VQ-VAE(Neural Discrete Representation Learning)论文解读及实现

发布时间:2024年01月07日

pytorch 实现git地址
论文地址:Neural Discrete Representation Learning

1 论文核心知识点

  • encoder
    将图片通过encoder得到图片点表征
    如输入shape [32,3,32,32]
    通过encoder后输出 [32,64,8,8] (其中64位输出维度)

  • 量化码本
    先随机构建一个码本,维度与encoder保持一致
    这里定义512个离散特征,码本shap 为[512,64]

  • encoder 码本中向量最近查找
    encoder输出shape [32,64,8,8], 经过维度变换 shape [3288,64]
    在码本中找到最相近的向量,并替换为码本中相似向量
    输出shape [3288,64],维度变换后,shape 为 [32,64,8,8]

  • decoder
    将上述数据,喂给decoder,还原原始图片

  • loss
    loss 包含两部分
    a . encoder输出和码本向量接近
    b. 重构loss,重构图片与原图片接近

在这里插入图片描述

2 论文实现

2.1 encoder

encoder是常用的图片卷积神经网络
输入x shape [32,3,32,32]
输出 shape [32,128,8,8]


    def __init__(self, in_dim, h_dim, n_res_layers, res_h_dim):
        super(Encoder, self).__init__()
        kernel = 4
        stride = 2
        self.conv_stack = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_dim, h_dim // 2, kernel_size=kernel,
                      stride=stride, padding=1),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(h_dim // 2, h_dim, kernel_size=kernel,
                      stride=stride, padding=1),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(h_dim, h_dim, kernel_size=kernel-1,
                      stride=stride-1, padding=1),
            ResidualStack(
                h_dim, h_dim, res_h_dim, n_res_layers)

        )

    def forward(self, x):
        return self.conv_stack(x)

2.2 VectorQuantizer 向量量化层

  • 输入:
    为encoder的输出z,shape : [32,64,8,8]
  • 码本维度:
    encoder维度变换为[2024,64],和码本embeddign shape [512,64]计算相似度
  • 相似计算:使用 ( x ? y ) 2 = x 2 + y 2 ? 2 x y (x-y)^2=x^2+y^2-2xy (x?y)2=x2+y2?2xy计算和码本的相似度
  • z_q生成
    然后取码本中最相似的向量替换encoder中的向量
  • z_1维度:
    得到z_q shape [2024,64],经维度变换 shape [32,64,8,8] ,维度与输入z一致
  • 损失函数:
    使 z_q和z接近,构建损失函数
    在这里插入图片描述

decoder 层

decoder层比较简单,与encoder层相反
输入x shape 【32,64,8,8】
输出shape [32,3,32,32]

class Decoder(nn.Module):
    """
    This is the p_phi (x|z) network. Given a latent sample z p_phi 
    maps back to the original space z -> x.

    Inputs:
    - in_dim : the input dimension
    - h_dim : the hidden layer dimension
    - res_h_dim : the hidden dimension of the residual block
    - n_res_layers : number of layers to stack

    """

    def __init__(self, in_dim, h_dim, n_res_layers, res_h_dim):
        super(Decoder, self).__init__()
        kernel = 4
        stride = 2

        self.inverse_conv_stack = nn.Sequential(
            nn.ConvTranspose2d(
                in_dim, h_dim, kernel_size=kernel-1, stride=stride-1, padding=1),
            ResidualStack(h_dim, h_dim, res_h_dim, n_res_layers),
            nn.ConvTranspose2d(h_dim, h_dim // 2,
                               kernel_size=kernel, stride=stride, padding=1),
            nn.ReLU(),
            nn.ConvTranspose2d(h_dim//2, 3, kernel_size=kernel,
                               stride=stride, padding=1)
        )

    def forward(self, x):
        return self.inverse_conv_stack(x)

2.3 损失函数

损失函数为重构损失和embedding损失之和

  • decoder 输出为图片重构x_hat
  • embedding损失,为encoder和码本的embedding近似损失
  • 重点:(decoder计算损失时,由于中间有取最小值,导致梯度不连续,因此decoder loss 不能直接对encocer推荐进行求导,采用了复制梯度的方式: z_q = z + (z_q - z).detach(),及
    for i in range(args.n_updates):
        (x, _) = next(iter(training_loader))
        x = x.to(device)
        optimizer.zero_grad()

        embedding_loss, x_hat, perplexity = model(x)
        recon_loss = torch.mean((x_hat - x)**2) / x_train_var
        loss = recon_loss + embedding_loss

        loss.backward()
        optimizer.step()
文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_42529756/article/details/135439005
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