「自行科技」一文了解生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)GAN

一、什么是GAN網(wǎng)絡(luò)

生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（Generative adversarial network, GAN）是一種深度學(xué)習(xí)模型，是近年來(lái)復(fù)雜分布上無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)最具前景的方法之一。

主要包含兩個(gè)模塊：生成器（Generator）和判別器（Discriminator）。生成器要不斷優(yōu)化自己生成的數(shù)據(jù)讓判別器判斷不出來(lái)，判別器也要進(jìn)行優(yōu)化讓自己判斷得更準(zhǔn)確。二者關(guān)系形成對(duì)抗，因此叫生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)。

二、 GAN的意義及用途

意義：GAN網(wǎng)絡(luò)可以幫助我們建立模型，相比于在已有模型上進(jìn)行參數(shù)更新的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，更具研究?jī)r(jià)值。同時(shí)，GAN網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)監(jiān)督的學(xué)習(xí)方式，它的泛化性非常好。用途：（1）數(shù)據(jù)生成，主要指圖像生成。圖像生成：基于訓(xùn)練的模型，生成類(lèi)似于訓(xùn)練集的新的圖片。

文本描述生成圖像：給定一個(gè)文本描述句，生成符合描述句內(nèi)容的圖像。

（2）圖像數(shù)據(jù)增強(qiáng)：增強(qiáng)圖像中的有用信息，改善圖像的視覺(jué)效果。

（3）圖像外修復(fù)：從受限輸入圖像生成具有語(yǔ)義意義結(jié)構(gòu)的新的視覺(jué)和諧內(nèi)容來(lái)擴(kuò)展圖像邊界。

（4）圖像超分辨率：由一幅低分辨率圖像或圖像序列恢復(fù)出高分辨率圖像。

（5）圖像風(fēng)格遷移：通過(guò)某種方法，把圖像從原風(fēng)格轉(zhuǎn)換到另一個(gè)風(fēng)格，同時(shí)保證圖像內(nèi)容沒(méi)有變化。

三、 GAN的發(fā)展

自2014年GAN的第一次提出，GAN在圖像領(lǐng)域、語(yǔ)音與自然語(yǔ)言處理（Natural language processing, NLP）領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域開(kāi)始快速發(fā)展，衍生出了一系列模型。其中，比較流行的有DCGAN（Deep convolutional generative adversarial networks），StyleGAN，BigGAN，StackGAN，Pix2pix，CycleGAN等。

DCGNN：這是第一次在GAN中使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional neural network, CNN）并取得了非常好的結(jié)果。它是GAN研究的一個(gè)里程碑，因?yàn)樗岢隽艘粋€(gè)重要的架構(gòu)變化來(lái)解決訓(xùn)練不穩(wěn)定，模式崩潰和內(nèi)部協(xié)變量轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。從那時(shí)起，基于DCGAN的架構(gòu)就被應(yīng)用到了許多GAN架構(gòu)。StyleGAN：GAN研究領(lǐng)域的重大突破，在面部生成任務(wù)中創(chuàng)造了新紀(jì)錄。算法的核心是風(fēng)格轉(zhuǎn)移技術(shù)或風(fēng)格混合。除了生成面部外，它還可以生成高質(zhì)量的汽車(chē)，臥室等圖像。BigGAN：用于圖像生成的最新進(jìn)展，生成的圖像質(zhì)量足以以假亂真，這是GAN首次生成具有高保真度和低品種差距的圖像。StackGAN：2017年，由“StackGAN: Text to Photo-realistic Image Synthesis with Stacked Generative Adversarial Networks”論文中提出。作者使用StackGAN完成文本到圖像的生成過(guò)程，并得到了非常好的結(jié)果。Pix2pix：對(duì)于圖像到圖像的翻譯任務(wù)，Pix2pix也顯示出了令人印象深刻的結(jié)果。無(wú)論是將夜間圖像轉(zhuǎn)換為白天的圖像還是給黑白圖像著色，或者將草圖轉(zhuǎn)換為逼真的照片等，Pix2pix都呈現(xiàn)出很好的效果。CycleGAN：將對(duì)偶學(xué)習(xí)與GAN進(jìn)行結(jié)合，能將一類(lèi)圖片自動(dòng)轉(zhuǎn)化為另一類(lèi)圖片。其中對(duì)偶學(xué)習(xí)是一種類(lèi)似于雙語(yǔ)翻譯任務(wù)的雙重學(xué)習(xí)機(jī)制，利用原始任務(wù)和雙重任務(wù)之間的反饋信號(hào)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。與輸入必須是成對(duì)數(shù)據(jù)的Pix2pix模型相比，CycleGAN對(duì)非成對(duì)數(shù)據(jù)也能進(jìn)行訓(xùn)練，更具普適性。

四、 GAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在介紹GAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之前，我們先了解兩個(gè)概念：生成器和判別器。

生成器：輸入為隨機(jī)數(shù)據(jù)，輸出為生成數(shù)據(jù)（通常是圖像）。通常這個(gè)網(wǎng)絡(luò)選用最普通的多層隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)即可，網(wǎng)絡(luò)太深容易引起梯度消失或者梯度爆炸。判別器：我們把生成器生成的數(shù)據(jù)稱(chēng)為假數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的，來(lái)自真實(shí)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)稱(chēng)為真數(shù)據(jù)。判別器輸入為數(shù)據(jù)（這里指代真實(shí)圖像和生成圖像），輸出是一個(gè)判別概率。需注意的是，這里判別的是圖像的真假，而非圖像的類(lèi)別。輸入一個(gè)圖片后，我們并不需要確認(rèn)這張圖片是什么，而是判別圖像來(lái)源于真實(shí)數(shù)據(jù)集，還是由生成器輸出得到。網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)同樣可用最基本的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 GAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GAN 的主要思想就是在生成數(shù)據(jù)的過(guò)程中加入一個(gè)可以判斷真實(shí)數(shù)據(jù)和生成數(shù)據(jù)的判別器，使生成器和判別器相互對(duì)抗，判別器的作用是努力地分辨真實(shí)數(shù)據(jù)和生成數(shù)據(jù)，生成器的作用是努力改進(jìn)自己從而生成可以迷惑判別器的數(shù)據(jù)。GAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。GAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包含判別器D和生成器G，判別器D和生成器G通常由包含卷積或全連接層的多層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。判別器D：使用了混合整流器線性激活函數(shù)和sigmoid激活函數(shù)，輸入為真實(shí)數(shù)據(jù)x和生成器G輸出的假數(shù)據(jù)G(z)。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源的二分類(lèi)判別：真（來(lái)源于真實(shí)數(shù)據(jù)的分布）或者假（來(lái)源于生成器的假數(shù)據(jù)G(z)）生成器G：使用了maxout激活函數(shù)，輸入為隨機(jī)噪聲z。目標(biāo)是使自己生成的假數(shù)據(jù)G(z)在D上的表現(xiàn)D(G(z))，和真實(shí)數(shù)據(jù)x在D上的表現(xiàn)D(x)一致。GAN的訓(xùn)練包括兩個(gè)方面：最大化判別器分類(lèi)準(zhǔn)確率的判別器的參數(shù)和找到最大程度混淆判別器的生成器的參數(shù)。當(dāng)更新一個(gè)模型生成器的參數(shù)時(shí)，另一個(gè)模型判別器的參數(shù)是固定的，反之亦然。通常是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)且交替訓(xùn)練，先訓(xùn)練判別器，再訓(xùn)練生成器，再訓(xùn)練判別器，如此反復(fù)，直到達(dá)到納什均衡。

圖2 生成器樣本示例

GAN網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練用到的數(shù)據(jù)集：MNIST，the Toronto Face Database(TFD)和CIFAR-10數(shù)據(jù)集。圖2展示了經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后從生成器中抽取的樣本示例，其中，最右邊的列顯示了鄰近樣本的最近訓(xùn)練示例，以證明模型沒(méi)有記憶訓(xùn)練集。樣本是公平隨機(jī)抽取，而不是精心挑選。圖2中，a)表示GAN網(wǎng)絡(luò)在MNIST數(shù)據(jù)集上的生成效果，b)表示GAN網(wǎng)絡(luò)在TFD數(shù)據(jù)集上的生成效果。c)和d)均表示GAN網(wǎng)絡(luò)在CIFAR-10數(shù)據(jù)集上的生成效果，只是c)中GAN網(wǎng)絡(luò)采取全連接模型，而d)中是卷積判別器和反卷積生成器。在使用GAN進(jìn)行圖像生成任務(wù)時(shí)，比較典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有DCGAN網(wǎng)絡(luò)和基于先驗(yàn)知識(shí)的StackGAN網(wǎng)絡(luò)。DCGAN將CNN與GAN進(jìn)行了融合，利用CNN強(qiáng)大的特征提取能力來(lái)提高GAN的學(xué)習(xí)效果。DCGAN主要是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上對(duì) GAN 進(jìn)行了改進(jìn)。生成器相當(dāng)于反卷積網(wǎng)絡(luò)，而判別器相當(dāng)于卷積網(wǎng)絡(luò)。DCGAN的生成器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DCGAN生成器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DCGAN網(wǎng)絡(luò)最先采用CNN結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)GAN模型，介紹了如何使用卷積層，并給出一些額外的結(jié)構(gòu)上的指導(dǎo)建議來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，它還討論如何可視化GAN的特征、隱空間的插值、利用判別器特征訓(xùn)練分類(lèi)器以及評(píng)估結(jié)果。關(guān)于DCGAN的應(yīng)用主要集中在圖像處理方面，可以說(shuō)這個(gè)模型是最典型、應(yīng)用最廣泛的GAN變種模型。StackGAN是一種新的堆疊生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，用于從文本描述合成照片真實(shí)感圖像，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4。StackGAN首次從文本描述生成256×256分辨率的圖像，且生成的圖像具有照片般逼真的細(xì)節(jié)。StackGAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分：Stage-ⅠGAN和Stage-ⅡGAN。 Stage-ⅠGAN：根據(jù)給定的文本描述，繪制對(duì)象的原始形狀和原始顏色，并根據(jù)隨機(jī)噪聲向量繪制背景布局，生成低分辨率圖像。生成器G0：首先是經(jīng)過(guò)一個(gè)CA（調(diào)節(jié)增強(qiáng)技術(shù)）模塊，對(duì)文本嵌入進(jìn)行降維。StackGAN沒(méi)有直接將降維后的文本嵌入作為condition，而是將它接了一個(gè)全連接層，并從得到的獨(dú)立的高斯分布中隨機(jī)采樣得到高斯條件變量。接著，將高斯條件變量與噪聲向量經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)得到的一組向量輸入到生成器中，然后，經(jīng)過(guò)上采樣之后生成一張64*64的圖像。判別器D0：首先，文本嵌入經(jīng)過(guò)一個(gè)全連接層被壓縮到128維，然后經(jīng)過(guò)空間復(fù)制將其擴(kuò)成一個(gè)4×4×128的張量。同時(shí)，圖像會(huì)經(jīng)過(guò)一系列的下采樣到4×4。然后，圖像過(guò)濾映射會(huì)連接圖像和文本張量的通道。隨后，張量會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)1×1的卷積層去連接跨文本和圖像學(xué)到的特征。最后，會(huì)通過(guò)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的全連接層去產(chǎn)生圖像真假的概率。

圖4 StackGAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Stage-Ⅱ GAN：

修正第一階段低分辨率圖像的缺陷，通過(guò)再次文本描述來(lái)完成對(duì)象的細(xì)節(jié)，生成了高分辨率的真實(shí)感圖像。與通常的GAN不同，本階段不使用隨機(jī)噪聲。

生成器G：將第二階段生成器設(shè)計(jì)為一個(gè)具有殘差塊的編解碼網(wǎng)絡(luò)。Stage-Ⅰ GAN生成的64×64的圖片，加上對(duì)文本嵌入進(jìn)行CA操作得到的高斯條件變量，與前一階段相似，高斯條件變量被擴(kuò)成一個(gè)16×16×128的張量（綠色部分）。同時(shí)，由前一個(gè)GAN生成的64×64的圖像，會(huì)經(jīng)過(guò)下采樣變成16×16（紫色部分）。連接圖像特征和文本特征后，經(jīng)過(guò)殘差塊，再上采樣，生成圖片。判別器D：對(duì)于判別器，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于第一階段判別器，僅具有額外的下采樣塊。另外，為了明確地強(qiáng)制GAN更好地學(xué)習(xí)圖像和條件文本之間的對(duì)齊，我們?cè)趦蓚€(gè)階段都采用了匹配感知判別器。StackGAN訓(xùn)練用到的數(shù)據(jù)集：CUB，Oxford-102和MS COCO數(shù)據(jù)集。圖5中a)，b)和c)分別展示了基于這三個(gè)數(shù)據(jù)集的測(cè)試集，StackGAN網(wǎng)絡(luò)生成的圖像示例?？傮w來(lái)說(shuō)，StackGAN生成的高分辨率的圖像，細(xì)節(jié)信息較豐富，且能較好地反映相應(yīng)的文本描述。

圖5 StackGAN網(wǎng)絡(luò)生成的圖像示例

五、 GAN的實(shí)際應(yīng)用示例圖

（1）生成人臉：

圖6 基于GAN方法生成人臉

（2）語(yǔ)義圖像-圖片轉(zhuǎn)化：

圖7基于GAN方法將語(yǔ)義圖像轉(zhuǎn)化成圖片

（3）生成動(dòng)漫人物形象：

圖8基于GAN方法生成動(dòng)漫人物

（4）路況預(yù)測(cè)：圖9中，奇數(shù)列顯示解碼圖像，偶數(shù)列顯示目標(biāo)圖像：

圖9基于GAN方法的路況預(yù)測(cè)結(jié)果

（5）人臉圖像修復(fù)：圖10中，依次顯示真實(shí)圖像，缺失圖像，修復(fù)圖像：

圖10基于GAN方法修復(fù)人臉圖像

審核編輯 黃昊宇