对抗生成网络GAN

简介

对抗生成网络GAN(Generative Adversarial Networks)是由蒙特利尔大学Ian Goodfellow在2014年提出的机器学习架构,GAN是作为一种无监督的机器学习模型,对抗生成网络都由两部分组成:判别器(Discriminator)常用D表示;另一个称为生成器(Generator)用G表示。判别器与生成器的博弈过程是对抗生成网络学习过程,判别器通过不断学习提高自身的识别能力,而生成器利用判别器不断提升生成样本能力,当判别器对生成器生成的样本判断真伪概率为50%时,生成器训练完时说明生成器生成的样本达到了以假乱真的效果。

GAN网络组成

Generator Network是生成器,Discriminator Network是判别器,Random是随机生成的噪声数据,Fake Image是噪声数据通过生成器输出的假数据,Real Image是从训练集中随机挑选的真实数据,同时传入判别器中由判别器判断真假

第一阶段:固定「判别器D」,训练「生成器G」

使用一个还 OK 判别器,让一个「生成器G」不断生成“假数据”,然后给这个「判别器D」去判断

第二阶段:固定「生成器G」,训练「判别器D」 

循环阶段一和阶段二 

通过不断的循环,「生成器G」和「判别器D」的能力都越来越强。

最终我们得到了一个效果非常好的「生成器G」,我们就可以用它来生成我们想要的图片了。

 

基本架构代码实现

下面的代码中利用minist数据集生成0到9的图片,判别器和生成器都是简单的全连接神经网络,判别器输出是一个0到1的小数,代表判别器识别样本真伪的概率;生成器输入以一组标准正态分布噪音,输出是一个28*28的图片,利用GAN生成器最后能生成较为逼真的手写数字图片。

import argparse
import os
import numpy as np
import math

import torchvision.transforms as transforms
from torchvision.utils import save_image

from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torch.autograd import Variable

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch

os.makedirs("images", exist_ok=True)

parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--n_epochs", type=int, default=100, help="number of epochs of training")
parser.add_argument("--batch_size", type=int, default=128, help="size of the batches")
parser.add_argument("--lr", type=float, default=0.0002, help="adam: learning rate")
parser.add_argument("--b1", type=float, default=0.5, help="adam: decay of first order momentum of gradient")
parser.add_argument("--b2", type=float, default=0.999, help="adam: decay of first order momentum of gradient")
parser.add_argument("--n_cpu", type=int, default=8, help="number of cpu threads to use during batch generation")
parser.add_argument("--latent_dim", type=int, default=100, help="dimensionality of the latent space")
parser.add_argument("--img_size", type=int, default=28, help="size of each image dimension")
parser.add_argument("--channels", type=int, default=1, help="number of image channels")
parser.add_argument("--sample_interval", type=int, default=400, help="interval betwen image samples")
opt = parser.parse_args()
print(opt)

img_shape = (opt.channels, opt.img_size, opt.img_size)

cuda = True if torch.cuda.is_available() else False

#生成器网络模型
class Generator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Generator, self).__init__()

        def block(in_feat, out_feat, normalize=True):
            layers = [nn.Linear(in_feat, out_feat)]
            if normalize:
                layers.append(nn.BatchNorm1d(out_feat, 0.8))
            layers.append(nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True))
            return layers

        self.model = nn.Sequential(
            *block(opt.latent_dim, 128, normalize=False),
            *block(128, 256),
            *block(256, 512),
            *block(512, 1024),
            nn.Linear(1024, int(np.prod(img_shape))),
            nn.Tanh()
        )

    def forward(self, z):
        img = self.model(z)
        img = img.view(img.size(0), *img_shape)
        return img

#判别器网络模型
class Discriminator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Discriminator, self).__init__()

        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(int(np.prod(img_shape)), 512),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Linear(512, 256),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Linear(256, 1),
            nn.Sigmoid(),
        )

    def forward(self, img):
        img_flat = img.view(img.size(0), -1)
        validity = self.model(img_flat)

        return validity


# Loss function
adversarial_loss = torch.nn.BCELoss()

# Initialize generator and discriminator
generator = Generator()
discriminator = Discriminator()

if cuda:
    generator.cuda()
    discriminator.cuda()
    adversarial_loss.cuda()

# Configure data loader
os.makedirs("./data/mnist", exist_ok=True)
dataloader = torch.utils.data.DataLoader(
    datasets.MNIST(
        "./data/mnist",
        train=True,
        download=True,
        transform=transforms.Compose(
            [transforms.Resize(opt.img_size), transforms.ToTensor(), transforms.Normalize([0.5], [0.5])]
        ),
    ),
    batch_size=opt.batch_size,
    shuffle=True,
)

# Optimizers
optimizer_G = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))
optimizer_D = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))


Tensor = torch.cuda.FloatTensor if cuda else torch.FloatTensor

# ----------
#  Training
# ----------

for epoch in range(opt.n_epochs):
    for i, (imgs, _) in enumerate(dataloader):

        # Adversarial ground truths
        valid = Variable(Tensor(imgs.size(0), 1).fill_(1.0), requires_grad=False)#真实数据的标签
        fake = Variable(Tensor(imgs.size(0), 1).fill_(0.0), requires_grad=False)#假数据的标签

        # Configure input
        real_imgs = Variable(imgs.type(Tensor))

        # -----------------
        #  Train Generator
        # -----------------

        optimizer_G.zero_grad()

        # Sample noise as generator input
        z = Variable(Tensor(np.random.normal(0, 1, (imgs.shape[0], opt.latent_dim))))#随机噪声数据

        # Generate a batch of images
        gen_imgs = generator(z)#通过生成器生成假数据

        # Loss measures generator's ability to fool the discriminator
        g_loss = adversarial_loss(discriminator(gen_imgs), valid)#计算生成器生成的假数据loss

        g_loss.backward()
        optimizer_G.step()

        # ---------------------
        #  Train Discriminator
        # ---------------------

        optimizer_D.zero_grad()

        # Measure discriminator's ability to classify real from generated samples
        real_loss = adversarial_loss(discriminator(real_imgs), valid)#计算判别器真数据 的loss
        fake_loss = adversarial_loss(discriminator(gen_imgs.detach()), fake)#计算判别器假数据的loss
        d_loss = (real_loss + fake_loss) / 2

        d_loss.backward()
        optimizer_D.step()

        print(
            "[Epoch %d/%d] [Batch %d/%d] [D loss: %f] [G loss: %f]"
            % (epoch, opt.n_epochs, i, len(dataloader), d_loss.item(), g_loss.item())
        )

        batches_done = epoch * len(dataloader) + i
        if batches_done % opt.sample_interval == 0:
            save_image(gen_imgs.data[:25], "images/%d.png" % batches_done, nrow=5, normalize=True)

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