基于Keras的DCGAN实现

基于Keras的DCGAN实现

说明：所有图片均来自网络，如有侵权请私信我删

参考资料

• 基于Keras的DCGAN实现的外文博客：GAN by Example using Keras on Tensorflow Backend
• GitHub上关于GAN网络实现技巧文章：How to Train a GAN? Tips and tricks to make GANs work
• 提出DCGAN网络的科技论文：Unsupervised Representation Learning with Deep Convolutional Generative Adversarial Networks

DCGAN简介

Wikipedia定义

生成对抗网络（Generative Adversarial Network，简称GAN）是非监督式学习的一种方法，通过让两个神经网络相互博弈的方式进行学习。

生成对抗网络由一个生成网络与一个判别网络组成。生成网络从潜在空间（latent space）中随机采样作为输入，其输出结果需要尽量模仿训练集中的真实样本。判别网络的输入则为真实样本或生成网络的输出，其目的是将生成网络的输出从真实样本中尽可能分辨出来。而生成网络则要尽可能地欺骗判别网络。两个网络相互对抗、不断调整参数，最终目的是使判别网络无法判断生成网络的输出结果是否真实。

通俗解释

这里使用警察和假币制造者的例子进行说明：判别网络就是警察，生成网络就是假币制造者。假币制造者通过随意购买的材料制造伪钞，然后交给警察判别真假，警察将真假货币特征告诉假币制造者，假币制造者改良制造工艺，如此一直循环下去，直到有一天，假币制造者将自己的伪钞给警察的时候，竟然骗过了警察的火眼金睛，达到了以假乱真的程度。

这就是对抗生成网络，Adversarial说明了该网络的方式是通过两个网络的对抗来完成任务的，Generative说明了该网络是用来生成一些不存在的东西的，比如图片，比如诗歌等等。

实现细节

实现代码GitHub地址：https://github.com/theonegis/keras-examples.git

首先，来看一张图，这张图就是GAN的原理图，也是我们实现的指导思想。

所以，代码的核心是实现两个网络，以及训练过程。

判别网络

判别网络的架构如下：我们的输入是一个 28×28×1 28 × 28 × 1 的一张图片，中间经过四个卷积层变成 4×4×512 4 × 4 × 512 的一个张量（tensor），然后我们使用一个Flatten和一个Dense层，最后的激活函数选择sigmoid，输出判别概率。

判别网络中其它的激活层使用LeakyReLu函数，并添加Dropput层。

def discriminator_model(self):

    # 28*28*1-->14*14*64-->7*7*128-->4*4*256-->4*4*512

    dropout = 0.4

    model = Sequential()
    model.add(Conv2D(64, kernel_size=3, strides=2, padding="same",
                     input_shape=self.img_shape))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(Dropout(dropout))

    model.add(Conv2D(128, kernel_size=3, strides=2, padding="same"))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(Dropout(dropout))

    model.add(Conv2D(256, kernel_size=3, strides=2, padding="same"))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(Dropout(dropout))

    model.add(Conv2D(512, kernel_size=3, strides=1, padding="same"))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(Dropout(dropout))

    model.add(Flatten())
    model.add(Dense(1))
    model.add(Activation('sigmoid'))

    model.summary()

    image = Input(shape=self.img_shape)
    validity = model(image)

    return Model(image, validity)`

生成网络

生成网络的架构如下：我们的输入是一个100维的向量（vector），经过Dense和Reshape变换为 7×7×256 7 × 7 × 256 大小的张量，然后经过四个逆卷积（转置卷积）得到最后的输出（ 28×28×1 28 × 28 × 1 ）。整个过程没有使用全连接，使用转置卷积直接替换上采样和卷积层（某些资料说能达到更好的效果）。

激活层之前都使用了BatchNormalization，激活函数除了最后输出层采用tanh，其它都采用relu。

def generator_model(self):

    # 100-->7*7*256-->14*14*128-->28*28*64-->28*28*32-->28*28*1

    model = Sequential()
    model.add(Dense(256 * 7 * 7, input_shape=(self.latent_dim,)))
    model.add(BatchNormalization(momentum=0.9))
    model.add(Activation('relu'))
    model.add(Reshape((7, 7, 256)))

    model.add(Conv2DTranspose(128, kernel_size=3, strides=2, padding='same'))
    model.add(BatchNormalization(momentum=0.9))
    model.add(Activation('relu'))

    model.add(Conv2DTranspose(64, kernel_size=3, strides=2, padding='same'))
    model.add(BatchNormalization(momentum=0.9))
    model.add(Activation('relu'))

    model.add(Conv2DTranspose(32, kernel_size=3, padding='same'))
    model.add(BatchNormalization(momentum=0.9))
    model.add(Activation('relu'))

    model.add(Conv2DTranspose(self.channels, kernel_size=3, padding='same'))
    model.add(Activation('tanh'))

    model.summary()

    noise = Input(shape=(self.latent_dim,))
    image = model(noise)
    return Model(noise, image)

对抗生成网络

对抗生成网络就是把生成网络和判别网络组合在一起，架构如下：

注意在Adversarial网络中，Discriminative网络不参与训练，只参与判别，就是说Discriminative网络的权重值不发生变换。

class DCGAN():
    def __init__(self):
        # Input shape
        self.img_rows = 28
        self.img_cols = 28
        self.channels = 1
        self.img_shape = (self.img_rows, self.img_cols, self.channels)
        self.latent_dim = 100

        optimizer = Adam(lr=0.0002, beta_1=0.5, decay=1e-8)

        # Build and compile the discriminator
        self.discriminator = self.discriminator_model()
        self.discriminator.compile(loss='binary_crossentropy',
                                   optimizer=optimizer,
                                   metrics=['accuracy'])

        # Build the generator
        self.generator = self.generator_model()

        # The generator takes noise as input and generates images
        noise = Input(shape=(self.latent_dim,))
        images = self.generator(noise)

        # For the combined model we will only train the generator
        self.discriminator.trainable = False
        # The discriminator takes generated images as input and determines validity
        validity = self.discriminator(images)

        # The adversarial model  (stacked generator and discriminator)
        self.adversarial = Model(noise, validity)
        self.adversarial.compile(loss='binary_crossentropy',
                                 optimizer=optimizer,
                                 metrics=['accuracy'])

训练过程

在训练过程中，我们首先加载MNIST数据集，然后将其归一化到[-1, 1]区间。

首先，训练判别网络，这里的实现是一个epoch中给定一半的伪造图片，一半的真实图片。

然后，训练生成网络。

对于生成网络的输入，我们采用[-1, 1]区间的正态分布的随机数据。此外，我们这里的真假标签没有直接使用1和0，而是对于真实图片使用[0.7, 1.2]区间的随机值，对于伪造图片使用[0.0, 0.3]区间的随机值。

def train(self, epochs, batch_size=256, save_interval=100):

    # Load the dataset
    (x_train, _), (_, _) = mnist.load_data()
    # Rescale to [-1, 1]
    x_train = (x_train.astype(np.float32) - 127.5) / 127.5
    x_train = np.expand_dims(x_train, axis=3)

    for epoch in range(epochs):

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

        half_batch = int(batch_size / 2)
        # Select a random half batch of images
        idx = np.random.randint(0, x_train.shape[0], half_batch)
        real_img = x_train[idx]

        # Sample noise and generate a half batch of new images
        noise = truncnorm.rvs(-1, 1, size=(half_batch, self.latent_dim))
        fake_img = self.generator.predict(noise)

        # Train the discriminator (real classified as ones and generated as zeros)
        x = np.concatenate((real_img, fake_img))
        real_label = truncnorm.rvs(0.7, 1.2, size=(half_batch, 1))
        fake_label = truncnorm.rvs(0.0, 0.3, size=(half_batch, 1))
        y = np.concatenate((real_label, fake_label))
        d_loss = self.discriminator.train_on_batch(x, y)

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

        # Sample generator input
        noise = truncnorm.rvs(-1, 1, size=(batch_size, self.latent_dim))

        # Train the generator (wants discriminator to mistake images as real)
        real_label = truncnorm.rvs(0.7, 1.2, size=(batch_size, 1))
        a_loss = self.adversarial.train_on_batch(noise, real_label)

        # Plot the progress
        print('{} [D loss: {:.5f}, acc: {:.3f}] [A loss: {:.5f}, acc: {:.3f}]'.
              format(epoch, d_loss[0], d_loss[1], a_loss[0], a_loss[1]))

        # If at save interval => save generated image samples
        if (epoch + 1) % save_interval == 0:
            self.save_result(epoch)
            self.generator.save('generator_{}.h5'.format(epoch))
            self.discriminator.save('discriminator_{}.h5'.format(epoch))

def save_result(self, epoch):
    rows, cols = 5, 5
    noise = truncnorm.rvs(-1, 1, size=(rows * cols, self.latent_dim))
    images = self.generator.predict(noise)

    fig, axs = plt.subplots(rows, cols)
    cnt = 0
    for i in range(rows):
        for j in range(cols):
            axs[i, j].imshow(images[cnt, :, :, 0], cmap='gray')
            axs[i, j].axis('off')
            cnt += 1
    fig.savefig("mnist-{0:0>5}.png".format(epoch + 1), dpi=300)
    plt.close()

最后的结果如下：

存在问题

1. 我训练过程中的日志输出中的Accuracy一直是0，不知道什么回事？
2. 最后模型收敛以后，感觉 5×5 5 × 5 的图片中，也不是每张的效果都很好。