Aquí está la figura clave del artículo de Ciencia de 2006 de Hinton y Salakhutdinov:
Muestra la reducción de dimensionalidad del conjunto de datos MNIST ( 28 × 28 imágenes en blanco y negro de un solo dígito) desde las dimensiones originales del 784 a dos.
784 → 1000 → 500 → 250 → 2 → 250 → 500 → 1000 → 784
784 → 512 → 128 → 2 → 128 → 512 → 784
El código está copiado de un cuaderno Jupyter. En Python 3.6 necesita instalar matplotlib (para pylab), NumPy, seaborn, TensorFlow y Keras. Cuando se ejecuta en Python Shell, es posible que deba agregar plt.show()para mostrar los gráficos.
Inicialización
%matplotlib notebook
import pylab as plt
import numpy as np
import seaborn as sns; sns.set()
import keras
from keras.datasets import mnist
from keras.models import Sequential, Model
from keras.layers import Dense
from keras.optimizers import Adam
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
x_train = x_train.reshape(60000, 784) / 255
x_test = x_test.reshape(10000, 784) / 255
PCA
mu = x_train.mean(axis=0)
U,s,V = np.linalg.svd(x_train - mu, full_matrices=False)
Zpca = np.dot(x_train - mu, V.transpose())
Rpca = np.dot(Zpca[:,:2], V[:2,:]) + mu # reconstruction
err = np.sum((x_train-Rpca)**2)/Rpca.shape[0]/Rpca.shape[1]
print('PCA reconstruction error with 2 PCs: ' + str(round(err,3)));
Esto produce:
PCA reconstruction error with 2 PCs: 0.056
Entrenando al autoencoder
m = Sequential()
m.add(Dense(512, activation='elu', input_shape=(784,)))
m.add(Dense(128, activation='elu'))
m.add(Dense(2, activation='linear', name="bottleneck"))
m.add(Dense(128, activation='elu'))
m.add(Dense(512, activation='elu'))
m.add(Dense(784, activation='sigmoid'))
m.compile(loss='mean_squared_error', optimizer = Adam())
history = m.fit(x_train, x_train, batch_size=128, epochs=5, verbose=1,
validation_data=(x_test, x_test))
encoder = Model(m.input, m.get_layer('bottleneck').output)
Zenc = encoder.predict(x_train) # bottleneck representation
Renc = m.predict(x_train) # reconstruction
Esto lleva ~ 35 segundos en mi escritorio de trabajo y resultados:
Train on 60000 samples, validate on 10000 samples
Epoch 1/5
60000/60000 [==============================] - 7s - loss: 0.0577 - val_loss: 0.0482
Epoch 2/5
60000/60000 [==============================] - 7s - loss: 0.0464 - val_loss: 0.0448
Epoch 3/5
60000/60000 [==============================] - 7s - loss: 0.0438 - val_loss: 0.0430
Epoch 4/5
60000/60000 [==============================] - 7s - loss: 0.0423 - val_loss: 0.0416
Epoch 5/5
60000/60000 [==============================] - 7s - loss: 0.0412 - val_loss: 0.0407
así que ya puedes ver que superamos la pérdida de PCA después de solo dos épocas de entrenamiento.
(Por cierto, es instructivo cambiar todas las funciones de activación activation='linear'y observar cómo la pérdida converge precisamente a la pérdida de PCA. Esto se debe a que el autoencoder lineal es equivalente a PCA).
Trazar la proyección PCA lado a lado con la representación del cuello de botella
plt.figure(figsize=(8,4))
plt.subplot(121)
plt.title('PCA')
plt.scatter(Zpca[:5000,0], Zpca[:5000,1], c=y_train[:5000], s=8, cmap='tab10')
plt.gca().get_xaxis().set_ticklabels([])
plt.gca().get_yaxis().set_ticklabels([])
plt.subplot(122)
plt.title('Autoencoder')
plt.scatter(Zenc[:5000,0], Zenc[:5000,1], c=y_train[:5000], s=8, cmap='tab10')
plt.gca().get_xaxis().set_ticklabels([])
plt.gca().get_yaxis().set_ticklabels([])
plt.tight_layout()
Reconstrucciones
Y ahora veamos las reconstrucciones (primera fila - imágenes originales, segunda fila - PCA, tercera fila - autoencoder):
plt.figure(figsize=(9,3))
toPlot = (x_train, Rpca, Renc)
for i in range(10):
for j in range(3):
ax = plt.subplot(3, 10, 10*j+i+1)
plt.imshow(toPlot[j][i,:].reshape(28,28), interpolation="nearest",
vmin=0, vmax=1)
plt.gray()
ax.get_xaxis().set_visible(False)
ax.get_yaxis().set_visible(False)
plt.tight_layout()
Se pueden obtener resultados mucho mejores con una red más profunda, cierta regularización y capacitación más larga. Experimentar. ¡El aprendizaje profundo es fácil!
