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Denoising Autoencoders 视频截图 DAEs简单实现 kaggle 去噪编码器

article 2025/8/14 11:44:01

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Denoising Autoencoders (DAEs) 是一种无监督学习模型，属于自动编码器（Autoencoder）的一种扩展形式。它们的目标是通过训练神经网络来学习数据的鲁棒表示（robust representation），同时具备从被噪声污染的数据中恢复原始输入的能力。

一、什么是 Denoising Autoencoder？

一个 Denoising Autoencoder 的基本思想是：

给定一个输入样本 $ x $，我们人为地向它添加一些噪声，得到一个“损坏”版本 $ \tilde{x} $。
然后训练一个神经网络模型，让它从这个被损坏的输入 $ \tilde{x} $ 中尽可能还原出原始的、干净的输入 $ x $。

结构图示意：

x → [加噪] → ˜x → [Encoder] → z → [Decoder] → x̂

其中：

$ x $：原始输入（如图像、文本等）
$ \tilde{x} $：加入噪声后的输入
$ z $：隐藏层表示（latent representation）
$ \hat{x} $：重构输出

二、为什么使用 Denoising Autoencoder？

传统的自编码器（Vanilla Autoencoder）直接学习恒等映射（identity mapping），即让网络学会将输入复制到输出。这可能导致模型只是“记住”了输入，而不是学到有用的特征表示。

而 DAEs 强迫网络去理解输入数据的结构和分布，从而学到更鲁棒、更有意义的特征表示。

主要优点：

防止过拟合：通过引入噪声，增加模型泛化能力。
学习高阶特征：迫使模型提取输入的本质特征，以完成去噪任务。
用于预训练：DAE 可作为深度网络的预训练方法，提升后续监督学习任务的性能。
可用于异常检测：如果某个输入经过 DAE 后重构误差很大，可能意味着该输入是异常点。

三、常见的噪声类型

在训练 DAE 时，通常会使用以下几种方式对输入进行“损坏”：

噪声类型	描述
高斯噪声（Gaussian Noise）	在每个输入维度上加上服从正态分布的随机数
随机遮蔽（Masking Noise）	将部分输入值设置为0或均值（如随机屏蔽图像像素）
Salt-and-Pepper 噪声	将部分输入值随机置为最大值或最小值
输入缺失	模拟真实场景中的缺失数据

四、损失函数

DAE 的目标是最小化原始输入 $ x $ 和重构输出 $ \hat{x} $ 之间的差异，常用的损失函数包括：

均方误差（MSE）：
$\hat{x}) = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (x_i - \hat{x}_i)^2$
交叉熵损失（Cross-Entropy Loss）（适用于归一化到 [0,1] 的图像数据）

五、代码示例（PyTorch）

下面是一个简单的 Denoising Autoencoder 示例，使用 PyTorch 实现：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader# 定义 Autoencoder 模型
class DenoisingAutoencoder(nn.Module):def __init__(self):super(DenoisingAutoencoder, self).__init__()self.encoder = nn.Sequential(nn.Linear(28*28, 512),nn.ReLU(True))self.decoder = nn.Sequential(nn.Linear(512, 28*28),nn.Sigmoid())def forward(self, x):x = self.encoder(x)x = self.decoder(x)return x# 加载 MNIST 数据集
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor()])
dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, transform=transform, download=True)
loader = DataLoader(dataset, batch_size=64, shuffle=True)device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = DenoisingAutoencoder().to(device)
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)# 训练循环
for epoch in range(10):for data, _ in loader:# 添加高斯噪声noisy_data = data + 0.2 * torch.randn(data.shape)noisy_data = torch.clamp(noisy_data, 0., 1.)data = data.view(-1, 28*28).to(device)noisy_data = noisy_data.view(-1, 28*28).to(device)output = model(noisy_data)loss = criterion(output, data)optimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()print(f'Epoch {epoch+1}, Loss: {loss.item():.4f}')

六、应用领域

图像去噪
特征提取与降维
异常检测
半监督学习
深度生成模型的基础组件（如VAE、GAN）

七、变体与其他相关模型

模型名称	说明
Sparse Autoencoder	对隐藏层施加稀疏性约束
Variational Autoencoder (VAE)	引入概率建模，实现生成式建模
Contractive Autoencoder	对编码器的雅可比矩阵施加惩罚，增强鲁棒性
Stacked Denoising Autoencoder	多层堆叠的 DAE，用于构建深度网络

如果你需要我进一步讲解某一部分（比如具体数学推导、PyTorch Lightning 实现、如何可视化结果等），欢迎继续提问！

import matplotlib.pyplot as plt
def visualize_autoencoder(model, device, data_loader):model.eval()data_iter = iter(data_loader)images, _ = next(data_iter)# 添加噪声noisy_images = images + 0.2 * torch.randn(images.shape)noisy_images = torch.clamp(noisy_images, 0., 1.)# 展平 & 移动到设备images_flat = images.view(-1, 28*28).to(device)noisy_images_flat = noisy_images.view(-1, 28*28).to(device)with torch.no_grad():reconstructed = model(noisy_images_flat)# 恢复为图像格式reconstructed = reconstructed.view(-1, 1, 28, 28).cpu()# 可视化前 5 张图片fig, axes = plt.subplots(nrows=3, ncols=5, figsize=(10, 6))for i in range(5):# 原始图像axes[0, i].imshow(images[i].squeeze(), cmap='gray')axes[0, i].set_title('Original')axes[0, i].axis('off')# 加噪图像axes[1, i].imshow(noisy_images[i].squeeze(), cmap='gray')axes[1, i].set_title('Noisy')axes[1, i].axis('off')# 重构图像axes[2, i].imshow(reconstructed[i].squeeze(), cmap='gray')axes[2, i].set_title('Reconstructed')axes[2, i].axis('off')plt.tight_layout()plt.show()# 调用可视化函数
visualize_autoencoder(model, device, loader)