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Conditional Variational Autoencoder(CVAE)

Conditional Variational Autoencoder(CVAE)[^1]是Variational Autoencoder(VAE)[^2]的扩展，在VAE中没有办法对生成的数据加以限制，所以如果在VAE中想生成特定的数据是办不到的。比如在mnist手写数字中，我们想生成特定的数字2，VAE就无能为力了。 因此，CVAE通过对潜层变量和输入数据施加约束，可以生成在某种约束条件下的数据。

在VAE中目标函数如下所示：

这个目标函数（主要考虑变分下界）要使输入数据经过编码后的潜层变量的分布尽量服从某种先验分布P(Z),并且最小化重建损失。在这个模型中，编码器直接基于输入X来建模潜层变量z，而不考虑潜层输入X的类型（标签），解码器直接基于潜层变量z来重建X，假设得到X1，并没有将要获得那种类型的X1考虑在内。

对VAE进行改进使其可以基于某种约束来生成对应的样本。以mnist手写数字为例，将数字的标签y考虑在内，即编码器为Q(z|X, y), 解码器为P(X|z, y)。上述模型可以写成下面的形式

潜层变量z的分布变成了条件概率分布P(z|X,y), 对解码器来说生成的样本也变成了条件概率分布Q(X|z, y)。

CVAE的实现

本例使用mnist数据集，在VAE的基础上将标签y进行one-hot编码，之后和数据样本进行连接作为输入，在解码时，将潜层变量z和标签y的one-hot编码进行连接，以这种方式实现上述的条件概率分布。

实验结果

• 随机采样不同标签，模型在不同的训练阶段生成的结果如下：

• 模型在训练过程中对输入样本重建的结果

[^1]: Sohn, Kihyuk, Honglak Lee, and Xinchen Yan. “Learning Structured Output Representation using Deep Conditional Generative Models.” Advances in Neural Information Processing Systems. 2015.

[^2]: Kingma, Diederik P., and Max Welling. "Auto-encoding variational bayes." arXiv preprint arXiv:1312.6114 (2013).