在这项工作中，我们为生成自动编码器的变异培训提供了确切的可能性替代方法。我们表明，可以使用可逆层来构建VAE风格的自动编码器，该层提供了可拖动的精确可能性，而无需任何正则化项。这是在选择编码器，解码器和先前体系结构的全部自由的同时实现的，这使我们的方法成为培训现有VAE和VAE风格模型的替换。我们将结果模型称为流中的自动编码器（AEF），因为编码器，解码器和先验被定义为整体可逆体系结构的单个层。我们表明，在对数可能，样本质量和降低性能的方面，该方法的性能比结构上等效的VAE高得多。从广义上讲，这项工作的主要野心是在共同的可逆性和确切的最大可能性的共同框架下缩小正常化流量和自动编码器文献之间的差距。

主体组件分析（PCA）在给定固定组件维度的一类线性模型的情况下，将重建误差最小化。概率PCA通过学习PCA潜在空间权重的概率分布，从而创建生成模型，从而添加了概率结构。自动编码器（AE）最小化固定潜在空间维度的一类非线性模型中的重建误差，在固定维度处胜过PCA。在这里，我们介绍了概率自动编码器（PAE），该自动编码器（PAE）使用归一化流量（NF）了解了AE潜在空间权重的概率分布。 PAE快速且易于训练，并在下游任务中遇到小的重建错误，样本质量高以及良好的性能。我们将PAE与差异AE（VAE）进行比较，表明PAE训练更快，达到较低的重建误差，并产生良好的样品质量，而无需特殊的调整参数或培训程序。我们进一步证明，PAE是在贝叶斯推理的背景下，用于涂抹和降解应用程序的贝叶斯推断，可以执行概率图像重建的下游任务的强大模型。最后，我们将NF的潜在空间密度确定为有希望的离群检测度量。

近年来，由于其对复杂分布进行建模的能力，深层生成模型引起了越来越多的兴趣。在这些模型中，变异自动编码器已被证明是计算有效的，并且在多个领域中产生了令人印象深刻的结果。在这一突破之后，为了改善原始出版物而进行了广泛的研究，从而导致各种不同的VAE模型响应不同的任务。在本文中，我们介绍了Pythae，这是一个多功能的开源Python库，既可以提供统一的实现和专用框架，允许直接，可重现且可靠地使用生成自动编码器模型。然后，我们建议使用此库来执行案例研究基准测试标准，在其中我们介绍并比较了19个生成自动编码器模型，代表了下游任务的一些主要改进，例如图像重建，生成，分类，聚类，聚类和插值。可以在https://github.com/clementchadebec/benchmark_vae上找到开源库。

高维数据的歧管假设假设数据是通过改变从低维潜在空间获得的一组参数而生成的。深层生成模型（DGM）被广泛用于以无监督的方式学习数据表示。 DGM使用瓶颈体系结构（例如变异自动编码器（VAE））参数化数据空间中的基础低维歧管。 VAE的瓶颈尺寸被视为取决于数据集的超参数，并在广泛调整后在设计时间固定。由于大多数实际数据集的内在维度尚不清楚，因此固有维度与选择为超参数的潜在维度之间存在不匹配。这种不匹配可能会对表示形式学习和样本生成任务的模型性能产生负面影响。本文提出了相关性编码网络（RENS）：一种新型的基于VAE的概率VAE框架，该框架在潜在空间中使用自动相关性确定（ARD）来学习数据特定的瓶颈维度。每个潜在维度的相关性是直接从数据以及使用随机梯度下降的其他模型参数以及适合非高斯先验的重新聚集技巧的其他模型参数中学到的。我们利用深处的概念来捕获数据和潜在空间中的置换统计属性，以确定相关性。所提出的框架是一般且灵活的，可用于最先进的VAE模型，该模型利用正规化器在潜在空间中施加特定特征（例如，脱离）。通过对合成和公共图像数据集进行了广泛的实验，我们表明，所提出的模型了解了相关的潜在瓶颈维度，而不会损害样品的表示和发电质量。

The framework of normalizing flows provides a general strategy for flexible variational inference of posteriors over latent variables. We propose a new type of normalizing flow, inverse autoregressive flow (IAF), that, in contrast to earlier published flows, scales well to high-dimensional latent spaces. The proposed flow consists of a chain of invertible transformations, where each transformation is based on an autoregressive neural network. In experiments, we show that IAF significantly improves upon diagonal Gaussian approximate posteriors. In addition, we demonstrate that a novel type of variational autoencoder, coupled with IAF, is competitive with neural autoregressive models in terms of attained log-likelihood on natural images, while allowing significantly faster synthesis.

基于似然或显式的深层生成模型使用神经网络来构建灵活的高维密度。该公式直接与歧管假设相矛盾，该假设指出，观察到的数据位于嵌入高维环境空间中的低维歧管上。在本文中，我们研究了在这种维度不匹配的情况下，最大可能的训练的病理。我们正式证明，在学习歧管本身而不是分布的情况下，可以实现堕落的优点，而我们称之为多种歧视的现象过于拟合。我们提出了一类两步程序，该过程包括降低降低步骤，然后进行最大样子密度估计，并证明它们在非参数方面恢复了数据生成分布，从而避免了多种歧视。我们还表明，这些过程能够对隐式模型（例如生成对抗网络）学到的流形进行密度估计，从而解决了这些模型的主要缺点。最近提出的几种方法是我们两步程序的实例。因此，我们统一，扩展和理论上证明了一大批模型。

神经网络在许多科学学科中发挥着越来越大的作用，包括物理学。变形AutoEncoders（VAE）是能够表示在低维潜空间中的高维数据的基本信息，该神经网络具有概率解释。特别是所谓的编码器网络，VAE的第一部分，其将其输入到潜伏空间中的位置，另外在该位置的方差方面提供不确定性信息。在这项工作中，介绍了对AutoEncoder架构的扩展，渔民。在该架构中，借助于Fisher信息度量，不使用编码器中的附加信息信道生成潜在空间不确定性，而是从解码器导出。这种架构具有来自理论观点的优点，因为它提供了从模型的直接不确定性量化，并且还考虑不确定的交叉相关。我们可以通过实验表明，渔民生产比可比较的VAE更准确的数据重建，并且其学习性能也明显较好地缩放了潜伏空间尺寸的数量。

基于分数的生成模型（SGMS）最近在样品质量和分配覆盖范围内表现出令人印象深刻的结果。但是，它们通常直接应用于数据空间，并且通常需要数千个网络评估来采样。在这里，我们提出了基于潜在的分数的生成模型（LSGM），这是一种在潜在空间中培训SGM的新方法，依赖于变分性AutoEncoder框架。从数据移动到潜伏空间允许我们培训更具表现力的生成模型，将SGMS应用于非连续数据，并在较小的空间中学习更顺畅的SGM，导致更少的网络评估和更快的采样。要以可扩展且稳定的方式启用培训LSGMS端到端，我们（i）我们（i）引入了适合于LSGM设置的新分数匹配目标，（ii）提出了一个新颖的分数函数参数化，允许SGM专注于关于简单正常的目标分布的不匹配，（III）分析了多种技术，用于减少训练目标的方差。 LSGM在CIFAR-10上获得最先进的FID分数为2.10，优先表现出此数据集的所有现有生成结果。在Celeba-HQ-256上，LSGM在样品质量上与先前的SGMS相同，同时以两个数量级的采样时间表现出来。在模拟二进制图像中，LSGM在二值化omniglot数据集上实现了最先进的可能性。我们的项目页面和代码可以在https://nvlabs.github.io/lsgm找到。

概率分布允许从业者发现数据中的隐藏结构，并构建模型，以使用有限的数据解决监督的学习问题。该报告的重点是变异自动编码器，这是一种学习大型复杂数据集概率分布的方法。该报告提供了对变异自动编码器的理论理解，并巩固了该领域的当前研究。该报告分为多个章节，第一章介绍了问题，描述了变异自动编码器并标识了该领域的关键研究方向。第2、3、4和5章深入研究了每个关键研究领域的细节。第6章总结了报告，并提出了未来工作的指示。具有机器学习基本思想但想了解机器学习研究中的一般主题的读者可以从报告中受益。该报告解释了有关学习概率分布的中心思想，人们为使这种危险做些什么，并介绍了有关当前如何应用深度学习的细节。该报告还为希望为这个子场做出贡献的人提供了温和的介绍。

矢量量化变量自动编码器（VQ-VAE）是基于数据的离散潜在表示的生成模型，其中输入映射到有限的学习嵌入式集合。要生成新样品，必须对离散状态进行自动介绍的先验分布。分别地。这一先验通常非常复杂，并导致生成缓慢。在这项工作中，我们提出了一个新模型，以同时训练先验和编码器/解码器网络。我们在连续编码的向量和非信息性先验分布之间建立扩散桥。然后将潜在离散状态作为这些连续向量的随机函数。我们表明，我们的模型与迷你imagenet和Cifar数据集的自动回归先验具有竞争力，并且在优化和采样方面都有效。我们的框架还扩展了标准VQ-VAE，并可以启用端到端培训。

标准化流是生成模型，其通过从简单的基本分布到复杂的目标分布的可逆性转换提供易于变换的工艺模型。然而，该技术不能直接模拟支持未知的低维歧管的数据，在诸如图像数据之类的现实世界域中的公共发生。最近的补救措施的尝试引入了击败归一化流量的中央好处的几何并发症：精确密度估计。我们通过保形嵌入流量来恢复这种福利，这是一种设计流动与贸易密度的流动的流动的框架。我们争辩说，使用培训保育嵌入的标准流量是模型支持数据的最自然的方式。为此，我们提出了一系列保形构建块，并在具有合成和实际数据的实验中应用它们，以证明流动可以在不牺牲贸易可能性的情况下模拟歧管支持的分布。

归一化流量是漫射的，通常是维持尺寸保存，使用模型的可能性训练的模型。我们使用Surve Framework通过新的层构建尺寸减少调节流量，称为漏斗。我们展示了对各种数据集的功效，并表明它改善或匹配现有流量的性能，同时具有降低的潜在空间尺寸。漏斗层可以由各种变换构成，包括限制卷积和馈送前部。

本文通过采取完全几何学的角度引入了对变异自动编码器框架的新解释。我们认为，香草vae自然而然地揭示了其潜在空间中的riemannian结构，并且考虑到这些几何方面可以导致更好的插值和改进的生成程序。这种新提出的采样方法包括从统一分布中的采样组成，该分布本质地从学到的利曼式潜在空间中得出，我们表明，使用此方案可以使香草VAE竞争性且比几个基准数据集中更先进的版本更好。由于已知生成模型对训练样品的数量很敏感，因此我们还强调了该方法在低数据状态下的鲁棒性。

归一化的流提供了一种优雅的生成建模方法，可以有效地采样和确切的数据分布的密度评估。但是，当在低维歧管上支持数据分布或具有非平凡的拓扑结构时，当前技术的表现性有显着局限性。我们介绍了一个新的统计框架，用于学习局部正常流的混合物作为数据歧管上的“图表图”。我们的框架增强了最近方法的表现力，同时保留了标准化流的签名特性，他们承认了精确的密度评估。我们通过量化自动编码器（VQ-AE）学习了数据歧管图表的合适地图集，并使用条件流量学习了它们的分布。我们通过实验验证我们的概率框架可以使现有方法更好地模拟数据分布，而不是复杂的歧管。

变异推理（VI）的核心原理是将计算复杂后概率密度计算的统计推断问题转换为可拖动的优化问题。该属性使VI比几种基于采样的技术更快。但是，传统的VI算法无法扩展到大型数据集，并且无法轻易推断出越野数据点，而无需重新运行优化过程。该领域的最新发展，例如随机，黑框和摊销VI，已帮助解决了这些问题。如今，生成的建模任务广泛利用摊销VI来实现其效率和可扩展性，因为它利用参数化函数来学习近似的后验密度参数。在本文中，我们回顾了各种VI技术的数学基础，以构成理解摊销VI的基础。此外，我们还概述了最近解决摊销VI问题的趋势，例如摊销差距，泛化问题，不一致的表示学习和后验崩溃。最后，我们分析了改善VI优化的替代差异度量。

Normalizing flows, autoregressive models, variational autoencoders (VAEs), and deep energy-based models are among competing likelihood-based frameworks for deep generative learning. Among them, VAEs have the advantage of fast and tractable sampling and easy-to-access encoding networks. However, they are currently outperformed by other models such as normalizing flows and autoregressive models. While the majority of the research in VAEs is focused on the statistical challenges, we explore the orthogonal direction of carefully designing neural architectures for hierarchical VAEs. We propose Nouveau VAE (NVAE), a deep hierarchical VAE built for image generation using depth-wise separable convolutions and batch normalization. NVAE is equipped with a residual parameterization of Normal distributions and its training is stabilized by spectral regularization. We show that NVAE achieves state-of-the-art results among non-autoregressive likelihood-based models on the MNIST, CIFAR-10, CelebA 64, and CelebA HQ datasets and it provides a strong baseline on FFHQ. For example, on CIFAR-10, NVAE pushes the state-of-the-art from 2.98 to 2.91 bits per dimension, and it produces high-quality images on CelebA HQ as shown in Fig. 1. To the best of our knowledge, NVAE is the first successful VAE applied to natural images as large as 256×256 pixels. The source code is available at https://github.com/NVlabs/NVAE.34th Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2020),

基于能量的模型（EBMS）最近成功地代表了少量图像的复杂分布。然而，对它们的抽样需要昂贵的马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）迭代在高维像素空间中缓慢混合。与EBMS不同，变形AutoEncoders（VAES）快速生成样本，并配备潜在的空间，使得数据歧管的快速遍历。然而，VAE倾向于将高概率密度分配到实际数据分布之外的数据空间中的区域，并且经常在产生清晰图像时失败。在本文中，我们提出了VAE的一个共生组成和ebm的vaebm，提供了两个世界的eBM。 VAEBM使用最先进的VAE捕获数据分布的整体模式结构，它依赖于其EBM组件，以明确地从模型中排除非数据样区域并优化图像样本。此外，VAEBM中的VAE组件允许我们通过在VAE的潜空间中重新处理它们来加速MCMC更新。我们的实验结果表明，VAEBM在几个基准图像数据集上以大量边距开辟了最先进的VAES和EBMS。它可以产生高于256 $ \倍的高质量图像，使用短MCMC链。我们还证明了VAEBM提供了完整的模式覆盖范围，并在分配外检测中表现良好。源代码可在https://github.com/nvlabs/vaebm上获得

A normalizing flow models a complex probability density as an invertible transformation of a simple base density. Flows based on either coupling or autoregressive transforms both offer exact density evaluation and sampling, but rely on the parameterization of an easily invertible elementwise transformation, whose choice determines the flexibility of these models. Building upon recent work, we propose a fully-differentiable module based on monotonic rational-quadratic splines, which enhances the flexibility of both coupling and autoregressive transforms while retaining analytic invertibility. We demonstrate that neural spline flows improve density estimation, variational inference, and generative modeling of images.

变异自动编码器（VAE）是最常用的无监督机器学习模型之一。但是，尽管对先前和后验的高斯分布的默认选择通常代表了数学方便的分布通常会导致竞争结果，但我们表明该参数化无法用潜在的超球体结构对数据进行建模。为了解决这个问题，我们建议使用von Mises-fisher（VMF）分布，从而导致超级潜在空间。通过一系列实验，我们展示了这种超球vae或$ \ mathcal {s} $ - vae如何更适合于用超球形结构捕获数据，同时胜过正常的，$ \ mathcal {n} $ - vae-，在其他数据类型的低维度中。http://github.com/nicola-decao/s-vae-tf和https://github.com/nicola-decao/nicola-decao/s-vae-pytorch

在没有监督信号的情况下学习简洁的数据表示是机器学习的基本挑战。实现此目标的一种突出方法是基于可能性的模型，例如变异自动编码器（VAE），以基于元元素来学习潜在表示，这是对下游任务有益的一般前提（例如，disentanglement）。但是，这种方法通常偏离原始的可能性体系结构，以应用引入的元优势，从而导致他们的培训不良变化。在本文中，我们提出了一种新颖的表示学习方法，Gromov-Wasserstein自动编码器（GWAE），该方法与潜在和数据分布直接匹配。 GWAE模型不是基于可能性的目标，而是通过最小化Gromov-Wasserstein（GW）度量的训练优化。 GW度量测量了在无与伦比的空间上支持的分布之间的面向结构的差异，例如具有不同的维度。通过限制可训练的先验的家庭，我们可以介绍元主题来控制下游任务的潜在表示。与现有基于VAE的方法的经验比较表明，GWAE模型可以通过更改先前的家族而无需进一步修改GW目标来基于元家庭学习表示。