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【技术综述】有三说GANs(上)
今天我们来说说GAN,这个被誉为新的深度学习的技术。由于内容非常多,我们会分上下两期。今天这一期是上,我们从以下几个方向来说。(1)生成式模型与判别式模型。(2)GAN的基本原理。(3)GAN的应用。同时也预告一下下期的内容,(1)GAN的优化目标,(2)GAN的模型发展(3)GAN的训练技巧。
01 生成与判别式模型【1】
正式说GAN之前我们先说一下判别式模型和生成式模型。
1.1 判别式模型
判别式模型,即Discriminative Model,又被称为条件概率模型,它估计的是条件概率分布(conditionaldistribution), p(class|context) 。
举个例子,我们给定(x,y)对,4个样本。(1,0), (1,0), (2,0), (2, 1),p(y|x)是事件x发生时y的条件概率,它的计算如下:
1.2 生成式模型
即Generative Model ,生成式模型 ,它估计的是联合概率分布(joint probability distribution),p(class,context)=p(class|context)*p(context) 。p(x,y),即事件x与事件y同时发生的概率。同样以上面的样本为例,它的计算如下:
1.3 常见模型
常见的判别式模型有Logistic Regression,Linear Regression,SVM,Traditional Neural Networks
Nearest Neighbor,CRF等。
常见的生成式模型有Naive Bayes,Mixtures of Gaussians, HMMs,Markov Random Fields等。
1.4 比较
判别式模型 ,优点是分类边界灵活 ,学习简单,性能较好 ;缺点是不能得到概率分布 。
生成式模型 ,优点是收敛速度快,可学习分布,可应对隐变量 ;缺点是学习复杂 ,分类性能较差。
上面是一个分类例子,可知判别式模型,有清晰的分界面,而生成式模型,有清晰的概率密度分布。生成式模型,可以转换为判别式模型,反之则不能。
02 GAN【2】的基本原理
GAN,即Generative adversarial net,它同时包含判别式模型和生成式模型,一个经典的网络结构如下。
2.1 基本原理
GAN的原理很简单,它包括两个网络,一个生成网络,不断生成数据分布。一个判别网络,判断生成的数据是否为真实数据。上图是原理展示,黑色虚线是真实分布,绿色实线是生成模型的学习过程,蓝色虚线是判别模型的学习过程,两者相互对抗,共同学习到最优状态。
2.2 优化目标与求解
下面是它的优化目标。
D是判别器,它的学习目标,是最大化上面的式子,而G是生成器,它的学习目标,是最小化上面的式子。上面问题的求解,通过迭代求解D和G来完成。
要求解上面的式子,等价于求解下面的式子。
其中D(x)属于(0,1),上式是alog(y) + blog(1−y)的形式,取得最大值的条件是D(x)=a/(a+b),此时等价于下面式子。
如果用KL散度来描述,上面的式子等于下面的式子。
当且仅当pdata(x)=pg(x)时,取得极小值-log4,此时d=0.5,无法分辨真实样本和假样本。
GAN从理论上,被证实存在全局最优解。至于KL散度,大家可以再去补充相关知识,篇幅有限不做赘述。
2.3 如何训练
直接从原始论文中截取伪代码了,可见,就是采用判别式模型和生成式模型分别循环依次迭代的方法,与CNN一样,使用梯度下降来优化。
2.4 GAN的主要问题
GAN从本质上来说,有与CNN不同的特点,因为GAN的训练是依次迭代D和G,如果判别器D学的不好,生成器G得不到正确反馈,就无法稳定学习。如果判别器D学的太好,整个loss迅速下降,G就无法继续学习。
GAN的优化需要生成器和判别器达到纳什均衡,但是因为判别器D和生成器G是分别训练的,纳什平衡并不一定能达到,这是早期GAN难以训练的主要原因。另外,最初的损失函数也不是最优的,这些就留待我们的下篇再细讲吧,下面欣赏一下GAN的一些精彩的应用。
03 GAN的应用
3.1 数据生成
从GAN到Conditional GAN
GAN的生成式模型可以拟合真实分布,所以它可以用于伪造数据。DCGAN【3】是第一个用全卷积网络做数据生成的,下面是它的基本结构和生成的数据。
输入100维的噪声,输出64*64的图像,从mnist的训练结果来看,还不错。笔者也用DCGAN生成过嘴唇表情数据,也是可用的。
但是它的问题是不能控制生成的数字是1还是9,所以后来有了CGAN【4】,即条件GAN,网络结构如下。
它将标签信息encode为一个向量,串接到了D和G的输入进行训练,优化目标发生了改变。
与cgan类似,infogan【5】将噪声z进行了拆解,一是不可压缩的噪声z,二是可解释的隐变量c,可以认为infogan就是无监督的cgan,这样能够约束c与生成数据之间的关系,控制一些属性,比如旋转等。
条件GAN的出现,使得控制GAN的输出有了可能,出现了例如文本生成图像【6】的应用。
金字塔GAN
原始的GAN生成图的分辨率太小,无法实用,借鉴经典图像中的金字塔算法,LAPGAN【7】/StackedGAN8【8】各自提出类似的想法,下面是LAPGAN的结构。
它有以下特点。
(1)使用残差逼近,学习相对容易。
(2)逐级独立训练提高了网络简单记忆输入样本的难度,减少了每一次 GAN 需要学习的内容,也就从而增大了GAN 的学习能力和泛化能力。
在这个基础上,nvidia-gan【9】生成了1024分辨率的图片,它的网络结构和生成结果如下。
cross domain学习
cross domain的学习,提供了更丰富的数据生成应用。
在传统的domain adaption中,我们需要学习或者训练一个domain adaptor,而这个domain adaptor需要用source domain和对应的target domain的训练图片来训练。coGAN【10】/align gan【11】可以在两个domain不存在对应样本的情况下学出一个联合分布,方法是每一个domain使用一个GAN,并且将高层的语义信息进行强制权值共享。
在这样的基础上,有一些很有意义的应用。比如苹果simGAN【12】用于优化仿真数据的方案,此时生成器G的输入是合成图像,而不是随机向量,它完美学习到了人工合成图片(synthetic images)数据分布到真实图片(real images)数据分布的映射。
下面是生成的结果,很有工程意义。
一些很酷的应用
下面再说一些很酷的应用,细节不再详述。
creative-gan【13】,用于生成艺术风格的图片。
DesignGan【14】,用于设计T恤。
TP-GAN【15】,用于人脸正脸化。
还有更多关于视频,音频的生成【16-19】,请关注我们后续文章和知乎专栏。
3.2 风格迁移
文【20】实现了像素级别的风格转换,它的关键是提供了两个域中有相同数据的成对训练样本,本质上,是一个CGAN。
cycle-gan【21】/dual-gan【22】则更胜一筹,不需要配对的数据集,可以实现源域和目标域的相互转换。
pairedcycle【23】,将源域和目标域的相互转换用到化妆和去妆,很有趣的应用。
文【24】学习了一个数据集到另一个数据集的迁移,可以用于迁移学习,如实现漫画风格。
文【25】实现了动作的迁移。
文【26】实现了年龄的仿真。
文【27】提出了一种去雨的算法,很有实际意义。
文【28】实现了卡通风格的转换。
文【29】实现了字体风格的迁移。
文【30】实现了去模糊。
更多风格化相关的应用,请关注配套知乎专栏。
3.3 超分辨重建
srgan【31】是最早使用GAN做超分辨重建的应用,它将输入从随机噪声改为低分辨率的图片,使用了残差结构和perception loss,有很大的应用价值。
超分辨重建可用于小脸的检测【32】,是个值得关注的方向。
其实GAN还有很多其他的应用,我们这里就不一一讲述了。后面在公众号的GAN专栏和知乎专栏,都会仔细解读。
参考文献
【1】Xue J H, Titterington D M. Comment on “On Discriminative vs. Generative Classifiers: A Comparison of Logistic Regression and Naive Bayes”[J]. Neural Processing Letters, 2008, 28(3):169.
【2】Goodfellow I, Pouget-Abadie J, Mirza M, et al. Generative adversarial nets[C]//Advances in neural information processing systems. 2014: 2672-2680.
【3】Radford A, Metz L, Chintala S. Unsupervised representation learning with deep convolutional generative adversarial networks[J]. arXiv preprint arXiv:1511.06434, 2015.
【4】Mirza M, Osindero S. Conditional generative adversarial nets[J]. arXiv preprint arXiv:1411.1784, 2014.
【5】Chen X, Duan Y, Houthooft R, et al. Infogan: Interpretable representation learning by information maximizing generative adversarial nets[C]//Advances in neural information processing systems. 2016: 2172-2180.
【6】Reed S, Akata Z, Yan X, et al. Generative adversarial text to image synthesis[J]. arXiv preprint arXiv:1605.05396, 2016.
【7】Denton E L, Chintala S, Fergus R. Deep generative image models using a laplacian pyramid of adversarial networks[C]//Advances in neural information processing systems. 2015: 1486-1494.
【8】Huang X, Li Y, Poursaeed O, et al. Stacked generative adversarial networks[C]//IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). 2017, 2(4).
【9】Karras T, Aila T, Laine S, et al. Progressive growing of gans for improved quality, stability, and variation[J]. arXiv preprint arXiv:1710.10196, 2017.
【10】Mao X, Li Q, Xie H. AlignGAN: Learning to align cross-domain images with conditional generative adversarial networks[J]. arXiv preprint arXiv:1707.01400, 2017.
【11】Liu M Y, Tuzel O. Coupled generative adversarial networks[C]//Advances in neural information processing systems. 2016: 469-477.
【12】Shrivastava A, Pfister T, Tuzel O, et al. Learning from simulated and unsupervised images through adversarial training[C]//The IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). 2017, 3(4): 6.
【13】Elgammal A, Liu B, Elhoseiny M, et al. CAN: Creative adversarial networks, generating" art" by learning about styles and deviating from style norms[J]. arXiv preprint arXiv:1706.07068, 2017.
【14】Sbai O, Elhoseiny M, Bordes A, et al. DeSIGN: Design Inspiration from Generative Networks[J]. arXiv preprint arXiv:1804.00921, 2018.
【15】Huang R, Zhang S, Li T, et al. Beyond face rotation: Global and local perception gan for photorealistic and identity preserving frontal view synthesis[J]. arXiv preprint arXiv:1704.04086, 2017.
【16】Creswell A, Bharath A A. Adversarial training for sketch retrieval[C]//European Conference on Computer Vision. Springer, Cham, 2016: 798-809.
【17】Tulyakov S, Liu M Y, Yang X, et al. Mocogan: Decomposing motion and content for video generation[J]. arXiv preprint arXiv:1707.04993, 2017.
【18】Juvela L, Bollepalli B, Wang X, et al. Speech waveform synthesis from MFCC sequences with generative adversarial networks[J]. arXiv preprint arXiv:1804.00920, 2018.
【19】Yu L, Zhang W, Wang J, et al. SeqGAN: Sequence Generative Adversarial Nets with Policy Gradient[C]//AAAI. 2017: 2852-2858.
【20】Isola P, Zhu J Y, Zhou T, et al. Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks[J]. 2016:5967-5976.
【21】Zhu J Y, Park T, Isola P, et al. Unpaired image-to-image translation using cycle-consistent adversarial networks[J]. arXiv preprint, 2017.
【22】Yi Z, Zhang H, Tan P, et al. Dualgan: Unsupervised dual learning for image-to-image translation[J]. arXiv preprint, 2017.
【23】Chang H, Lu J, Yu F, et al. Pairedcyclegan: Asymmetric style transfer for applying and removing makeup[C]//2018 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). 2018.
【24】Wei L, Zhang S, Gao W, et al. Person Transfer GAN to Bridge Domain Gap for Person Re-Identification[J]. arXiv preprint arXiv:1711.08565, 2017.
【25】Joo D, Kim D, Kim J. Generating a Fusion Image: One's Identity and Another's Shape[J]. arXiv preprint arXiv:1804.07455, 2018.
【26】Yang H, Huang D, Wang Y, et al. Learning face age progression: A pyramid architecture of gans[J]. arXiv preprint arXiv:1711.10352, 2017.
【27】Qian R, Tan R T, Yang W, et al. Attentive Generative Adversarial Network for Raindrop Removal from A Single Image[C]//Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2018: 2482-2491.
【28】Chen Y, Lai Y K, Liu Y J. CartoonGAN: Generative Adversarial Networks for Photo Cartoonization[C]//Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2018: 9465-9474.
【29】Azadi S, Fisher M, Kim V, et al. Multi-content gan for few-shot font style transfer[C]//Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2018, 11: 13.
【30】Kupyn O, Budzan V, Mykhailych M, et al. DeblurGAN: Blind Motion Deblurring Using Conditional Adversarial Networks[J]. arXiv preprint arXiv:1711.07064, 2017.
【31】Ledig C, Theis L, Huszár F, et al. Photo-realistic single image super-resolution using a generative adversarial network[J]. arXiv preprint, 2017.
【32】Bai Y, Zhang Y, Ding M, et al. Finding tiny faces in the wild with generative adversarial network[J]. CVPR. IEEE, 2018.
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