CycleGAN：图片风格，想换就换 | ICCV 2017论文解读

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这是 PaperDaily 的第 51 篇文章

本期推荐的论文笔记来自 PaperWeekly 社区用户 @LUOHAO。本文提出的模型名为 CycleGAN，作者希望在不借助 paired example 情况下，来实现图片的风格转换。

如果你对本文工作感兴趣，点击底部的阅读原文即可查看原论文。

关于作者：罗浩，浙江大学博士研究生，研究方向为计算机视觉和深度学习，现为旷视科技（Face++）的 research intern。

■ 论文 | Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks

■ 链接 | https://www.paperweekly.site/papers/807

■ 源码 | https://junyanz.github.io/CycleGAN/

前言

CycleGAN 是发表于 ICCV17 的一篇 GAN 工作，可以让两个 domain 的图片互相转化。传统的 GAN 是单向生成，而 CycleGAN 是互相生成，网络是个环形，所以命名为 Cycle。

并且 CycleGAN 一个非常实用的地方就是输入的两张图片可以是任意的两张图片，也就是 unpaired。

单向GAN

读者可以按照原论文的顺序理解 CycleGAN，这里我按照自己的思路解读。CycleGAN 本质上是两个镜像对称的 GAN，构成了一个环形网络。其实只要理解了一半的单向 GAN 就等于理解了整个CycleGAN。

上图是一个单向 GAN 的示意图。我们希望能够把 domain A 的图片（命名为 a）转化为 domain B 的图片（命名为图片 b）。

为了实现这个过程，我们需要两个生成器 G_AB 和 G_BA，分别把 domain A 和 domain B 的图片进行互相转换。

图片 A 经过生成器 G_AB 表示为 Fake Image in domain B，用 G_AB(a) 表示。而 G_AB(a) 经过生辰器 G_BA 表示为图片 A 的重建图片，用 G_BA(G_AB(a)) 表示。

最后为了训练这个单向 GAN 需要两个 loss，分别是生成器的重建 loss 和判别器的判别 loss。

判别 loss：判别器 D_B 是用来判断输入的图片是否是真实的 domain B 图片，于是生成的假图片 G_AB(A) 和原始的真图片 B 都会输入到判别器里面，公示挺好理解的，就是一个 0,1 二分类的损失。最后的 loss 表示为：

生成 loss：生成器用来重建图片 a，目的是希望生成的图片 G_BA(G_AB(a)) 和原图 a 尽可能的相似，那么可以很简单的采取 L1 loss 或者 L2 loss。最后生成 loss 就表示为：

以上就是 A→B 单向 GAN 的原理。

CycleGAN

CycleGAN 其实就是一个 A→B 单向 GAN 加上一个 B→A 单向 GAN。两个 GAN 共享两个生成器，然后各自带一个判别器，所以加起来总共有两个判别器和两个生成器。一个单向 GAN 有两个 loss，而 CycleGAN 加起来总共有四个 loss。

CycleGAN 论文的原版原理图和公式如下，其实理解了单向 GAN 那么 CycleGAN 已经很好理解。 

X→Y 的判别器损失为，字母换了一下，和上面的单向 GAN 是一样的：

同理，Y→X 的判别器损失为：

而两个生成器的 loss 加起来表示为：

最终网络的所有损失加起来为：

论文里面提到判别器如果是对数损失训练不是很稳定，所以改成的均方误差损失，如下：

下面放一张网友们自制的 CycleGAN 示意图，比论文原版的更加直观。

效果展示

CycleGAN 的效果还是不错的，论文里给出了很多结果图，可以欣赏一下。

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