pytorch实现变分自动编码器

以下是使用PyTorch实现变分自动编码器的步骤：

1.导入所需的库和模块，包括torch、torch.nn、torch.nn.functional、torchvision等。

2.定义设备配置，判断是否有可用的GPU，如果有则使用GPU，否则使用CPU。

3.定义变分自动编码器的编码器和解码器。编码器由两个全连接层和一个输出层组成，解码器由一个全连接层和一个输出层组成。

4.定义变分自动编码器的前向传播函数forward()，其中包括编码器和解码器的前向传播过程。

5.定义变分自动编码器的损失函数，包括重构误差和KL散度。

6.定义优化器，使用Adam优化器。

7.训练模型，包括前向传播、计算损失、反向传播和优化器更新参数。

8.保存模型和生成样本图片。

下面是完整的代码实现：

import os
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torchvision
from torchvision import transforms
from torchvision.utils import save_image
import matplotlib.pyplot as plt

# 设备配置
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

# 定义变分自动编码器的编码器和解码器
class VAE(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(VAE, self).__init__()

        self.fc1 = nn.Linear(784, 400)
        self.fc21 = nn.Linear(400, 20)
        self.fc22 = nn.Linear(400, 20)
        self.fc3 = nn.Linear(20, 400)
        self.fc4 = nn.Linear(400, 784)

    def encode(self, x):
        h1 = F.relu(self.fc1(x))
        return self.fc21(h1), self.fc22(h1)

    def reparameterize(self, mu, logvar):
        std = torch.exp(0.5*logvar)
        eps = torch.randn_like(std)
        return mu + eps*std

    def decode(self, z):
        h3 = F.relu(self.fc3(z))
        return torch.sigmoid(self.fc4(h3))

    def forward(self, x):
        mu, logvar = self.encode(x.view(-1, 784))
        z = self.reparameterize(mu, logvar)
        return self.decode(z), mu, logvar

# 定义变分自动编码器的损失函数
def loss_function(recon_x, x, mu, logvar):
    BCE = F.binary_cross_entropy(recon_x, x.view(-1, 784), reduction='sum')
    KLD = -0.5 * torch.sum(1 + logvar - mu.pow(2) - logvar.exp())
    return BCE + KLD

# 定义优化器
vae = VAE().to(device)
optimizer = torch.optim.Adam(vae.parameters(), lr=1e-3)

# 训练模型
def train(epoch):
    vae.train()
    train_loss = 0
    for batch_idx, (data, _) in enumerate(train_loader):
        data = data.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        recon_batch, mu, logvar = vae(data)
        loss = loss_function(recon_batch, data, mu, logvar)
        loss.backward()
        train_loss += loss.item()
        optimizer.step()
        if batch_idx % 100 == 0:
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
                100. * batch_idx / len(train_loader),
                loss.item() / len(data)))

    print('====> Epoch: {} Average loss: {:.4f}'.format(
          epoch, train_loss / len(train_loader.dataset)))

# 保存模型和生成样本图片
if not os.path.exists('./vae_samples'):
    os.mkdir('./vae_samples')

def save_samples(epoch):
    with torch.no_grad():
        sample = torch.randn(64, 20).to(device)
        sample = vae.decode(sample).cpu()
        save_image(sample.view(64, 1, 28, 28), './vae_samples/sample_' + str(epoch) + '.png')

# 加载MNIST数据集
batch_size = 128
transform = transforms.Compose([
                transforms.ToTensor(),
                transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
            ])
train_dataset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True, transform=transform, download=True)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)

# 训练模型并保存样本图片
for epoch in range(1, 21):
    train(epoch)
    save_samples(epoch)