本文來自“深度推薦系統”專欄，這個系列將介紹在深度學習的強力驅動下，給推薦系統工業界所帶來的最前沿的變化。本文則結合作者在工作中的經驗總結，着重於串講AutoEncoder模型框架的演進圖譜。
AutoEncoder作爲NN裏的一類模型，採用無監督學習的方式對高維數據進行高效的特徵提取和特徵表示，並且在學術界和工業界都大放異彩。本文主要介紹AutoEncoder系列模型框架的演進，旨在梳理AutoEncoder的基本原理。首先上圖，然後再對他們進行逐一介紹。
AutoEncoder的思想最早被提出來要追溯到1988年[1]，當時的模型由於數據過於稀疏高維計算複雜度高很難優化，沒能得到廣泛的引用。直到2006年，Hinton等人[2]採用梯度下降來逐層優化RBM從而實現對原始樣本/特徵的抽象表示，並在特徵降維上取得顯著效果。這才使得采用神經網絡來構建AutoEncoder的方法得到廣泛關注。
AutoEncoder
在介紹經典的基於神經網絡的AutoEncoder模型之前，先來整體看一下AutoEncoder框架的基本思想，如下圖所示。AutoEncoder框架包含兩大模塊：編碼過程和解碼過程。通過encoder（g）將輸入樣本x映射到特徵空間z，即編碼過程；然後再通過decoder（f）將抽象特徵z映射回原始空間得到重構樣本x’，即解碼過程。優化目標則是通過最小化重構誤差來同時優化encoder和decoder，從而學習得到針對樣本輸入x的抽象特徵表示z。
這裏我們可以看到，AutoEncoder在優化過程中無需使用樣本的label，本質上是把樣本的輸入同時作爲神經網絡的輸入和輸出，通過最小化重構誤差希望學習到樣本的抽象特徵表示z。這種無監督的優化方式大大提升了模型的通用性。
對於基於神經網絡的AutoEncoder模型來說，則是encoder部分通過逐層降低神經元個數來對數據進行壓縮；decoder部分基於數據的抽象表示逐層提升神經元數量，最終實現對輸入樣本的重構。
這裏指的注意的是，由於AutoEncoder通過神經網絡來學習每個樣本的唯一抽象表示，這會帶來一個問題：當神經網絡的參數複雜到一定程度時AutoEncoder很容易存在過擬合的風險。
Denoising AutoEncoder
爲了緩解經典AutoEncoder容易過擬合的問題，一個辦法是在輸入中加入隨機噪聲；Vincent等人[3]提出了Denoising AutoEncoder，在傳統AutoEncoder輸入層加入隨機噪聲來增強模型的魯棒性。另一個辦法就是結合正則化思想，Rifai等人[4]提出了Contractive AutoEncoder，通過在AutoEncoder目標函數中加上encoder的Jacobian矩陣範式來約束使得encoder能夠學到具有抗干擾的抽象特徵。
下圖是Denoising AutoEncoder的模型框架。目前添加噪聲的方式大多分爲兩種：添加服從特定分佈的隨機噪聲；隨機將輸入x中特定比例置爲0。有沒有覺得第二種方法跟現在廣泛石紅的Dropout很相似，但是Dropout方法是Hinton等人在2012年才提出來的，而第二種加噪聲的方法在08年就已經被應用了。這其中的關係，就留給你思考一下。
Sparse AutoEncoder
爲了在學習輸入樣本表示的時候可以得到稀疏的高維抽象特徵表示，Ng等人[5]在原來的損失函數中加入了一個控制稀疏化的正則項。稀疏約束能迫使encoder的各層只有部分神經元被激活，從而將樣本映射成低維稀疏特徵向量。
具體來說，如果單個神經元被激活的概率很小，則可認爲該網絡具有稀疏性。神經元是否被激活可以看做服從概率的伯努利分佈。因此可以使用KL散度來衡量神經元被激活的概率ρ^與期望概率ρ之間的loss：
通過將D_KL加入到AutoEncoder的目標函數中，即可實現對神經網絡稀疏性的約束。另外，還有一種方法就是對神經網絡各層的輸出加入L1約束。
CNN/LSTM AutoEncoder
其實無論是Convolutional Autoencoder[6]、 Recursive Autoencoder還是LSTM Autoencoder[7]等等，思路都是將傳統NN網絡的結構融入到AutoEncoder中。
以LSTM AutoEncoder爲例，目標是針對輸入的樣本序列學習得到抽象特徵z。因此encoder部分是輸入一個樣本序列輸出抽象特徵z，採用如下的Many-to-one LSTM；而decoder部分則是根據抽象特徵z，重構出序列，採用如下的One-to-many LSTM。
將傳統NN網絡的結構引入AutoEncoder其實更多是一個大概的思想，具體實現的時候，編碼器和解碼器都是不固定的，可選的有CNN/RNN/雙向RNN/LSTM/GRU等等，而且可以根據需要自由組合。
Variational AutoEncoder
Vairational AutoEncoder（VAE）是Kingma等人與2014年提出。VAE比較大的不同點在於：VAE不再將輸入x映射到一個固定的抽象特徵z上，而是假設樣本x的抽象特徵z服從（μ，σ^2）的正態分佈，然後再通過分佈生成抽象特徵z。最後基於z通過decoder得到輸出。模型框架如下圖所示：
由於抽象特徵z是從正態分佈採樣生成而來，因此VAE的encoder部分是一個生成模型，然後再結合decoder來實現重構保證信息沒有丟失。VAE是一個里程碑式的研究成果，倒不是因爲他是一個效果多麼好的生成模型，主要是提供了一個結合概率圖的思路來增強模型的魯棒性。後續有很多基於VAE的擴展，包括infoVAE、betaVAE和factorVAE等。
Adversarial AutoEncoder
既然說到生成模型引入AutoEncoder，那必定也少不了將GAN的思路引入AutoEncoder[9]，也取得了不錯的效果。
對抗自編碼器的網絡結構主要分成兩大部分：自編碼部分（上半部分）、GAN判別網絡（下半部分）。整個框架也就是GAN和AutoEncoder框架二者的結合。訓練過程分成兩個階段：首先是樣本重構階段，通過梯度下降更新自編碼器encoder部分、以及decoder的參數、使得重構損失函數最小化；然後是正則化約束階段，交替更新判別網絡參數和生成網絡（encoder部分）參數以此提高encoder部分混淆判別網絡的能力。
一旦訓練完畢，自編碼器的encoder部分便學習到了從樣本數據x到抽象特徵z的映射關係。
參考文獻
[1] Auto-association by multilayer perceptrons and singular value decomposition, Bourlard etc, 1988
[2] Reducing the dimensionality of data with neural networks, Geoffrey Hinton etc, 2006
[3] Extracting and composing robust features with denoising autoencoders, Pascal Vincent etc, 2008
[4] Contractive auto-encoders: Explicit invariance during feature extraction, Rifai S etc, 2011
[5] Sparse autoencoder, Andrew Ng, etc, 2011
[6] Stacked Convolutional Auto-Encoders for Hierarchical Feature, Jonathan Masci, Jurgen Schmidhuber etc, 2011
[7] Unsupervised Learning of Video Representations using LSTMs, Nitish Srivastava etc, 2015
[8] Auto-encoding variational bayes, Diederik Kingma etc, ICLR 2014
[9] Adversarial Autoencoders, Alireza Makhzani, Ian Goodfellow etc, 2015
本文授權轉載自知乎專欄“深度推薦系統”。原文鏈接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/68903857