = T.tensor4('X')
    output_var = T.tensor4('X')
    conv_nonlinearity = lasagne.nonlinearities.sigmoid
    net = lasagne.layers.InputLayer((chunk_len,1,28,28), input_var)
    conv1 = net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(7,7),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    net = lasagne.layers.MaxPool2DLayer(net,(3,3),stride=(2,2))
    net = lasagne.layers.DropoutLayer(net,p=dropout_p)
    #conv2_layer = lasagne.layers.Conv2DLayer(dropout_layer,num_filters,(3,3),nonlinearity=conv_nonlinearity)
    #pool2_layer = lasagne.layers.MaxPool2DLayer(conv2_layer,(3,3),stride=(2,2))
    net = lasagne.layers.DenseLayer(net,10,nonlinearity=lasagne.nonlinearities.sigmoid)

    #augment_layer1 = lasagne.layers.DenseLayer(reduction_layer,33,nonlinearity=lasagne.nonlinearities.sigmoid)
    net = lasagne.layers.DenseLayer(net,121,nonlinearity=lasagne.nonlinearities.sigmoid)

    net = lasagne.layers.ReshapeLayer(net,(chunk_len,1,11,11))

    net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(3,3),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    net = lasagne.layers.Upscale2DLayer(net,2)

    net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(3,3),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    #pool_after0 = lasagne.layers.MaxPool2DLayer(conv_after1,(3,3),stride=(2,2))
    net = lasagne.layers.Upscale2DLayer(net,2)

    net = lasagne.layers.DropoutLayer(net,p=dropout_p)

    #conv_after2 = lasagne.layers.Conv2DLayer(upscale_layer1,num_filters,(3,3),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    #pool_after1 = lasagne.layers.MaxPool2DLayer(conv_after2,(3,3),stride=(1,1))
    #upscale_layer2 = lasagne.layers.Upscale2DLayer(pool_after1,4)

    net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(5,5),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    net = lasagne.layers.FeaturePoolLayer(net,num_filters,pool_function=theano.tensor.max)
    print "output_shape:",lasagne.layers.get_output_shape(net)
    params = lasagne.layers.get_all_params(net, trainable=True)
    prediction = lasagne.layers.get_output(net)
    loss = lasagne.objectives.squared_error(prediction, output_var)
    #loss = lasagne.objectives.binary_crossentropy(prediction, output_var)
    aggregated_loss = lasagne.objectives.aggregate(loss)
    updates = lasagne.updates.adagrad(aggregated_loss,params)
    train_fn = theano.function([input_var, output_var], loss, updates=updates)

    test_prediction = lasagne.layers.get_output(net, deterministic=True)
    predict_fn = theano.function([input_var], test_prediction)

    print "starting training..."
    for epoch in range(num_epochs):
        selected = list(set(np.random.random_integers(0,59999,chunk_len*4)))[:chunk_len]
        X_train_sub = X_train[selected,:]
        _loss = train_fn(X_train_sub, X_train_sub)
        print("Epoch %d: Loss %g" % (epoch + 1, np.sum(_loss) / len(X_train)))
        """
        chunk = X_train[0:chunk_len,:,:,:]
        result = predict_fn(chunk)
        vis1 = np.hstack([chunk[j,0,:,:] for j in range(visamount)])
        vis2 = np.hstack([result[j,0,:,:] for j in range(visamount)])
        plt.imshow(np.vstack([vis1,vis2]))
        plt.show()
        """
    print "done."

    chunk = X_train[0:chunk_len,:,:,:]
    result = predict_fn(chunk)
    print "chunk.shape",chunk.shape
    print "result.shape",result.shape
    plot_filters(conv1)
    for i in range(chunk_len/visamount):
        vis1 = np.hstack([chunk[i*visamount+j,0,:,:] for j in range(visamount)])
        vis2 = np.hstack([result[i*visamount+j,0,:,:] for j in range(visamount)])
        plt.imshow(np.vstack([vis1,vis2]))
        plt.show()
    import ipdb; ipdb.set_trace()

if __name__ == "__main__":
    main()

Любые идеи о том, как улучшить эту сеть, чтобы получить разумно работающий автоэнкодер?

Задача решена!

С совсем другой реализацией, использующей выпрямитель с утечкой вместо сигмовидной функции в сверточных слоях, только 2 (!!) узла в слое узких мест и свертки с ядрами 1x1 в самом конце.

Вот результат некоторой реконструкции:

Код:

import theano.tensor as T
import theano
import sys
sys.path.insert(0,'./Lasagne') # local checkout of Lasagne
import lasagne
from theano import pp
from theano import function
import theano.tensor.nnet
import gzip
import numpy as np
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
import matplotlib.pyplot as plt
def load_mnist():

    def load_mnist_images(filename):
        with gzip.open(filename, 'rb') as f:
            data = np.frombuffer(f.read(), np.uint8, offset=16)
        # The inputs are vectors now, we reshape them to monochrome 2D images,
        # following the shape convention: (examples, channels, rows, columns)
        data = data.reshape(-1, 1, 28, 28)
        # The inputs come as bytes, we convert them to float32 in range [0,1].
        # (Actually to range [0, 255/256], for compatibility to the version
        # provided at http://deeplearning.net/data/mnist/mnist.pkl.gz.)
        return data / np.float32(256)

    def load_mnist_labels(filename):
        # Read the labels in Yann LeCun's binary format.
        with gzip.open(filename, 'rb') as f:
            data = np.frombuffer(f.read(), np.uint8, offset=8)
        # The labels are vectors of integers now, that's exactly what we want.
        return data

    X_train = load_mnist_images('train-images-idx3-ubyte.gz')
    y_train = load_mnist_labels('train-labels-idx1-ubyte.gz')
    X_test = load_mnist_images('t10k-images-idx3-ubyte.gz')
    y_test = load_mnist_labels('t10k-labels-idx1-ubyte.gz')
    return X_train, y_train, X_test, y_test

def main():

    X_train, y_train, X_test, y_test = load_mnist()
    ohe = OneHotEncoder()

    y_train = ohe.fit_transform(np.expand_dims(y_train,1)).toarray()
    chunk_len = 100
    num_epochs = 10000
    num_filters=7
    input_var = T.tensor4('X')
    output_var = T.tensor4('X')
    #conv_nonlinearity = lasagne.nonlinearities.sigmoid
    #conv_nonlinearity = lasagne.nonlinearities.rectify
    conv_nonlinearity = lasagne.nonlinearities.LeakyRectify(.1)
    softplus = theano.tensor.nnet.softplus
    #conv_nonlinearity = theano.tensor.nnet.softplus
    net = lasagne.layers.InputLayer((chunk_len,1,28,28), input_var)
    conv1 = net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(7,7),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    net = lasagne.layers.MaxPool2DLayer(net,(3,3),stride=(2,2))
    net = lasagne.layers.DenseLayer(net,2,nonlinearity=lasagne.nonlinearities.sigmoid)
    net = lasagne.layers.DenseLayer(net,49,nonlinearity=lasagne.nonlinearities.sigmoid)
    net = lasagne.layers.ReshapeLayer(net,(chunk_len,1,7,7))
    net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(3,3),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    net = lasagne.layers.MaxPool2DLayer(net,(3,3),stride=(1,1))
    net = lasagne.layers.Upscale2DLayer(net,4)
    net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(3,3),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    net = lasagne.layers.MaxPool2DLayer(net,(3,3),stride=(1,1))
    net = lasagne.layers.Upscale2DLayer(net,4)
    net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(5,5),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,num_filters,(1,1),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    net = lasagne.layers.FeaturePoolLayer(net,num_filters,pool_function=theano.tensor.max)
    net = lasagne.layers.Conv2DLayer(net,1,(1,1),nonlinearity=conv_nonlinearity,untie_biases=True)
    print "output shape:",net.output_shape
    params = lasagne.layers.get_all_params(net, trainable=True)
    prediction = lasagne.layers.get_output(net)
    loss = lasagne.objectives.squared_error(prediction, output_var)
    #loss = lasagne.objectives.binary_hinge_loss(prediction, output_var)
    aggregated_loss = lasagne.objectives.aggregate(loss)
    #updates = lasagne.updates.adagrad(aggregated_loss,params)
    updates = lasagne.updates.nesterov_momentum(aggregated_loss,params,0.5)#.005
    train_fn = theano.function([input_var, output_var], loss, updates=updates)

    test_prediction = lasagne.layers.get_output(net, deterministic=True)
    predict_fn = theano.function([input_var], test_prediction)

    print "starting training..."
    for epoch in range(num_epochs):
        selected = list(set(np.random.random_integers(0,59999,chunk_len*4)))[:chunk_len]
        X_train_sub = X_train[selected,:]
        _loss = train_fn(X_train_sub, X_train_sub)
        print("Epoch %d: Loss %g" % (epoch + 1, np.sum(_loss) / len(X_train)))
    print "done."

    chunk = X_train[0:chunk_len,:,:,:]
    result = predict_fn(chunk)
    print "chunk.shape",chunk.shape
    print "result.shape",result.shape
    visamount = 10
    for i in range(10):
        vis1 = np.hstack([chunk[i*visamount+j,0,:,:] for j in range(visamount)])
        vis2 = np.hstack([result[i*visamount+j,0,:,:] for j in range(visamount)])
        plt.imshow(np.vstack([vis1,vis2]))
        plt.show()

    import ipdb; ipdb.set_trace()
if __name__ == "__main__":
    main()

Вы можете получить больше понимания, визуализируя веса, а не только реконструкции. У меня была похожая проблема, когда мои предубеждения были неправильно настроены. Все ниже написано на основе моего опыта написания моей собственной библиотеки обучения. Вы можете увидеть код здесь на Github http://github.com/josephcatrambone/aij .

Вот скриншот моей программы, когда нет смещений. Это только после, может быть, десяти эпох, так как я спешу закончить эту запись:

Обновление веса выполняется этими операциями:

weights.add_i(positiveProduct.subtract(negativeProduct).elementMultiply(learningRate / (float) batchSize));
//visibleBias.add_i(batch.subtract(negativeVisibleProbabilities).meanRow().elementMultiply(learningRate));
//hiddenBias.add_i(positiveHiddenProbabilities.subtract(negativeHiddenProbabilities).meanRow().elementMultiply(learningRate));

Если я раскомментирую видимый код смещения, я получу такой результат:

Если я испорчу знак видимого кода смещения (вычитая вместо добавления):

visibleBias.subtract_i(batch.subtract(negativeVisibleProbabilities).meanRow().elementMultiply(learningRate));

Я получаю это изображение:

Какие снежки и в конечном итоге достигает чего-то вроде того, что у вас есть выше. Проверьте обозначения ваших функций ошибок.