CycleGAN算法笔记

论文：Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks
论文链接：https://arxiv.org/abs/1703.10593
代码链接：https://github.com/junyanz/pytorch-CycleGAN-and-pix2pix

CycleGAN是发表在ICCV2017关于将GAN应用在无监督的图像到图像翻译（image-to-image translation）的著名算法，和应用于有监督图像翻译的pix2pix几乎是同一批作者。CycleGAN最大的特点是无监督，也就是不要求训练数据是成对的，只需要提供不同域（domain）的图像就能成功训练不同域之间图像的映射（或者叫翻译），这大大降低了图像翻译的门槛，毕竟某些类型的成对数据并不容易获取，比如同一个场景的夏天照片和冬天照片、同样造型的斑马和马等，因此CycleGAN是非常棒的一个作品。
关于成对和非成对数据的对比可以看Figure2，左边是成对的数据，也就是pix2pix算法所使用的训练数据；右边是非成对的数据，X和Y是不同域的数据，不同域的例子比如夏天和冬天、斑马和马、苹果和橘子等。

CycleGAN算法的整体示意图如Figure3所示，整体上包含2个GAN网络。
假设现在有X和Y两个域，可以简单理解为X为斑马，Y为马。在CycleGAN中有2个生成器，分别用G和F表示，如Figure3(a)所示，生成器G用来基于X域的图像生成Y域的图像（斑马->马）；生成器F用来基于Y域的图像生成X域的图像（马->斑马），这2个生成器的定位是相反的过程，通过(b)和©中的cycle-consistency loss进行约束。同时CycleGAN中有2个判别器，分别用DX和DY表示，用来判断输入的X域或Y域图像是真还是假。因此CycleGAN可以看做是2个GAN的融合，一个GAN由生成器G和判别器DY构成，实现从X域到Y域的图像生成和判别；另一个GAN由生成器F和判别器DX构成，实现从Y域到X域的图像生成和判别，两个网络构成循环（cycle）的过程。

CycleGAN的整个过程可以用如下示意图表示，截取自：https://hardikbansal.github.io/CycleGANBlog/。这个图对CycleGAN的描述非常清晰，该图总共分为上下2部分，分别表示从X域到Y域的图像生成和从Y域到X域的图像生成。

CycleGAN的整体优化目标如公式3所示，一共包含3个部分，第一部分LGAN(G,DY,X,Y)表示生成器G和判别器DY的优化目标；第二部分LGAN(F,DX,Y,X)表示生成器F和判别器DX的优化目标，这2部分是GAN算法本身的优化目标。第三部分Lcyc(G,F)表示cycle consistency loss，用于约束从变换域再变换到原域时图像的一致。

LGAN(G,DY,X,Y)如公式1所示，是常规GAN的优化目标，判别器DY要最大化这个优化目标，生成器G要最小化公式1中的后半部分。LGAN(F,DX,Y,X)也是同理。

另外作者在论文中提到，为了训练过程更加稳定，实际训练中采用的是基于最小二乘损失，以LGAN(G,D,X,Y)为例，判别器D的优化目标变成最小化$Ex\to pdata(y)[(D(y)-1{)}^2]+Ex\to pdata(x)[D(G(x){)}^2]$，这个优化目标的第一部分是希望D(y)尽可能接近1，也就是说在输入真实图像y时，判别器D认为输入是真实的概率尽可能高，第二部分是希望D(G(x))尽可能接近0，也就是说在输入生成的假图像G(x)时，判别器D认为输入是真实的概率尽可能低。生成器G的优化目标变成最小化$E\to pdata(x)[(D(G(x))-1{)}^2]$，这个优化目标是希望D(G(x))尽可能接近1，而D(G(x))越接近1表示判别器D越相信生成器G生成的图像G(x)是真实图像。
Lcyc(G,F)如公式2所示，其中G(x)表示从X域到Y域的变化，F(G(X))表示再从Y域变换到X域，模型训练的目标当然是希望F(G(X))尽可能和X接近，因此用L1距离来约束，也就是x->G(x)->F(G(x))≈x，作者将这个称之为forward cycle consistency；同理对于y->F(y)->G(F(y))≈y称之为backward cycle consistency。在Figure3(b)和©中也给出了这个损失的示意图。

实验结果：
在CycleGAN中对于损失函数的设定是模型训练成功的关键，因此在这篇论文中也对损失函数做了对比实验，如Table4和Table5所示，分别表示从标签到图像（Table4）和从图像到标签（Table5）的转换任务。

Figure7是Table4和Table5实验的效果图，可以看到Cycle alone和GAN+backward基本上都无法得到指定域的图像；GAN alone和GAN+forward在从图像生成标签任务中对于不同的输入图像，得到的标签基本上都是一样的，这是训练过程中遇到模式崩塌（mode collapse）的原因；CycleGAN在2种转换任务中都能得到理想的生成效果。

Figure13是CycleGAN的生成图样例。

Figure15是CycleGAN和其他图像风格迁移算法的对比。