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。

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。

Normalizing Flows are generative models which produce tractable distributions where both sampling and density evaluation can be efficient and exact. The goal of this survey article is to give a coherent and comprehensive review of the literature around the construction and use of Normalizing Flows for distribution learning. We aim to provide context and explanation of the models, review current state-of-the-art literature, and identify open questions and promising future directions.

我们提出了一个利用归一化流的拓扑非平凡流形的学习概率分布的框架。当前的方法集中在对欧几里得空间同质形态的流形上，在学习模型上执行强大的结构先验或不容易扩展到高维度的操作。相比之下，我们的方法通过将多个局部模型“粘合”一起学习数据歧管上的分布，从而定义了数据歧管的开放覆盖。我们证明了我们的方法在已知流形的合成数据以及未知拓扑的较高维歧管上的效率，在许多任务中，我们的方法在许多任务中表现出更好的样品效率和竞争性或优越的性能。

Normalizing flows provide a general mechanism for defining expressive probability distributions, only requiring the specification of a (usually simple) base distribution and a series of bijective transformations. There has been much recent work on normalizing flows, ranging from improving their expressive power to expanding their application. We believe the field has now matured and is in need of a unified perspective. In this review, we attempt to provide such a perspective by describing flows through the lens of probabilistic modeling and inference. We place special emphasis on the fundamental principles of flow design, and discuss foundational topics such as expressive power and computational trade-offs. We also broaden the conceptual framing of flows by relating them to more general probability transformations. Lastly, we summarize the use of flows for tasks such as generative modeling, approximate inference, and supervised learning.

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。

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。

在$ \ mathbb {r}^n $中观察到的自然数据通常被限制为$ m $ dimensional歧管$ \ mathcal {m} $，其中$ m <n $。当前的生成模型通过通过神经网络$ f_ \ theta映射$ m $二维潜在变量来表示此流形：\ mathbb {r}^m \ to \ mathbb {r}^n $。我们称之为Pushforward模型的此类过程产生了一个直接的限制：通常不能以单个参数化表示歧管，这意味着尝试这样做的方法将导致计算不稳定性或无法在歧管内学习概率密度。为了解决这个问题，我们建议将$ \ mathcal {m} $建模为神经隐式歧管：神经网络的零零。为了了解$ \ Mathcal {M} $中的数据分布，我们引入了受限的基于能量的模型，该模型使用Langevin Dynamics的约束变体来训练和示例在学习的歧管中。可以用歧管的算术来操纵所得模型，该模型使从业者可以采用工会和模型歧管的交叉点。在有关合成和自然数据的实验中，我们表明，受约束的EBM可以比推送模型更准确地学习具有复杂拓扑的歧管支配分布。

我们研究是否使用两个条件型号$ p（x | z）$和$ q（z | x）$，以使用循环的两个条件型号，我们如何建模联合分配$ p（x，z）$。这是通过观察到深入生成模型的动机，除了可能的型号$ p（x | z）$，通常也使用推理型号$ q（z | x）$来提取表示，但它们通常依赖不表征的先前分配$ P（z）$来定义联合分布，这可能会使后塌和歧管不匹配等问题。为了探讨仅使用$ p（x | z）$和$ q（z | x）$模拟联合分布的可能性，我们研究其兼容性和确定性，对应于其条件分布一致的联合分布的存在和唯一性跟他们。我们为可操作的等价标准开发了一般理论，以实现兼容性，以及足够的确定条件。基于该理论，我们提出了一种新颖的生成建模框架来源，仅使用两个循环条件模型。我们开发方法以实现兼容性和确定性，并使用条件模型适合和生成数据。通过预先删除的约束，Cygen更好地适合数据并捕获由合成和现实世界实验支持的更多代表性特征。

标准化流动，扩散归一化流量和变形自动置换器是强大的生成模型。在本文中，我们提供了一个统一的框架来通过马尔可夫链处理这些方法。实际上，我们考虑随机标准化流量作为一对马尔可夫链，满足一些属性，并表明许多用于数据生成的最先进模型适合该框架。马尔可夫链的观点使我们能够将确定性层作为可逆的神经网络和随机层作为大都会加速层，Langevin层和变形自身偏移，以数学上的声音方式。除了具有Langevin层的密度的层，扩散层或变形自身形式，也可以处理与确定性层或大都会加热器层没有密度的层。因此，我们的框架建立了一个有用的数学工具来结合各种方法。

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.

离散和连续分布之间的映射是一项艰巨的任务，许多人不得不诉诸启发方法。我们提出了一种基于镶嵌的方法，该方法直接学习连续空间中的量化边界，并具有精确的可能性评估。这是通过使用具有有效的对数决定性jacobian的简单同态形态来构建凸多属凸的归一化流程来完成的。我们在两个应用程序设置中探索了这种方法，从离散到连续的映射，反之亦然。首先，Voronoi的消除化允许在多维空间中自动学习量化边界。边界的位置和区域之间的距离可以编码量化离散值之间的有用的结构关系。其次，无论混合组件的数量如何，Voronoi混合模型都具有恒定的计算成本，可用于可能性评估。从经验上讲，我们显示了对一系列结构化数据模式的现有方法的改进。

Unsupervised learning of probabilistic models is a central yet challenging problem in machine learning. Specifically, designing models with tractable learning, sampling, inference and evaluation is crucial in solving this task. We extend the space of such models using real-valued non-volume preserving (real NVP) transformations, a set of powerful, stably invertible, and learnable transformations, resulting in an unsupervised learning algorithm with exact log-likelihood computation, exact and efficient sampling, exact and efficient inference of latent variables, and an interpretable latent space. We demonstrate its ability to model natural images on four datasets through sampling, log-likelihood evaluation, and latent variable manipulations.

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.

我们对通过歧管（例如球形，Tori和其他隐式表面）描述的复杂几何形状的学习生成模型感兴趣。现有（欧几里德）生成模型的当前延伸仅限于特定几何形状，并且通常遭受高计算成本。我们介绍了Moser Flow（MF），是连续标准化流量（CNF）系列内的一类新的生成型号。 MF还通过解决方案产生CNF，然而，与其他CNF方法不同，其模型（学习）密度被参数化，因为源（先前）密度减去神经网络（NN）的发散。分歧是局部线性差分操作员，易于近似和计算歧管。因此，与其他CNFS不同，MF不需要在训练期间通过颂歌求解器调用或反向。此外，将模型密度明确表示为NN的发散而不是作为颂歌的解决方案有助于学习高保真密度。从理论上讲，我们证明了MF在合适的假设下构成了通用密度近似器。经验上，我们首次证明了流动模型的使用从一般曲面采样，并在挑战地球和气候的挑战性几何形状和现实世界基准中实现了密度估计，样本质量和培训复杂性的显着改善科学。

归一化流量是具有易于易变量的神经网络的可逆性网络，其允许通过最大可能性优化它们的参数来有效地执行。然而，通常假设感兴趣的数据生活在嵌入在高维环境空间中的一些（通常未知）的低维歧管中。结果是自建设中以来的建模不匹配 - 可逆性要求意味着学习分布的高维支持。注射流量，从低到高维空间的映射，旨在通过学习歧管的分布来解决这种差异，但是由此产生的体积变化术语变得更具挑战性。目前方法避免完全使用各种启发式计算该术语，或者假设歧管预先已知，因此不广泛适用。相反，我们提出了两种方法来对模型的参数来促进该术语的梯度，依赖于仔细使用来自数值线性代数的自动分化和技术。两种方法都对将其投射到这种歧管上的数据执行端到端非线性歧管学习和密度估计。我们研究了我们所提出的方法之间的权衡，经验验证我们优于更准确地学习歧管和对应的相应分布忽略音量变化术语的优先级，并显示出对分布外检测的有希望的结果。我们的代码可在https://github.com/layer6ai-labs/rectangular-flows中找到。

The choice of approximate posterior distribution is one of the core problems in variational inference. Most applications of variational inference employ simple families of posterior approximations in order to allow for efficient inference, focusing on mean-field or other simple structured approximations. This restriction has a significant impact on the quality of inferences made using variational methods. We introduce a new approach for specifying flexible, arbitrarily complex and scalable approximate posterior distributions. Our approximations are distributions constructed through a normalizing flow, whereby a simple initial density is transformed into a more complex one by applying a sequence of invertible transformations until a desired level of complexity is attained. We use this view of normalizing flows to develop categories of finite and infinitesimal flows and provide a unified view of approaches for constructing rich posterior approximations. We demonstrate that the theoretical advantages of having posteriors that better match the true posterior, combined with the scalability of amortized variational approaches, provides a clear improvement in performance and applicability of variational inference.

Autoregressive models are among the best performing neural density estimators. We describe an approach for increasing the flexibility of an autoregressive model, based on modelling the random numbers that the model uses internally when generating data. By constructing a stack of autoregressive models, each modelling the random numbers of the next model in the stack, we obtain a type of normalizing flow suitable for density estimation, which we call Masked Autoregressive Flow. This type of flow is closely related to Inverse Autoregressive Flow and is a generalization of Real NVP. Masked Autoregressive Flow achieves state-of-the-art performance in a range of general-purpose density estimation tasks.

现代生成模型大致分为两个主要类别：（1）可以产生高质量随机样品但无法估算新数据点的确切密度的模型，以及（2）提供精确密度估计的模型，以样本为代价潜在空间的质量和紧凑性。在这项工作中，我们提出了LED，这是一种与gan密切相关的新生成模型，不仅允许有效采样，而且允许有效的密度估计。通过最大程度地提高对数可能的歧视器输出，我们得出了一个替代对抗优化目标，鼓励生成的数据多样性。这种表述提供了对几种流行生成模型之间关系的见解。此外，我们构建了一个基于流的生成器，该发电机可以计算生成样品的精确概率，同时允许低维度变量作为输入。我们在各种数据集上的实验结果表明，我们的密度估计器会产生准确的估计值，同时保留了生成的样品质量良好。

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。