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探究对深度学习模型VAE的时序性解耦

2021-06-04 11:10 次阅读

现代深度学习架构一直被描述为一个黑匣子:被输入数据,并期望从中得到一些结果。然而,由于此类架构存在许多的复杂性,过程中发生的事情,通常难以解释和分析。这已发展成为整个社会未能广泛接受深度学习的主要原因之一,尤其是对于关键任务应用程序。

因此,“黑匣子”的解体已成为机器学习研究人员的一个重大开放问题,并且是该领域当前感兴趣的问题之一,这一研究领域通常被称为机器学习架构的“可解释性”。在本文中,我们将讨论可解释性研究中的一个重要主题,即解耦问题。

Disentangled

Sequential VAE

光的解耦(Ddisentangled)

我们举个常见的例子:在日常生活中,太阳光看起来是白色的,但是如果我们让阳光通过三棱镜,就会发现阳光分别折射出多种色彩。这说明白光其实是多种颜色混合的体现,而我们可以通过三棱镜把它分解成基本七种颜色,其中包括红、绿、蓝三原色。

我们继续聊聊白光:在广泛意义上说光是由RGB三种颜色组成的。这也就定义了光的解耦过程:光可以分离成R、G、B三种颜色,同时我们也可以用这三种颜色,进行不同程度的叠加,产生丰富而广泛的颜色。

计算机定义颜色时R、G、 B三种成分的取值范围是0-255,0表示没有刺激量,255表示刺激量达最大值。R、G、B均为255时就合成了白光,R、G、B均为0时就形成了黑色。在这个区间范围内,我们可以通过任意的数值组合构造出无数种不同的颜色,让我们的生活充满色彩。

白光和解耦又有什么关系呢?那关系就大了!我们下面简单聊一下一种深度学习模型——变分自编码器模型(VAE:variational autoencoder),然后用它来解释解耦。

什么是VAE?

什么是VAE呢?那要先从AE开始说起了。

AE(Autoencoder)

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上图由两个部分组成,第一个部分是编码器(Encoder),第二部分是解码器(Decoder),图片经过编码器得到一个潜在的编码(code),编码再通过解码器还原输入的图片,因此得到的编码就是图片在一个潜在空间的表示。而编码器和解码器就是由神经网络组成的。图中例子就是希望能够生成一张一样的图片。

VAE (Variational Autoencoder)

变分编码器是自动编码器的升级版本,其结构跟自动编码器相似,也由编码器和解码器构成。在AE中,输入一个图片得到一个的编码(code),但这个编码是一个固定的编码,使得模型没有很好的泛化功能。所以VAE引入了一种新的方式有效解决了上述的问题,就是将编码问题变成一个分布问题,具体操作是在AE的基础上增加一个限制,迫使编码器得到的编码(code)能够粗略地遵循一个标准正态分布,这就是其与一般的自动编码器最大的不同。

这样我们生成一张新图片就很简单了,我们只需要给它一个标准正态分布的随机隐含向量,这样通过解码器就能够生成我们想要的图片,而不需要给它一张原始图片先进行编码。

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VAE的演变增加了模型的泛化性,以上图VAE的过程为例,当输入的图片是猫时,通过猫的特征来生成新的图片,VAE的好处就在于当输入的图片不是完整的图片时(训练集外),它依旧可以还原成原来的样子。

在深度学习中,不管是什么样的模型,数据都很重要,而VAE的好处就在于 :

它可以通过编码和解码的过程,通过抽样,生成新的数据。这样对于机器学习就有了更多的数据支撑从而得到更好的模型效果。

VAE在中间层会得到一个编码(code),也就是一个语义层,我们可以通过对于这个语义的理解,从而达到图片的分类、变换的效果。

如果我们类比光的解耦(将光分离成R、G、B三种颜色),VAE(Variational Autoencoder)就可以理解成是深度学习框架的三棱镜。

这是为什么呢?我们先给一个浅显的技术介绍,然后再回来聊颜色分离。

VAE是一种深度学习框架,更具体来说,它是一种生成模型。生成模型的操作很简单:它可以读取数据(多为图片),抽取数据的特征,然后自动生成有这些特征的新数据。我们这里关心的是提取特征这个环节。大多生成模型的特征提取模式,便是经过所谓的“潜在变量”(latent variables)来编码提取到的特征。

这里的一个明显的问题便是:我们怎么判断正式数据里的某一个特征对应的是哪个语义变量?我们可以回到类比成颜色分离和生成的过程,将一种颜色先编码(encoder)成R,G,B,再通过解码(decoder)形成一种颜色。

Disentangled Sequential VAE

随着对VAE的研究,越来越多的研究重点就放在了如何在VAE的基础上做到disentangled的过程。以下简单介绍一下深兰科学院对于该项目的研究内容:对于时序的数据解耦出其数据的动态信息和静态信息,并理解静态信息和动态信息的语义,后续团队的目标也是基于当前的项目,进行这个主流方向的基础研究。

本项目采用的数据是Sprites,这是个具有时序性的数据。小精灵有着不同的颜色和动作,团队的任务就是通过这些小精灵的图片,解耦出小精灵的动态信息(小精灵的动作)和静态信息(小精灵的颜色)。通过深度学习来获得小精灵动静态信息的语义,并理解这语义从而生成新的小精灵。

如下图所示,通过深度学习得到小精灵的动态信息和静态信息,并改变他们的值的生成效果(上排是原始数据,下排是生成数据)。

1. 改变静态信息(颜色)

2.改变动态信息

对于VAE时序性解耦的工作可以更容易地说明神经网络的可解释性,这样的任务不仅可以对神经网络的基础研究作出贡献,还可以应用到很多人工智能的项目中,例如对图像视频的处理;动静的解耦可以实现换脸等效果;在自然语言处理中,可以改变声音的种类等。

编辑:jq

原文标题:探究 | 对深度学习模型VAE的时序性解耦

文章出处:【微信号:kmdian,微信公众号:DeepBlue深兰科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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NC7SZ19 TinyLogic UHS 1:2解码器/解复用器

9是一款带共用输出使能的1:2解码器。该器件采用先进的CMOS技术制造,实现了超高速度和高输出驱动,同时能在很宽的V CC 工作范围内保持较低的静态功耗。该器件额定工作范围为1.65V至5.5VV CC 。当V CC 为0V时,输出和输出处于高阻抗状态。输入容差电压最高可达5.5 V,且与VCC工作范围无关。 特性 节省空间的SC70 6引线表面贴装封装 超小型MicroPak™无引线封装 超高速:V CC = 5V时,50pF内的t PD = 2.7 ns(典型值) 宽V CC 工作范围:1.65V到5.5V 掉电高阻抗输入/输出 耐过压输入促进5V至3V的转换 专利噪声/电磁干扰(EMI)消减电路已实施 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 21:24 96次 阅读
NC7SZ19 TinyLogic UHS 1:2解码器/解复用器

NC7SV19 TinyLogic ULP-A 1:2解码器/解复用器

9是一款1:2解码器/解复用器,属于飞兆TinyLogic®中的超低功耗A(ULP-A)系列.ULP-A是要求极高速度,高驱动和低功耗的应用的理想选择。此产品设计用于宽低电压工作范围(0.9V到3.6V的V CC ),适合驱动和速度要求高于TinyLogic ULP系列的应用,但NC7SV19专为优化功耗和速度而设计,采用先进的CMOS技术制造,在实现高速运行的同时最佳的低功耗运行特点。 特性 0.9V至3.6VV CC 电源操作范围 V CC 为0.9 V至3.6 V时,耐过压I / O为3.6 V 极高速度t PD 1.5 ns(典型值),2.7V到3.6VV CC 2.0 ns(典型值),2.3V到2.7VV CC 3.0 ns(典型值),1.65V到1.95VV CC 4.0 ns(典型值),1.4V至1.6VV CC 8.0 ns(典型值),1.1V至1.3VV CC 16.0 ns(典型值),0.9 VV CC 断电高阻抗输入和输出 高静态驱动(I OH / I OL )±24 mA @ 3.00VV CC ±18 mA @ 2.30VV CC ±6 mA @ 1.65VV CC ±4 mA @ 1.4VV CC ±2 mA @ 1.1VV CC ±0.1 mA @ 0.9VV CC 使用专有Quiet Series™噪声/电磁干扰...
发表于 04-18 21:23 74次 阅读
NC7SV19 TinyLogic ULP-A 1:2解码器/解复用器

NC7SP19 TinyLogic ULP 1:2解码器/解复用器

9是一款单通道1:2解码器/解复用器,属于飞兆TinyLogic®中的超低功耗(ULP)系列。适用于电池使用寿命至关重要的应用,此产品专为0.9V至3.6VV CC 的V CC 工作范围内的超低功耗而设计。内部电路由最小量的反相器层级组成(包括输出缓冲NC7SP19(适合于较低的驱动需求)设计独特,可优化功率和速度,而且是采用先进的CMOS技术制造,以实现同低最佳的高速操作,同时保持极低的CMOS功耗。 特性 0.9V至3.6VV CC 电源操作范围 V CC 为0.9 V至3.6 V时,耐过压I / O为3.6 V t PD 3.0 ns(典型值),3.0 V至3.6 VV CC 4.0 ns(典型值),2.3 V至2.7 VV CC 5 .0 ns(典型值),1.65 V至1.95 VV CC 7.0 ns(典型值),1.40 V至1.60 VV CC 11.0 ns(典型值),1.10 V至1.30 VV CC 30.0 ns(典型值),0.90VV CC 断电高阻抗输入和输出 静态驱动(I OH / I OL )3.00VV CC 时±2.6 mA,2.30VV CC 时,±2.1 mA,1.65VV CC 时±1.5 mA,1.40VV CC ±1.0 mA,1.10VV CC 时±0.5 mA,0.9VV CC 时±20μA...
发表于 04-18 21:15 75次 阅读
NC7SP19 TinyLogic ULP 1:2解码器/解复用器

74VHCT138A 3:8解码器/解复用器

8A是采用硅栅极CMOS技术制造的先进的高速CMOS 3:8解码器。它实现了与等效双极型肖特基TTL相似的高速运行,同时保持了CMOS低功耗。当设备启动后,3个二进制位的选择输入(A 0 ,A 1 和A 2 )决定哪一个输出(O# 0 -O# 7 )将转为低电平。当使能输入E 3 保持低电平或者E# 1 或E# 2 保持高电平时,解码功能被禁用且所有输出转为高电平。提供E 3 ,E# 1 和E# 2 输入以简化串联连接和作为存储器系统的一个地址解码器。保护电路确保不管电源电压如何,0V至7V可施加到输入引脚,输出引脚V CC = 0V。这些电路可防止器件由于电源和输入/输出电压不匹配而受损。此器件可用于连接5V至3V系统和两个电源系统(例如备用电池)。 特性 高速:V CC = 5V时,t PD = 7.6 ns(典型值) 低功耗:T A = 25°C时,I CC =2μA(最大值) 所有输入和输出上都提供掉电保护 引脚和功能与74HCT138兼容 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:49 124次 阅读
74VHCT138A 3:8解码器/解复用器

74VHC138 3:8解码器/解复用器

是采用硅栅极CMOS技术制造的先进的高速CMOS 3输入“或非”门。它实现了与等效双极型肖特基TTL相似的高速运行,同时保持了CMOS低功耗。当设备启动后,3个二进制位的选择输入(A 0 ,A 1 和A 2 )决定哪一个输出(O # 0 -O# 7 )将转为低电平。当使能输入E 3 保持低电平或者E# 1 或E# 2 保持高电平时,解码功能被禁用且所有输出转为高电平。提供E 3 ,E# 1 和E# 2 输入以简化串联连接和作为存储器系统的一个地址解码器。输入保护电路确保0V至7V可应用于输入引脚,无需考虑电源电压。此器件可用此连接电压和电压系;“> 特性 高速:T A = 25°C时,t PD = 5.7 ns(典型值) 低功耗:T A = 25°C时,我 CC =2μA(最大值) 高抗噪能力:V NIH = V NIL = 28%V CC (最小值) 所有输入上都提供掉电保护 引脚和功能与74HC138兼容 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:47 139次 阅读
74VHC138 3:8解码器/解复用器

74VHC139 双通道2:4解码器/解复用器

是采用硅栅极CMOS技术制造的先进的高速CMOS双通道2:4解码器/解多路复用器。它实现了与等效双极型肖特基TTL相似的高速运行,同时保持了CMOS低功耗。有源低电平使能输入能用于门控或用作解多路复用器的数据输入。当使能输入保持为高电平时,所有四个输出均固定为高电平,与其他输入无关。输入保护电路确保0V至7V可应用于输入引脚,无需考虑电源电压。此器件可用于连接5V至3V系统和两个电源系统(例如备用电池)。电路可防止器件因电源和输入电压不匹配而受损。 特性 高速:T A = 25°C时, t PD = 5.0 ns(典型值) 低功耗:T A = 25°C时,I CC =2μA(最大值) 高抗能力:V NIH = V NIL = 28%V CC (最小值) 所有输入上都提供掉电保护 引脚和功能与74HC139兼容 应用 本产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:47 200次 阅读
74VHC139 双通道2:4解码器/解复用器

74LVX138 低压1:8解码器/解复用器

是一款高速1:8解码器/解复用器。此器件特别适合高速双极存储器芯片选择地址解码。只需使用三个LVX138器件,通过多路输入使能就能并行扩展至1:24解码器,或使用四个LVX138器件和一个反相器并行扩展至1:32解码器。 特性 输入电平从5V转换为3V 非常适合低功率/低噪声3.3V应用 保证同步开关噪声电平和动态阈值性能 应用 此产品是一般用途,适用于许多人不同的应用程序。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:46 236次 阅读
74LVX138 低压1:8解码器/解复用器

74LCX138 低电压1:8解码器/解复用器 5V容许输入电压

是一款高速1:8解码器/解复用器。此器件特别适合高速存储器芯片选择地址解码。只需使用三个LCX138器件,通过多路输入使能就能并行扩展至1 :24解码器,或使用四个LCX138器件和一个反相器并行扩展至1:32解码器.74LCX138采用先进的CMOS技术制造,以在实现高速运行的同时保持CMOS低功耗。 特性 5V容许输入电压 提供2.3V到3.6VV CC 规格 6.0 ns t PD 最大值(V CC = 3.3V),10μAII CC 最大值 掉电高阻抗输入和输出 ±24 mA输出驱动(V CC = 3.0V) 实施专利噪声/电磁干扰(EMI)消减电路 闩锁性能超过500毫安 静电放电(ESD)性能:人体模型> 2000V机械模型> 200V 无铅DQFN包 应用 此产品是一般用途,适用于许多人不同的应用程序。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:35 191次 阅读
74LCX138 低电压1:8解码器/解复用器 5V容许输入电压

74ACT139 1:4解码器/解复用器

CT139是一款高速双通道1:4解码器/解复用器。该器件包含两个独立解码器,每个解码器接受两个输入,提供四个有互斥低电平有效输出。每个解码器包含一个低电平有效使能输入,可用作4输出解复用器的数据输入。每半个AC / ACT139可用作函数生成器,提供两个变量的全部四个小项。 特性 我 CC 降低了50% 多功能能力 两个完全独立的1 :4解码器 低电平有互斥输出 24 mA输出源电流/灌电流 ACT139具有TTL兼容输入 应用 此产品是一般用途,适用适用于许多不同的应用程序。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:19 117次 阅读
74ACT139 1:4解码器/解复用器

74ACT138 1:8解码器/解复用器

CT138是一款高速1:8解码器/解复用器。此器件特别适合高速双极存储器芯片选择地址解码。只需使用三个AC / ACT138器件,通过多路输入使能就能并行扩展至1:24解码器,或使用四个AC / ACT138器件和一个反相器并行扩展至1:32解码器。 特性 我 CC 降低了50% 解复用能力 多路输入使能,实现轻松扩展 低电平有互斥输出 24 mA输出源电流/灌电流 ACT138具有TTL兼容输入 应用 该产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:18 190次 阅读
74ACT138 1:8解码器/解复用器

74AC138 8解码器/解复用器

信息AC/ACT138是一款高速1:8解码器/解复用器。 此器件特别适合高速双极存储器芯片选择地址解码。 只需使用三个AC/ACT138器件,通过多路输入使能就能并行扩展至1:24解码器,或使用四个AC/ACT138器件和一个反相器并行扩展至1:32解码器。 I降低了50% 解复用能力 多路输入使能,实现轻松扩展 低电平有互斥输出 24 mA输出源电流/灌电流 ACT138具有TTL兼容输入
发表于 04-18 19:16 283次 阅读
74AC138 8解码器/解复用器

74AC139 4解码器/解复用器

信息AC/ACT139是一款高速双通道1:4解码器/解复用器。 该器件包含两个独立解码器,每个解码器接受两个输入,提供四个有互斥低电平有效输出。 每个解码器包含一个低电平有效使能输入,可用作4输出解复用器的数据输入。 每半个AC/ACT139可用作函数生成器,提供两个变量的全部四个小项。 I降低了50% 多功能能力 两个完全独立的1:4解码器 低电平有互斥输出 24 mA输出源电流/灌电流 ACT139具有TTL兼容输入...
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74AC139 4解码器/解复用器

MC14543B 用于液晶的BCD至7段锁存器/解码器/驱动器

3B BCD至7段锁存器/解码器/驱动器设计用于液晶读出,采用互补MOS(CMOS)增强模式器件构建。该电路提供4位存储锁存器和8421 BCD至7段解码器和驱动器的功能。该器件能够反转输出组合的逻辑电平。相位(Ph),消隐(BI)和锁存禁用(LD)输入分别用于反转真值表相位,使显示空白并存储BCD码。对于液晶(LC)读数,方波被施加到电路的Ph输入和显示器的电共用背板。电路的输出直接连接到LC读出的段。对于其他类型的读数,如发光二极管(LED),白炽灯,气体放电和荧光读数,本数据表给出了连接图。 应用程序包括仪器(例如,计数器,DVM等)显示驱动程序,计算机/计算器显示驱动程序,驾驶舱显示驱动程序以及各种时钟,手表和计时器用途。 特性 闩锁存储代码 消隐输入 读取所有非法输入组合的消隐 直接LED(共阳极或阴极)驱动能力 电源电压范围= 3.0 V至18 V 能够驱动两个低功率TTL负载,一个低功耗肖特基TTL负载或两个HTL负载超过额定温度范围 CD4056A的引脚替换(引脚7连接到V SS )。 芯片复杂性:207个FET或52个等效门 无铅封装可用 电路图...
发表于 04-18 18:54 258次 阅读
MC14543B 用于液晶的BCD至7段锁存器/解码器/驱动器

MC14514B 4位透明锁存器/ 4至16线路解码器

信息 MC14514B和MC14515B是具有锁存输入的4至16线路解码器的两个输出选项。 MC14514B(输出有效高电平选项)在所选输出上显示逻辑“1”,而MC14515B(输出有效低电平选项)在所选输出上显示逻辑“0”。锁存器是R-S型触发器,其保持在选通脉冲从“1”到“0”之前呈现的最后输入数据。 4位锁存器/ 4至16线解码器的这些高和低选项由单通道结构中的N通道和P通道增强模式器件构成。锁存器是RS型触发器,数据在选通输入处入射,解码并在输出端呈现时被允许。这些互补电路主要用于低功耗和/或高噪声的解码应用需要免疫力。 电源电压范围= 3.0 Vdc至18 Vdc 能够在额定温度范围内驱动两个低功率TTL负载或一个低功率肖特基TTL负载 可提供无铅封装 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 18:54 219次 阅读
MC14514B 4位透明锁存器/ 4至16线路解码器

MC14515B 4位透明锁存器/ 4至16线路解码器

4B和MC14515B是4至16线路解码器的两个输出选项,带有锁存输入。 MC14514B(输出有效高电平选项)在所选输出上显示逻辑“1”,而MC14515B(输出有效低电平选项)在所选输出上显示逻辑“0”。锁存器是R-S型触发器,其保持在选通脉冲从“1”到“0”之前呈现的最后输入数据。 4位锁存器/ 4至16线解码器的这些高和低选项由单通道结构中的N通道和P通道增强模式器件构成。锁存器是RS型触发器,数据在选通信号入射时被接纳,解码并在输出端呈现。 这些互补电路主要用于解码低功耗和/的应用或者需要高抗噪性。 特性 电源电压范围= 3.0 Vdc至18 Vdc 能够在额定温度范围内驱动两个低功率TTL负载或一个低功率肖特基TTL负载 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 18:54 121次 阅读
MC14515B 4位透明锁存器/ 4至16线路解码器