Variational autoencoders (VAEs) are powerful tools for learning latent representations of data used in a wide range of applications. In practice, VAEs usually require multiple training rounds to choose the amount of information the latent variable should retain. This trade-off between the reconstruction error (distortion) and the KL divergence (rate) is typically parameterized by a hyperparameter $\beta$. In this paper, we introduce Multi-Rate VAE (MR-VAE), a computationally efficient framework for learning optimal parameters corresponding to various $\beta$ in a single training run. The key idea is to explicitly formulate a response function that maps $\beta$ to the optimal parameters using hypernetworks. MR-VAEs construct a compact response hypernetwork where the pre-activations are conditionally gated based on $\beta$. We justify the proposed architecture by analyzing linear VAEs and showing that it can represent response functions exactly for linear VAEs. With the learned hypernetwork, MR-VAEs can construct the rate-distortion curve without additional training and can be deployed with significantly less hyperparameter tuning. Empirically, our approach is competitive and often exceeds the performance of multiple $\beta$-VAEs training with minimal computation and memory overheads.

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。

一个著名的矢量定量变分自动编码器（VQ-VAE）的问题是，学识渊博的离散表示形式仅使用代码书的全部容量的一小部分，也称为代码书崩溃。我们假设VQ-VAE的培训计划涉及一些精心设计的启发式方法，这是这个问题的基础。在本文中，我们提出了一种新的训练方案，该方案通过新颖的随机去量化和量化扩展标准VAE，称为随机量化变异自动编码器（SQ-VAE）。在SQ-VAE中，我们观察到一种趋势，即在训练的初始阶段进行量化是随机的，但逐渐收敛于确定性量化，我们称之为自宣传。我们的实验表明，SQ-VAE在不使用常见启发式方法的情况下改善了代码书的利用率。此外，我们从经验上表明，在视觉和语音相关的任务中，SQ-VAE优于VAE和VQ-VAE。

Disentangement是代表学习的有用财产，其提高了种子自动编码器（VAE），生成对抗模型等变形式自动编码器（VAE），生成的对抗模型及其许多变体的可解释性。通常在这种模型中，脱离性能的增加是具有发电质量的交易。在潜空间模型的背景下，这项工作提出了一种表示学习框架，通过鼓励正交的变化方向明确地促进解剖。所提出的目标是自动编码器错误项的总和以及特征空间中的主成分分析重建错误。这具有对具有在Stiefel歧管上的特征向量矩阵的限制内核机器的解释。我们的分析表明，这种结构通过将潜在空间中的主路线与数据空间的正交变化的方向匹配来促进解剖。在交替的最小化方案中，我们使用Cayley ADAM算法 - Stiefel歧管的随机优化方法以及ADAM优化器。我们的理论讨论和各种实验表明，拟议的模型在代质量和解除戒备的代表学习方面提高了许多VAE变体。

变异自动编码器（VAE）遭受后塌陷的苦难，其中用于建模和推理的强大神经网络在没有有意义使用潜在表示的情况下优化了目标。我们引入了推理评论家，通过需要潜在变量和观测值之间的对应关系来检测和激励后塌陷。通过将批评家的目标与自我监督的对比表示学习中的文献联系起来，我们从理论和经验上展示了优化推论批评家在观察和潜伏期之间增加相互信息，从而减轻后验崩溃。这种方法可以直接实施，并且需要比以前的方法要少得多的培训时间，但在三个已建立的数据集中获得了竞争结果。总体而言，该方法奠定了基础，以弥合先前与各种自动编码器的对比度学习和概率建模的框架，从而强调了两个社区在其交叉点上可能会发现的好处。

最近的研究表明，先进的前锋在深度生成模型中发挥着重要作用。作为基于示例的基于示例的VAE的变体，示例性VAE已经实现了令人印象深刻的结果。然而，由于模型设计的性质，基于示例的模型通常需要大量的数据来参与训练，这导致巨大的计算复杂性。为了解决这个问题，我们提出了贝叶斯伪移动的样份vae（bype-vae），一种基于Bayesian伪动脉的先前vae的新变种。该提出的先后在小规模的伪电阻上而不是整个数据集进行调节，以降低计算成本并避免过度拟合。同时，在VAE训练期间，通过随机优化算法获得最佳伪验证，旨在最大限度地基于伪移动的基于伪组件的Kullback-Leibler发散，并且基于整个数据集。实验结果表明，Bype-VAE可以在密度估计，代表学习和生成数据增强的任务中实现最先进的VAES对最先进的VAES的竞争改进。特别是，在基本的VAE架构上，Bype-VAE比示例性VAE快3倍，同时几乎保持性能。代码可用于\ url {https:/github.com/aiqz/bype-vae}。

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。

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。

变异自动编码器（VAE）学习脱离表示表示的能力使它们在实际应用中很受欢迎。但是，他们的行为尚未完全理解。例如，何时提供分离的表示形式或后倒塌的问题仍然是积极研究的领域。尽管如此，尚无对VAE学到的表示形式进行层次比较，这将进一步了解这些模型。在本文中，我们使用代表性相似性技术研究VAE的内部行为。具体而言，使用CKA和Procrustes相似性，我们发现编码器的表示早在解码器之前就学会了，并且此行为独立于超参数，学习目标和数据集。此外，在超参数和学习目标之间，编码器的表示形式与均值和方差相似。

马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC），例如langevin Dynamics，有效地近似顽固的分布。但是，由于昂贵的数据采样迭代和缓慢的收敛性，它的用法在深层可变模型的背景下受到限制。本文提出了摊销的langevin Dynamics（ALD），其中数据划分的MCMC迭代完全被编码器的更新替换为将观测值映射到潜在变量中。这种摊销可实现有效的后验采样，而无需数据迭代。尽管具有效率，但我们证明ALD是MCMC算法有效的，其马尔可夫链在轻度假设下将目标后部作为固定分布。基于ALD，我们还提出了一个名为Langevin AutoCodeer（LAE）的新的深层变量模型。有趣的是，可以通过稍微修改传统自动编码器来实现LAE。使用多个合成数据集，我们首先验证ALD可以从目标后代正确获取样品。我们还在图像生成任务上评估了LAE，并证明我们的LAE可以根据变异推断（例如变异自动编码器）和其他基于MCMC的方法在测试可能性方面胜过现有的方法。

We define and address the problem of unsupervised learning of disentangled representations on data generated from independent factors of variation. We propose FactorVAE, a method that disentangles by encouraging the distribution of representations to be factorial and hence independent across the dimensions. We show that it improves upon β-VAE by providing a better trade-off between disentanglement and reconstruction quality. Moreover, we highlight the problems of a commonly used disentanglement metric and introduce a new metric that does not suffer from them.

原则上，将变异自动编码器（VAE）应用于顺序数据提供了一种用于控制序列生成，操纵和结构化表示学习的方法。但是，训练序列VAE具有挑战性：自回归解码器通常可以解释数据而无需使用潜在空间，即后置倒塌。为了减轻这种情况，最新的模型通过将均匀的随机辍学量应用于解码器输入来削弱强大的解码器。从理论上讲，我们表明，这可以消除解码器输入提供的点式互信息，该信息通过利用潜在空间来补偿。然后，我们提出了一种对抗性训练策略，以实现基于信息的随机辍学。与标准文本基准数据集上的均匀辍学相比，我们的目标方法同时提高了序列建模性能和潜在空间中捕获的信息。

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。

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。

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),

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。

速率 - 失真（R-D）函数，信息理论中的关键数量，其特征在于，通过任何压缩算法，通过任何压缩算法将数据源可以压缩到保真标准的基本限制。随着研究人员推动了不断提高的压缩性能，建立给定数据源的R-D功能不仅具有科学的兴趣，而且还在可能的空间上揭示了改善压缩算法的可能性。以前的解决此问题依赖于数据源上的分布假设（Gibson，2017）或仅应用于离散数据。相比之下，本文使得第一次尝试播放常规（不一定是离散的）源仅需要i.i.d的算法的算法。数据样本。我们估计高斯和高尺寸香蕉形源的R-D三明治界，以及GaN生成的图像。我们在自然图像上的R-D上限表示在各种比特率的PSNR中提高最先进的图像压缩方法的性能的空间。

变异自动编码器（VAE）经常遭受后塌陷，这是一种现象，其中学习过的潜在空间变得无知。这通常与类似于数据差异的高参数有关。此外，如果数据方差不均匀或条件性，则确定这种适当的选择将变得不可行。因此，我们提出了具有数据方差的广义参数化的VAE扩展，并将最大似然估计纳入目标函数中，以适应解码器平滑度。由提议的VAE扩展产生的图像显示，MNIST和Celeba数据集上的Fr \'Echet Inception距离（FID）得到了改善。

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。

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。