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[Deeplearning4j应用教程09]_基于DL4J的自动编码器

2021-01-22 15:30:37 作者：互联网

基于DL4J的自动编码器

一、简介
二、自编码器的工作流程
三、基于DL4J的自编码器实现

一、简介

为什么要使用自动编码器？在实践中，自动编码器通常应用于数据的降噪和降维。这对于表示学习非常有用，而对于数据压缩则不太有用。
在深度学习中，自动编码器是“尝试”以重建其输入的神经网络。它可以用作特征提取的一种形式，并且可以将自动编码器堆叠起来以创建“深度”网络。由自动编码器生成的功能可以输入到其他算法中，以进行分类，聚类和异常检测。
当原始输入数据具有高维且无法轻松绘制时，自动编码器还可用于数据可视化。通过降维，有时可以将输出压缩到2D或3D空间中，以进行更好的数据探索。
在实际应用当中，异常检测能够用于：网络入侵，欺诈检测，系统监视，传感器网络事件检测（IoT）和异常轨迹感测。

二、自编码器的工作流程

自动编码器包括：
1、编码功能（“编码器”）
2、解码功能（“解码器”）
3、距离函数（“损失函数”）
首先，输入被馈入自动编码器并转换为压缩表示。然后，解码器学习如何从压缩的表示中重建原始输入，在无监督的训练过程中，损失函数有助于纠正解码器产生的错误。此过程是自动的（因此称为“自动”编码器）；即不需要人工干预。
学习到现在，我们应该已经知道如何使用MultiLayerNetwork和ComputationGraph创建不同的网络配置了，现在，我们将构造一个“堆叠”自动编码器，该编码器对MNIST数字执行异常检测而无需预先训练。而目的是识别异常数字，即不寻常和不典型的数字。从给定数据集的规范中“脱颖而出”的内容，事件或观察结果的识别被广泛称为异常检测。异常检测不需要标注的数据集，并且可以在无监督学习的情况下进行，这很有帮助，因为世界上大多数数据都没有标注。
通常，异常检测使用重构误差来衡量解码器的性能。正常的数据应具有较低的重构误差，而异常值应具有较高的重构误差。

三、基于DL4J的自编码器实现

3.1、导入需要的包

import org.apache.commons.lang3.tuple.ImmutablePair;
import org.apache.commons.lang3.tuple.Pair;
import org.deeplearning4j.datasets.iterator.impl.MnistDataSetIterator;
import org.deeplearning4j.nn.conf.MultiLayerConfiguration;
import org.deeplearning4j.nn.conf.NeuralNetConfiguration;
import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.DenseLayer;
import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.OutputLayer;
import org.deeplearning4j.nn.multilayer.MultiLayerNetwork;
import org.deeplearning4j.nn.weights.WeightInit;
import org.deeplearning4j.optimize.listeners.ScoreIterationListener;
import org.nd4j.linalg.activations.Activation;
import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray;
import org.nd4j.linalg.dataset.DataSet;
import org.nd4j.linalg.dataset.SplitTestAndTrain;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.iterator.DataSetIterator;
import org.nd4j.linalg.factory.Nd4j;
import org.nd4j.linalg.learning.config.AdaGrad;
import org.nd4j.linalg.lossfunctions.LossFunctions;

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.util.*;
import java.util.List;

3.2、堆叠式自动编码器

以下自动编码器使用两个堆叠的密集层进行编码。 MNIST数字转换为长度为784的平面一维数组（MNIST图像为28x28像素，当我们端对端放置它们时等于784）。在网络中，数据的大小变化情况如下：
784→250→10→250→784
代码如下：

//搭建模型
MultiLayerConfiguration conf = new NeuralNetConfiguration.Builder()
            .seed(12345)
            .weightInit(WeightInit.XAVIER)
            .updater(new AdaGrad(0.05))
            .activation(Activation.RELU)
            .l2(0.0001)
            .list()
            .layer(new DenseLayer.Builder().nIn(784).nOut(250)
                .build())
            .layer(new DenseLayer.Builder().nIn(250).nOut(10)
                .build())
            .layer(new DenseLayer.Builder().nIn(10).nOut(250)
                .build())
            .layer(new OutputLayer.Builder().nIn(250).nOut(784)
                .activation(Activation.LEAKYRELU)
                .lossFunction(LossFunctions.LossFunction.MSE)
                .build())
            .build();

        MultiLayerNetwork net = new MultiLayerNetwork(conf);
        //监听器
        net.setListeners(Collections.singletonList(new ScoreIterationListener(10)));

3.3、使用MNIST迭代器

像Deeplearning4j的大多数内置迭代器一样，MNIST迭代器扩展了DataSetIterator类。该API允许简单地实例化数据集并在后台自动下载数据。
代码如下：

//加载数据，并且进行训练集与测试集的划分：40000训练数据，10000测试数据
        DataSetIterator iter = new MnistDataSetIterator(100,50000,false);

        List<INDArray> featuresTrain = new ArrayList<>();
        List<INDArray> featuresTest = new ArrayList<>();
        List<INDArray> labelsTest = new ArrayList<>();

        Random r = new Random(12345);
        while(iter.hasNext()){
            DataSet ds = iter.next();
            SplitTestAndTrain split = ds.splitTestAndTrain(80, r);  //按照8:2的比例划分数据集 (miniBatch = 100)
            featuresTrain.add(split.getTrain().getFeatures());
            DataSet dsTest = split.getTest();
            featuresTest.add(dsTest.getFeatures());
            INDArray indexes = Nd4j.argMax(dsTest.getLabels(),1); //进行独热编码转换： 表示 -> 索引
            labelsTest.add(indexes);
        }

3.4、无监督训练

现在，我们已经设置了网络配置并与我们的MNIST测试/训练迭代器一起实例化了，训练只需要几行代码。
之前，我们使用setListeners（）方法将ScoreIterationListener附加到模型。根据用于运行此代码电脑的浏览器，可以打开调试器/检查器以查看侦听器输出。由于Deeplearning4j的内部使用SL4J进行日志记录，因此此输出重定向到控制台，并且Zeppelin重定向了该输出。这有助于减少电脑的混乱情况。
代码如下：

//训练模型
int nEpochs = 3;
for( int epoch=0; epoch<nEpochs; epoch++ ){
     for(INDArray data : featuresTrain){
           net.fit(data,data);
            }
        System.out.println("Epoch " + epoch + " complete");
     }

3.5、评估模型

现在，我们已经对自动编码器进行了训练，那么，我们将根据测试数据来评估模型。每个示例将被单独打分，并且将构成一个映射，该映射将每个数字与（得分，示例）对列表相关联。
最后，我们将计算N个最佳分数和N个最差分数。
代码如下：

//根据测试数据评估模型
//分别对测试集中的每个样本评分
//组成一个映射，将每个数字与（得分，样本）对列表相关联
//然后找到每位数中N个最佳分数和N个最差分数
Map<Integer,List<Pair<Double,INDArray>>> listsByDigit = new HashMap<>();
for( int i=0; i<10; i++ ) listsByDigit.put(i,new ArrayList<>());

    for( int i=0; i<featuresTest.size(); i++ ){
        INDArray testData = featuresTest.get(i);
        INDArray labels = labelsTest.get(i);
        int nRows = testData.rows();
        for( int j=0; j<nRows; j++){
            INDArray example = testData.getRow(j, true);
            int digit = (int)labels.getDouble(j);
            double score = net.score(new DataSet(example,example));
            // 将（得分，样本）对添加到适当的列表
            List digitAllPairs = listsByDigit.get(digit);
            digitAllPairs.add(new ImmutablePair<>(score, example));
        }
    }

    //Sort each list in the map by score
    Comparator<Pair<Double, INDArray>> c = new Comparator<Pair<Double, INDArray>>() {
        @Override
        public int compare(Pair<Double, INDArray> o1, Pair<Double, INDArray> o2) {
            return Double.compare(o1.getLeft(),o2.getLeft());
        }
    };

    for(List<Pair<Double, INDArray>> digitAllPairs : listsByDigit.values()){
        Collections.sort(digitAllPairs, c);
    }

    //排序后，为每个数字选择N个最佳分数和N个最差分数（根据重构误差），其中N = 5
    List<INDArray> best = new ArrayList<>(50);
    List<INDArray> worst = new ArrayList<>(50);
    for( int i=0; i<10; i++ ){
        List<Pair<Double,INDArray>> list = listsByDigit.get(i);
        for( int j=0; j<5; j++ ){
            best.add(list.get(j).getRight());
            worst.add(list.get(list.size()-j-1).getRight());
        }
    }

3.6、结果可视化

//默认可视化
if (visualize) {
            //可视化最好和最差的数字
            MNISTVisualizer bestVisualizer = new MNISTVisualizer(2.0, best, "Best (Low Rec. Error)");
            bestVisualizer.visualize();

            MNISTVisualizer worstVisualizer = new MNISTVisualizer(2.0, worst, "Worst (High Rec. Error)");
            worstVisualizer.visualize();
        }
//可视化方法
public static class MNISTVisualizer {
        private double imageScale;
        private List<INDArray> digits;  //数字（作为行向量），每个INDArray一个
        private String title;
        private int gridWidth;

        public MNISTVisualizer(double imageScale, List<INDArray> digits, String title ) {
            this(imageScale, digits, title, 5);
        }
        
        public MNISTVisualizer(double imageScale, List<INDArray> digits, String title, int gridWidth ) {
            this.imageScale = imageScale;
            this.digits = digits;
            this.title = title;
            this.gridWidth = gridWidth;
        }

        public void visualize(){
            JFrame frame = new JFrame();
            frame.setTitle(title);
            frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);

            JPanel panel = new JPanel();
            panel.setLayout(new GridLayout(0,gridWidth));

            List<JLabel> list = getComponents();
            for(JLabel image : list){
                panel.add(image);
            }

            frame.add(panel);
            frame.setVisible(true);
            frame.pack();
        }

        private List<JLabel> getComponents(){
            List<JLabel> images = new ArrayList<>();
            for( INDArray arr : digits ){
                BufferedImage bi = new BufferedImage(28,28,BufferedImage.TYPE_BYTE_GRAY);
                for( int i=0; i<784; i++ ){
                    bi.getRaster().setSample(i % 28, i / 28, 0, (int)(255*arr.getDouble(i)));
                }
                ImageIcon orig = new ImageIcon(bi);
                Image imageScaled = orig.getImage().getScaledInstance((int)(imageScale*28),(int)(imageScale*28),Image.SCALE_REPLICATE); 
                ImageIcon scaled = new ImageIcon(imageScaled);
                images.add(new JLabel(scaled));
            }
            return images;
        }
    }

最终结果如下图所示：
在这里插入图片描述
最差的手写数字：

最好的手写数字：

完整代码如下：

import org.apache.commons.lang3.tuple.ImmutablePair;
import org.apache.commons.lang3.tuple.Pair;
import org.deeplearning4j.datasets.iterator.impl.MnistDataSetIterator;
import org.deeplearning4j.nn.conf.MultiLayerConfiguration;
import org.deeplearning4j.nn.conf.NeuralNetConfiguration;
import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.DenseLayer;
import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.OutputLayer;
import org.deeplearning4j.nn.multilayer.MultiLayerNetwork;
import org.deeplearning4j.nn.weights.WeightInit;
import org.deeplearning4j.optimize.listeners.ScoreIterationListener;
import org.nd4j.linalg.activations.Activation;
import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray;
import org.nd4j.linalg.dataset.DataSet;
import org.nd4j.linalg.dataset.SplitTestAndTrain;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.iterator.DataSetIterator;
import org.nd4j.linalg.factory.Nd4j;
import org.nd4j.linalg.learning.config.AdaGrad;
import org.nd4j.linalg.lossfunctions.LossFunctions;

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.util.*;
import java.util.List;
public class xx {

    public static boolean visualize = true;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //搭建模型. 784 输入/输出 (MNIST 图片大小为 28x28).
        //784 -> 250 -> 10 -> 250 -> 784
        MultiLayerConfiguration conf = new NeuralNetConfiguration.Builder()
            .seed(12345)
            .weightInit(WeightInit.XAVIER)
            .updater(new AdaGrad(0.05))
            .activation(Activation.RELU)
            .l2(0.0001)
            .list()
            .layer(new DenseLayer.Builder().nIn(784).nOut(250)
                .build())
            .layer(new DenseLayer.Builder().nIn(250).nOut(10)
                .build())
            .layer(new DenseLayer.Builder().nIn(10).nOut(250)
                .build())
            .layer(new OutputLayer.Builder().nIn(250).nOut(784)
                .activation(Activation.LEAKYRELU)
                .lossFunction(LossFunctions.LossFunction.MSE)
                .build())
            .build();

        MultiLayerNetwork net = new MultiLayerNetwork(conf);
        net.setListeners(Collections.singletonList(new ScoreIterationListener(10)));

       //加载数据，并且进行训练集与测试集的划分：40000训练数据，10000测试数据
        DataSetIterator iter = new MnistDataSetIterator(100,50000,false);

        List<INDArray> featuresTrain = new ArrayList<>();
        List<INDArray> featuresTest = new ArrayList<>();
        List<INDArray> labelsTest = new ArrayList<>();

        Random r = new Random(12345);
        while(iter.hasNext()){
            DataSet ds = iter.next();
            SplitTestAndTrain split = ds.splitTestAndTrain(80, r);  //按照8:2的比例进行划分(from miniBatch = 100)
            featuresTrain.add(split.getTrain().getFeatures());
            DataSet dsTest = split.getTest();
            featuresTest.add(dsTest.getFeatures());
            INDArray indexes = Nd4j.argMax(dsTest.getLabels(),1); //通过独热编码将表示转换为索引
            labelsTest.add(indexes);
        }

        //训练模型
        int nEpochs = 3;
        for( int epoch=0; epoch<nEpochs; epoch++ ){
            for(INDArray data : featuresTrain){
                net.fit(data,data);
            }
            System.out.println("Epoch " + epoch + " complete");
        }

        //根据测试数据评估模型
//分别对测试集中的每个样本评分
//组成一个映射，将每个数字与（得分，样本）对列表相关联
//然后找到每位数中N个最佳分数和N个最差分数
 Map<Integer,List<Pair<Double,INDArray>>> listsByDigit = new HashMap<>();
        for( int i=0; i<10; i++ ) listsByDigit.put(i,new ArrayList<>());

        for( int i=0; i<featuresTest.size(); i++ ){
            INDArray testData = featuresTest.get(i);
            INDArray labels = labelsTest.get(i);
            int nRows = testData.rows();
            for( int j=0; j<nRows; j++){
                INDArray example = testData.getRow(j, true);
                int digit = (int)labels.getDouble(j);
                double score = net.score(new DataSet(example,example));
                // 将（得分，样本）对添加到适当的列表
                List digitAllPairs = listsByDigit.get(digit);
                digitAllPairs.add(new ImmutablePair<>(score, example));
            }
        }

        //按分数映射对每个列表进行排序
        Comparator<Pair<Double, INDArray>> c = new Comparator<Pair<Double, INDArray>>() {
            @Override
            public int compare(Pair<Double, INDArray> o1, Pair<Double, INDArray> o2) {
                return Double.compare(o1.getLeft(),o2.getLeft());
            }
        };

        for(List<Pair<Double, INDArray>> digitAllPairs : listsByDigit.values()){
            Collections.sort(digitAllPairs, c);
        }

        排序后，为每个数字选择N个最佳分数和N个最差分数（根据重构误差），其中N = 5
        List<INDArray> best = new ArrayList<>(50);
        List<INDArray> worst = new ArrayList<>(50);
        for( int i=0; i<10; i++ ){
            List<Pair<Double,INDArray>> list = listsByDigit.get(i);
            for( int j=0; j<5; j++ ){
                best.add(list.get(j).getRight());
                worst.add(list.get(list.size()-j-1).getRight());
            }
        }

        //默认进行可视化
        if (visualize) {
            //可视化最好与最差的数字
            MNISTVisualizer bestVisualizer = new MNISTVisualizer(2.0, best, "Best (Low Rec. Error)");
            bestVisualizer.visualize();

            MNISTVisualizer worstVisualizer = new MNISTVisualizer(2.0, worst, "Worst (High Rec. Error)");
            worstVisualizer.visualize();
        }
    }

    public static class MNISTVisualizer {
        private double imageScale;
        private List<INDArray> digits;  //Digits (as row vectors), one per INDArray
        private String title;
        private int gridWidth;

        public MNISTVisualizer(double imageScale, List<INDArray> digits, String title ) {
            this(imageScale, digits, title, 5);
        }
        //设定可视化的图片大小、数字、标题与显示图片的网格大小
        public MNISTVisualizer(double imageScale, List<INDArray> digits, String title, int gridWidth ) {
            this.imageScale = imageScale;
            this.digits = digits;
            this.title = title;
            this.gridWidth = gridWidth;
        }

        public void visualize(){
            JFrame frame = new JFrame();
            frame.setTitle(title);
            frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);

            JPanel panel = new JPanel();
            panel.setLayout(new GridLayout(0,gridWidth));

            List<JLabel> list = getComponents();
            for(JLabel image : list){
                panel.add(image);
            }

            frame.add(panel);
            frame.setVisible(true);
            frame.pack();
        }

        private List<JLabel> getComponents(){
            List<JLabel> images = new ArrayList<>();
            for( INDArray arr : digits ){
                BufferedImage bi = new BufferedImage(28,28,BufferedImage.TYPE_BYTE_GRAY);
                for( int i=0; i<784; i++ ){
                    bi.getRaster().setSample(i % 28, i / 28, 0, (int)(255*arr.getDouble(i)));
                }
                ImageIcon orig = new ImageIcon(bi);
                Image imageScaled = orig.getImage().getScaledInstance((int)(imageScale*28),(int)(imageScale*28),Image.SCALE_REPLICATE);
                ImageIcon scaled = new ImageIcon(imageScaled);
                images.add(new JLabel(scaled));
            }
            return images;
        }
    }
}

标签：编码器,int,import,09,List,Deeplearning4j,org,new
来源： https://blog.csdn.net/weixin_33980484/article/details/112985781