با اتوانکدرهای متغیر یا Variational Auto Encoders آشنا شوید!

در دنیای پیچیده و گسترده یادگیری ماشین اتوانکدرهای متغیر (VAEs) نقشی بی‌نظیر ایفا می‌کنند. آن‌ها به ما کمک می‌کنند تا از میان داده‌های پرسروصدا و پیچیده معانی و الگوهای ساده‌تری را استخراج کنیم و مسیری نوین در فهم اطلاعات پیچیده باز می‌کنند. در این مطلب، به‌صورتی عمیق‌تر، مفاهیم، کاربردها و آینده‌ی اتوانکدرهای متغیر یا Variational Auto Encoders را بررسی می‌کنیم و اهمیت آن‌ها و نوآوری‌هایی را که به حوزه یادگیری ماشین می‌آورند کاوش می‌کنیم.

اتوانکدرهای متغیر یا Variational Auto Encoders چیست؟

اتوانکدر متغیر به‌عنوان یکی از پیچیده‌ترین و درعین‌حال شگفت‌انگیزترین ساختارهای موجود در حوزه یادگیری عمیق شناخته می‌شود. این فناوری براساس اصول آماری و احتمالاتی شکل گرفته است و به مدل‌ها امکان می‌دهد تا داده‌های پیچیده را در فضاهای ساده‌تر به‌نحو خلاقانه‌ای بازنمایی کنند.

اتوانکدرها، نه‌تنها در فشرده‌سازی اطلاعات نقش دارند، از این فشرده‌سازی‌ها برای بازسازی داده‌ها یا حتی خلق داده‌های جدید بهره می‌برند. این قابلیت آن‌ها را در بسیاری از کاربردهای عملی و پژوهشی بسیار ارزشمند می‌کند.

این نوع اتوانکدرها از دو بخش اصلی تشکیل شده‌اند: رمزگذار (Encoder) و رمزگشا (Decoder). در ادامه، تعریف کامل‌تری از هر بخش و فرآیند کاری آن‌ها ارائه می‌دهیم.

رمزگذار (Encoder)

بخش رمزگذار، با گرفتن داده‌های ورودی، آن‌ها را به فضای نهانی با ابعاد کمتر تبدیل می‌کند. این فرایند به تولید دو پارامتر میانگین و واریانس لگاریتمی توزیع احتمالاتی مربوط به نمایندگی هر داده در فضای نهان می‌انجامد. این تبدیل احتمالاتی اساساً نحوه توزیع داده‌ها در فضای پنهان را نشان می‌دهد و به مدل اجازه می‌دهد نبود قطعیت‌های موجود در داده‌ها را مدل‌سازی کند.

نمونه‌برداری (Sampling)

در این مرحله با استفاده از میانگین و واریانس لگاریتمی تولید‌شده نمونه‌ای از فضای نهان تولید می‌شود. این نمونه‌برداری به مدل اجازه می‌دهد تا تنوع و نبود قطعیت موجود در داده‌های اصلی را در نمایندگی‌های فضای نهان حفظ کند.

رمزگشا (Decoder)

بخش رمزگشا نمونه‌های گرفته‌شده از فضای نهان را می‌گیرد و تلاش می‌کند تا داده‌های ورودی اصلی را بازسازی کند. این فرایند به VAE یا اتوانکدر متغیر امکان می‌دهد نمایندگی‌هایی از داده‌ها در فضای نهان را تعریف کند که قادر به بازسازی داده‌های مشابه با داده‌های واقعی باشد.

تابع هزینه (Loss Function)

تابع هزینه در اتوانکدر متغیر از دو جزء تشکیل شده است: ازدست‌دادن بازسازی (تفاوت میان داده‌های واقعی و بازسازی‌شده را اندازه‌گیری می‌کند) و ازدست‌دادن Kullback-Leibler (تفاوت میان توزیع احتمالاتی فضای نهان و توزیع نرمال استاندارد را اندازه‌گیری می‌کند). این دو جزء با هم تضمین می‌کنند که فضای نهان به‌خوبی سازمان‌دهی شده و قادر به بازسازی داده‌های مفید باشد.

بنابراین اتوانکدرهای متغیر مدل‌هایی قدرتمند برای یادگیری بدون نظارت هستند که با استفاده از اصول احتمالاتی، نمایندگی‌های پرمعنا و کارآمدی از داده‌ها را در فضاهای پنهان ارائه می‌کنند. این نمایندگی‌ها می‌توانند برای بازسازی داده‌ها، تولید داده‌های جدید و بسیاری از کاربردهای دیگر به کار روند.

تفاوت میان اتوانکدرهای متغیر و اتوانکدرهای سنتی

برای درک تفاوت میان اتوانکدرهای متغیر (VAEs) و اتوانکدرهای سنتی ابتدا باید به ماهیت هر دو سیستم نگاهی دقیق بیندازیم. اتوانکدرهای سنتی با هدف کاهش بعد و فشرده‌سازی داده‌ها طراحی می‌شوند و در آن‌ها تلاش می‌شود تا نمایشی فشرده از داده‌های ورودی به دست آید که قابل بازسازی است؛ اما آنچه اتوانکدرهای متغیر را متمایز می‌کند استفاده از اصول احتمالاتی و آماری برای مدل‌کردن فضای پنهان داده‌هاست.

این امر به VAEها اجازه می‌دهد تا نه‌تنها داده‌ها را فشرده‌سازی کنند، یک فرایند تولیدی را ازطریق مدل‌سازی توزیع‌های احتمالاتی فراهم آورند. این امر امکان تولید داده‌های جدید و نمونه‌های واقع‌گرایانه را فراهم می‌آورد؛ به‌علاوه، اتوانکدرهای متغیر در تشخیص نقص‌ها و نامنظمی‌های داده‌های ورودی بهبود می‌یابند و این امکان را می‌دهند که مدل‌ها داده‌های پیچیده‌تر و واقع‌بینانه‌تری را شناسایی و بازتولید کنند.

برای مثال، در حوزه پزشکی، یک اتوانکدر متغیر می‌تواند برای تولید تصاویر MRI مصنوعی استفاده شود که در آموزش پزشکان و متخصصان برای تشخیص بیماری‌ها مفید باشد. VAE از تصاویر MRI واقعی یاد می‌گیرد و تصاویر جدیدی را تولید می‌کند که ویژگی‌های اصلی تصویرهای واقعی را دارند، اما به‌گونه‌ای هستند که می‌توانند تنوع داده‌های موجود برای آموزش را افزایش دهند. در ادامه تفاوت‌های کلیدی این دو رمزگذار را بررسی می‌کنیم.

تفاوت معماری

اتوانکدرهای متغیر به‌طور معمول از شبکه‌های عصبی به‌عنوان بخش‌های رمزگذارو رمزگشای خود استفاده می‌کنند، بدون آنکه به‌طور مستقیم فضای پنهان را مدل‌سازی کنند؛ درمقابل، VAEها فضای پنهان را به‌صورت متغیرهای تصادفی مدل می‌کنند که این امکان را می‌دهد تا تولید داده‌های جدید و منحصربه‌فرد را از این فضای پنهان تسهیل کنند.

دقت بازسازی درمقابل تنوع

درحالی‌که اتوانکدرهای متغیر بر دقت بازسازی داده‌های ورودی تمرکز می‌کنند، توازنی میان دقت بازسازی و تنوع داده‌های تولیدی ایجاد می‌کنند. این امر، به‌ویژه، در تولید داده‌های جدید اهمیت پیدا می‌کند که باید متنوع ولی همچنان واقع‌گرایانه باشند.

برای آشنایی بیشتر با اتوانکدرها این مطلب را مطالعه کنید:

اتوانکدر چیست و در پردازش داده چه تحولی ایجاد کرده است؟ بررسی جامع، از استخراج ویژگی تا تشخیص ناهنجاری

پیاده‌سازی اتوانکدرهای متغیر یا Variational Auto Encoders در کراس

این VAE روی مجموعه داده MNIST که ارقام دست‌نویس را در بر می‌گیرد آموزش داده می‌شود. در ابتدا پارامترهای ابعاد لازم برای شبکه را تعریف می‌کنیم، ازجمله ابعاد داده ورودی، ابعاد لایه میانی و همین‌طور ابعاد فضای نهان. سپس معماری رمزگذارتعریف می‌شود. داده‌ها ابتدا ازطریق یک لایه میانی عبور می‌کنند و سپس به دو لایه تقسیم می‌شوند که میانگین و لگاریتم واریانس فضای نهان را تولید می‌کنند.

تابع sampling برای تولید نقاط در فضای نهان به کار می‌رود. نقاط تولیدی براساس میانگین و واریانس تعریف‌شده و یک متغیر تصادفی نرمال هستند. در ادامه مدل رمزگذار (Encoder) با استفاده از تابع نمونه‌برداری و لایه‌های تعریف‌شده ساخته می‌شود.

سپس معماری رمزگشا تعریف می‌شود که وظیفه بازسازی داده‌های ورودی از فضای نهان را دارد. مدل رمزگشا (Decoder) با استفاده از لایه‌های تعریف‌شده ساخته می‌شود؛ سپس مدل کلی VAE با ترکیب رمزگذار و رمزگشا تعریف می‌شود و مدل VAE روی داده‌های MNIST آموزش داده می‌شود.

داده‌ها نرمالیزه و به‌شکل مناسبی برای آموزش تنظیم می‌شوند. این کد یک نمونه پایه از چگونگی پیاده‌سازی یک اتوانکدر متغیر را ارائه می‌کند که قابل‌اجرا در محیط‌های دارای TensorFlow است. پس از آموزش می‌توان از مدل‌های رمزگذار و رمزگشا برای بررسی فضای نهان و تولید تصویرهای جدید استفاده کرد.

نحوه خروجی‌گرفتن از این اتوانکدر و نتیجه آن در ادامه آمده است.

سطر اول داده‌های تست و سطر دوم عکس‌های تولیدی مدل آموزش‌داده‌شده ما را نشان می‌دهد.

چرا اتوانکدرهای متغیر مهم هستند؟

این پرسشی است که بسیاری از متخصصان و علاقه‌مندان به حوزه‌ یادگیری ماشین با آن روبه‌رو هستند. اتوانکدرهای متغیر یا Variational Auto Encoders نه‌تنها به‌عنوان یک ابزار در فهم داده‌ها کاربرد دارند، در ارتقای دقت و کارایی مدل‌های پیش‌بینی نیز نقش بسزایی دارند. آن‌ها به توسعه‌دهندگان این امکان را می‌دهند که داده‌های کمتری داشته باشند و باز هم الگوهای معنادار و کاربردی را شناسایی کنند؛ علاوه‌براین کاربرد اتوانکدرها در تولید داده‌های مصنوعی، ازجمله تصاویر و متن‌ها، افق‌های جدیدی را دربرابر محققان و صنایع مختلف گشوده است. اتوانکدرهای متغیر (Variational Autoencoders یا VAEها) به‌دلایل گوناگونی در حوزه یادگیری ماشین اهمیت زیادی دارند. در این بخش، برخی از مهم‌ترین جنبه‌هایی را بررسی می‌کنیم که اتوانکدرهای متغیر را مهم می‌کنند:

مدل‌سازی احتمالاتی

یکی از ویژگی‌های کلیدی VAEها استفاده از رویکرد احتمالاتی در مدل‌سازی داده‌هاست. این امر به آن‌ها اجازه می‌دهد که نبود قطعیت‌ها و تنوع‌های موجود در داده‌های واقعی را در نظر بگیرند و مدل‌هایی تولید کنند که توانایی کلی عمومی‌سازی بهتری دارند.

تولید داده

اتوانکدرهای متغیر می‌توانند داده‌های جدید را تولید کنند که با داده‌های واقعی از نظر آماری هم‌خوانی دارند. این ویژگی در کاربردهایی مانند تولید داده‌های مصنوعی، افزایش داده و آموزش نیمه‌نظارتی بسیار مفید است.

فهم و تفسیرپذیری فضای ویژگی

فضای نهان در VAEها به‌گونه‌ای ساخته می‌شود که تفسیرپذیری بالایی دارد. این امر به تحلیلگران کمک می‌کند تا درک بهتری از چگونگی نمایش داده‌ها و تعامل ویژگی‌های مختلف با یکدیگر داشته باشند.

کاربرد در یادگیری بدون نظارت و نیمه‌نظارتی

VAEها قادرند اطلاعات مفیدی را از داده‌های بدون برچسب استخراج کنند که این امر آن‌ها را برای یادگیری بدون نظارت و نیمه‌نظارتی ایده‌آل می‌کند.

قابلیت انعطاف‌پذیری و توسعه‌پذیری

معماری VAEها اجازه می‌دهد تا با اعمال تغییرات و بهینه‌سازی‌ها در لایه‌های مختلف، به‌راحتی برای حل مسائل متنوع تطبیق داده شوند.

پیشرفت‌ها در حوزه‌های مختلف

اتوانکدرهای متغیر در حوزه‌های متعددی ازجمله پزشکی، تقویتی، تولید محتوا و گرافیک کامپیوتری کاربردهای چشمگیری دارند و به پیشرفت تحقیقات و توسعه کاربردی در این زمینه‌ها کمک می‌کنند.

نتیجه‌گیری

درنهایت، اتوانکدرهای متغیر یا Variational Auto Encoders به‌عنوان یکی از قابلیت‌های برجسته و نوین در حوزه یادگیری ماشین، تأثیرات گسترده‌ای را در فهم و کار با داده‌های پیچیده ایجاد کرده‌اند. این فناوری که در ابتدا برای فشرده‌سازی و بازسازی داده‌ها طراحی شد اکنون به ابزاری قدرتمند برای تولید داده‌های جدید، درک بهتر فضای ویژگی‌ها و همین‌طور پیشبرد تحقیقات در زمینه‌های مختلف تبدیل شده است.

با استفاده از اصول آماری و احتمالاتی، VAEها قادرند تا نبود قطعیت‌ها و تنوع‌های موجود در داده‌ها را درک و مدل‌سازی کنند. این امکان، به‌همراه توانایی آن‌ها در تولید داده‌های جدید و واقع‌گرایانه، افق‌های جدیدی را برای پیشرفت در زمینه‌هایی مانند پزشکی، هنر، و علوم اجتماعی گشوده است.

فضای نهان ایجادشده با اتوانکدرهای متغیر که از قابلیت تفسیرپذیری بالایی برخوردار است به محققان این امکان را می‌دهد تا بینش‌های گران‌بهایی را از داده‌های پیچیده استخراج کنند. این نکته، به‌ویژه در زمینه‌هایی که داده‌ها ساختار پیچیده‌ای دارند، اهمیت مضاعفی می‌یابد.

به‌طور خلاصه، VAEها نه‌تنها به‌عنوان یک ابزار فنی در یادگیری ماشین، به‌عنوان پلی میان داده‌های خام و درک انسانی عمل می‌کنند و درنتیجه، نقش حیاتی در پیشبرد فرامرزهای دانش و فناوری دارند.

پرسش‌های متداول

اتوانکدر متغیر (VAE) چیست؟

اتوانکدر متغیر یک مدل یادگیری عمیق است که از رویکردهای احتمالاتی برای فشرده‌سازی و بازسازی داده‌ها بهره می‌برد. این مدل به تجزیه‌وتحلیل داده‌های پیچیده کمک می‌کند و قابلیت تولید داده‌های جدید را دارد. VAEها از دو بخش اصلی، رمزنگار (Encoder) و رمزگشا (Decoder) تشکیل شده‌اند و در فضای نهان کار می‌کنند.

چرا اتوانکدرهای متغیر مهم هستند؟

اتوانکدرهای متغیر به‌دلیل توانایی‌های قدرتمندشان در مدل‌سازی احتمالاتی، تولید داده‌های جدید، فهم فضای ویژگی‌ها و اجرای یادگیری بدون نظارت، اهمیت زیادی دارند. آن‌ها در زمینه‌های مختلفی مانند پزشکی، هنر و علم داده کاربرد دارند و به پیشرفت تحقیقات کمک می‌کنند.

تفاوت اصلی میان اتوانکدرهای متغیر و اتوانکدرهای سنتی چیست؟

تفاوت اصلی در نحوه مدل‌سازی فضای نهان است. VAEها از مدل‌سازی احتمالاتی برای فضای نهان استفاده می‌کنند که به آن‌ها امکان تولید داده‌های جدید را می‌دهد؛ درمقابل، اتوانکدرهای سنتی صرفاً برای کاهش بعد داده‌ها و بازسازی آن‌ها طراحی شده‌اند.

چگونه می‌توان یک اتوانکدر متغیر را آموزش داد؟

آموزش یک VAE شامل تغذیه داده‌های ورودی به رمزگذار، استخراج میانگین و واریانس لگاریتمی از فضای نهان، نمونه‌برداری از این فضا و استفاده از رمزگشا برای بازسازی داده‌ها است. فرایند آموزش بهینه‌سازی تابع هزینه کلی را شامل است که معمولاً ترکیبی از خطای بازسازی و خطای Kullback-Leibler است.

چه کاربردهایی برای اتوانکدرهای متغیر وجود دارد؟

VAEها کاربردهای متنوعی دارند، ازجمله تولید داده‌های مصنوعی، بهبود مدل‌های یادگیری نیمه‌نظارتی، فهم و تصویرسازی فضای ویژگی‌ها و همین‌طور تحقیقات در زمینه‌های نوین مانند بیوانفورماتیک و تحلیل متن؛ همچنین آن‌ها در صنایع خلاق مانند طراحی گرافیک و موسیقی کاربرد دارند.

یادگیری ماشین لرنینگ را از امروز شروع کنید!

دنیای داده‌ها جذاب است و دانستن علم داده، توانایی تحلیل داده‌ یا بازاریابی مبتنی بر داده شما را برای فرصت‌های شغلی بسیاری مناسب می‌کند. فارغ از رشته‌ و پیش‌زمینه‌ تحصیلی و شغلی‌تان، می‌توانید یادگیری این دانش را از امروز شروع کنید و آن را از سطح مقدماتی تا پیشرفته بیاموزید. اگر دوست دارید به این حوزه وارد شوید، پیشنهاد می‌کنیم با کلیک روی این لینک قدم اول را همین حالا بردارید.

مشاوران کافه‌تدریس به شما کمک می‌کنند مسیر یادگیری برای ورود به این حوزه را شروع کنید:

دوره جامع دیتا ساینس و ماشین لرنینگ