译者 | 刘涛
审校 | 重楼
在深度学习领域，数据是模型训练的基石。训练数据的数量和质量直接决定了机器学习算法的效能。
然而，获取大量精确分类的数据往往是一项既困难又耗费资源的工作。在这一背景下，数据增强( Data Augmentation )作为一种颇具吸引力的解决方案应运而生，而生成模型在这一领域的创新潜力正日益凸显。
本文将深入探讨生成模型在深度学习数据增强中的重要作用，例如变分自编码器(VAEs)和生成对抗网络(GANs)。
什么是生成模型?
生成模型是一种机器学习模型，它能创建与指定数据集在特征上高度相似的新数据样本。这类模型能够发现数据背后隐藏的趋势和结构，从而能够生成与实际数据在质量上和风格上均极为相似的合成数据点。
生成模型在众多领域都有广泛的应用，包括但不限于图像生成、文本生成、数据增强等。以图像生成项目为例，生成模型可以通过学习大量的猫和狗的图片数据，进而掌握生成新的猫和狗图片的能力。
这类模型从现有数据中学习模式和风格，并应用这些信息来创造相似的事物。这就如同计算机被赋予了一个创意引擎，能够通过研究过往的策略和模式，自主生成新的创意和想法。
什么是数据增强?
数据增强是机器学习和深度学习领域的一种关键技术，它通过多样化的转换和调整手段，对现有数据进行处理，旨在提升训练数据集的质量与数量。这一过程涉及从现有样本中生成新的数据样本，从而扩充数据集的规模及其多样性。
数据增强的核心目标在于提升机器学习模型的性能、泛化能力以及鲁棒性(Robustness：指的是机器学习模型在面对各种变化和不确定性时保持性能稳定和有效的能力)，这在计算机视觉任务以及其他数据驱动型领域中尤为重要。
通过数据增强，可以优化各类机器学习应用的数据集，包括图像分类、目标检测以及自然语言处理等。例如，利用数据增强技术生成合成人脸图片，进而用于训练深度学习模型，以便在现实世界的图像中有效识别出人脸。
在数据科学领域，数据增强是一种重要的方法，因为它解决了数据数量和质量的基本难题。在众多机器学习和深度学习应用中，构建强大且精确的模型，需要获取大量多样化且标注精确的数据。
数据增强是一种有效手段，通过创建新样本，扩展了原来有限数据集的边界，从而提高模型的泛化能力和性能。此外，它还增强了机器学习算法应对现实世界变化的能力，进而打造出更加可靠和灵活的人工智能系统。
为什么要使用生成模型进行数据增强?
在机器学习领域，使用生成模型进行数据增强有以下几个重要原因：
增强数据多样性：生成模型能够有效提升数据集的多样性，使机器学习模型在面对真实世界中的多样化情境时具备更强的适应性和鲁棒性。例如，通过生成模型可以创造出具有不同表情、年龄和种族特征的人脸合成图像，从而帮助机器学习模型在各种实际场景中更加可靠地完成人脸检测任务。
提升模型泛化能力：利用生成模型进行数据增强，可以让机器学习模型在训练过程中接触到更加广泛的数据变量。这一过程有助于增强模型对新的、未知数据的泛化能力，进而提高其整体性能。这对于依赖大量数据以实现充分训练的深度学习模型尤为重要。
解决数据不足问题：在众多机器学习应用中，获取大量且多样化的标记数据集往往是一个重大挑战。生成模型通过开发合成数据，有助于处理数据不足问题，减少对有限真实数据的依赖。
降低偏见：生成模型可以通过生成新的数据样本，解决训练数据中某些类别代表性不足或存在偏见的情况，从而有效消除偏见，提高人工智能应用的平衡性。
用于数据增强的生成模型
两种可用于数据增强的主要生成模型：
- 生成对抗网络(GANs)
- 变分自编码器(VAEs)
生成对抗网络(GANs)
GANs是一种神经网络设计，旨在创建与训练数据相似的新数据样本。GANs属于一种学习模型，具备构建看似来自特定数据集新项目的能力。例如，GANs可以在一组图像上进行训练，进而生成看似来自原始数据集的新图像。
以下是GANs工作原理的简要概述：
- 生成器负责生成新的数据样本，而判别器同时接收新生成的样本和真实样本。
- 判别器旨在辨别哪些样本是真实的，哪些是伪造的。
- 判别器的输出结果用于更新生成器和判别器自身。
生成器通过将噪声数据作为输入，从而创建合成图像。判别器则试图正确区分生成器生成的假图像和训练集中的真实图像。
生成器试图优化其参数，以生成更具欺骗性的假图像，从而误导判别器。判别器通过调整其参数来更精确地区分真实和虚假图像，以寻求性能提升。这两个网络持续进行竞争和自我优化，直至生成器能够产生与真实数据几乎无法区分的样本。
GANs在数据增强技术中具有显著应用价值，其能够生成与真实数据样本难以区分的合成数据。这一点至关重要，因为机器学习算法是从数据中学习的，训练数据越多，模型性能就越好。另一方面，收集足够多的真实数据来训练机器学习模型可能既昂贵又耗时。
通过生成近似于真实数据的合成数据，GANs有助于降低收集数据所需的成本和时间。这对于收集真实数据难度较大或成本较高的应用领域尤其有益，如医学成像或视频监控数据。
GANs的应用还体现在其多样性上。这是因为GANs能够生成原始数据集中不存在的数据样本。这有助于提升机器学习模型对真实世界变化的适应性和鲁棒性。
变分自编码器(VAEs)
VAEs是生成模型的一种，是机器学习和深度学习中应用的一种自编码器变体。作为一种生成模型，VAEs能够生成与训练数据相似的新数据样本。
VAEs属于贝叶斯模型范畴，这意味着它利用概率分布来描述数据中的不确定性。正是这种特性使得VAEs生成的数据样本相较于其他生成模型更为真实。
VAEs通过学习数据在潜在空间中的表示来发挥作用。潜在空间是对数据的压缩表示，它捕捉了数据最关键的特征。通过在潜在空间中采样并将这些样本解码回原始数据空间，VAEs就能够生成新的数据样本。
以下是VAE工作原理的简要概述：
- 编码器接收一个数据样本作为输入，比如一张动物的图像。
- 编码器生成数据的潜在空间表示，即图像的压缩版本。它捕获了动物的关键特征，如形状、大小和毛色。
- 潜在空间表示随后被送入解码器。
- 解码器生成一个重构的数据样本，即一个新的动物图像，与原始图像非常相似。
编码器和解码器通过训练来减少重构图像和原始图像之间的差异。这一过程是通过使用比较两张图片相似度的损失函数来实现的。
VAEs作为一种强大的生成建模工具，广泛应用于图像生成、文本生成、数据压缩和数据去噪等领域。它们为建模和生成复杂数据分布提供了一个概率框架，并在数据生成和插值中保持了一个结构化的潜在空间。
VAEs具有生成与真实数据高度相似样本的能力，使其在数据增强方面也具有重要作用。这意味着VAEs生成的增强数据不仅高度真实，而且与底层的数据分布保持一致，这对于有效的数据增强至关重要。
在VAEs的结构化潜在空间中，每一个点都代表了有意义的数据变化。这不仅可以进行受控的数据创建，也允许用户通过在潜在空间的不同位置进行采样，来创建具有特定属性或变体的新数据实例，从而适用于目标导向的数据增强。
在真实数据有限的情况下，VAEs可以通过生成合成数据来解决数据不足的问题。这在收集更多真实数据不现实或成本高昂时尤为宝贵。
随着VAEs技术的不断进步，其在训练机器学习模型中可能会发挥越来越重要的作用。
结论
在机器学习领域的数据增强实践中，生成模型扮演了至关重要的角色。
例如，GANs被广泛应用于合成人脸图像，这些生成的图像被进一步用于训练机器学习模型，以便在真实图像中检测人脸。
VAEs也被用于创建汽车的合成图像，这些图像随后被纳入机器学习模型的训练过程中，用以识别真实照片中的汽车。
这些实例均体现了生成模型在数据增强领域中的实际应用价值。
译者介绍
刘涛，51CTO社区编辑，某大型央企系统上线检测管控负责人。
原文标题：How Do Generative Models Work in Deep Learning? Generative Models For Data Augmentation Explained，作者：Oyedele Tioluwani Taiwo
链接：
https://www.freecodecamp.org/news/generative-models-for-data-augmentation。
