pytorch实现GAN的小例子--生成Minist手写体图片

最近在学习Handwriting Transformers手写体生成,里面用到了复杂的GAN模型,所以最近开始学习GAN。记录一下一个pytorch实现GAN的小例子,下面代码可以直接运行。

​ 运行环境是 python == 3.8,pytorch == 1.8,cuda == 10.2

​ 代码注释中有详细的注释。

​ 代码参考该为博主博客:参考

​ 上述代码是前几年的,我将代码有些地方按照现在pytorch的习惯重新写了一下。

import torch
import torch.nn as nn
from torchvision import transforms
from torchvision import datasets
from torchvision.utils import  save_image, make_grid
import os
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"]="0"

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 
#创建文件夹
if not os.path.exists('./img'):
    os.mkdir('./img')
    
batch_size=128
num_epoch=20
z_dimension=100
 
#图形啊处理过程
img_transform=transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Lambda(lambda x: x.repeat(3,1,1)), # 将单通道图片转换成三通道
    transforms.Normalize(mean=(0.5,0.5,0.5),std=(0.5,0.5,0.5))
])
 
#mnist dataset mnist数据集下载
mnist=datasets.MNIST(
    root='./data/',train=True,transform=img_transform,download=True
)
 
#data loader 数据载入
dataloader=torch.utils.data.DataLoader(
    dataset=mnist,batch_size=batch_size,shuffle=True
)
 
 
#定义判别器  #####Discriminator######使用多层网络来作为判别器
 
#将图片28x28展开成784,然后通过多层感知器,中间经过斜率设置为0.2的LeakyReLU激活函数,
# 最后接sigmoid激活函数得到一个0到1之间的概率进行二分类。
class discriminator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(discriminator,self).__init__()
        self.dis=nn.Sequential(
            nn.Linear(784,256),#输入特征数为784,输出为256
            nn.LeakyReLU(0.2),#进行非线性映射
            nn.Linear(256,256),#进行一个线性映射
            nn.LeakyReLU(0.2),
            nn.Linear(256,1),
            nn.Sigmoid()#也是一个激活函数,二分类问题中,
            # sigmoid可以班实数映射到【0,1】,作为概率值,
            # 多分类用softmax函数
        )
    def forward(self, x):
        x=self.dis(x)
        return x
 
 
####### 定义生成器 Generator #####
#输入一个100维的0~1之间的高斯分布,然后通过第一层线性变换将其映射到256维,
# 然后通过LeakyReLU激活函数,接着进行一个线性变换,再经过一个LeakyReLU激活函数,
# 然后经过线性变换将其变成784维,最后经过Tanh激活函数是希望生成的假的图片数据分布
# 能够在-1~1之间。
class generator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(generator,self).__init__()
        self.gen=nn.Sequential(
            nn.Linear(100,256),#用线性变换将输入映射到256维
            nn.ReLU(True),#relu激活
            nn.Linear(256,256),#线性变换
            nn.ReLU(True),#relu激活
            nn.Linear(256,784),#线性变换
            nn.Tanh()#Tanh激活使得生成数据分布在【-1,1】之间
        )
 
    def forward(self, x):
        x=self.gen(x)
        return x
 
#创建对象
D=discriminator()
G=generator()
D = D.to(device)
G = G.to(device)
 
 
 
#########判别器训练train#####################
#分为两部分:1、真的图像判别为真;2、假的图像判别为假
#此过程中,生成器参数不断更新
 
#首先需要定义loss的度量方式  (二分类的交叉熵)
#其次定义 优化函数,优化函数的学习率为0.0003
criterion = nn.BCELoss() #是单目标二分类交叉熵函数
d_optimizer=torch.optim.Adam(D.parameters(),lr=0.0003)
g_optimizer=torch.optim.Adam(G.parameters(),lr=0.0003)
 
###########################进入训练##判别器的判断过程#####################
 
for epoch in range(num_epoch): #进行多个epoch的训练
    for i,(img, _) in enumerate(dataloader):
#         print(img.shape) # torch.Size([128, 3, 28, 28])
        b, c, h, w = img.shape
#         print(b, c, h, w)
        # view()函数作用是将一个多行的Tensor,拼接成一行
        # 第一个参数是要拼接的tensor,第二个参数是-1
        # =============================训练判别器==================
        img = img.view(b, c, -1)  # 将图片展开为28*28=784 torch.Size([128, 3, 784])
        real_img = img.to(device)  # 将tensor变成Variable放入计算图中
        real_label = torch.ones(b, c, 1).to(device)  # 定义真实的图片label为1
        fake_label = torch.zeros(b, c, 1).to(device) # 定义假的图片的label为0
 
        # 计算真实图片的损失
        real_out = D(real_img)  # 将真实图片放入判别器中
        print(real_out.shape, real_label.shape)
        d_loss_real = criterion(real_out, real_label)  # 得到真实图片的loss
        real_scores = real_out  # 得到真实图片的判别值,输出的值越接近1越好
 
        # 计算假的图片的损失
        z = torch.randn(b, c, z_dimension).to(device)  # 随机生成一些噪声
        print('zzzzzz', z.shape)
        fake_img = G(z)  # 随机噪声放入生成网络中,生成一张假的图片
        print('fake_img', fake_img.shape)
        fake_out = D(fake_img)  # 判别器判断假的图片
        print(fake_out.shape, fake_label.shape)
        d_loss_fake = criterion(fake_out, fake_label)  # 得到假的图片的loss
        fake_scores = fake_out  # 得到假图片的判别值,对于判别器来说,假图片的损失越接近0越好
 
        # 损失函数和优化
        d_loss = d_loss_real + d_loss_fake #损失包括判真损失和判假损失
        d_optimizer.zero_grad()  # 在反向传播之前,先将梯度归0
        d_loss.backward()  # 将误差反向传播
        d_optimizer.step()  # 更新参数
 
        # ==================训练生成器============================
        ################################生成网络的训练###############################
        # 原理:目的是希望生成的假的图片被判别器判断为真的图片,
        # 在此过程中,将判别器固定,将假的图片传入判别器的结果与真实的label对应,
        # 反向传播更新的参数是生成网络里面的参数,
        # 这样可以通过更新生成网络里面的参数,来训练网络,使得生成的图片让判别器以为是真的
        # 这样就达到了对抗的目的
 
        # 计算假的图片的损失
 
        z = torch.randn(b, c, z_dimension).to(device)  # 得到随机噪声
        fake_img = G(z) #随机噪声输入到生成器中,得到一副假的图片
        output = D(fake_img)  # 经过判别器得到的结果
        g_loss = criterion(output, real_label)  # 得到的假的图片与真实的图片的label的loss
 
        # bp and optimize
        g_optimizer.zero_grad()  # 梯度归0
        g_loss.backward()  # 进行反向传播
        g_optimizer.step()  # .step()一般用在反向传播后面,用于更新生成网络的参数
 
        #打印中间的损失
        if (i+1)%5==0:
            print('Epoch[{}/{}],d_loss:{:.6f},g_loss:{:.6f} '
                  'D real: {:.6f},D fake: {:.6f}'.format(
                epoch,num_epoch,d_loss,g_loss.data,
                real_scores.data.mean(),fake_scores.data.mean()  #打印的是真实图片的损失均值
            ))
 
        if epoch==0:
#             real_images=to_img(real_img.cpu().data)
            real_img = real_img.view(b, c, h, w)
            real_images = make_grid(real_img.cpu().data, 16, 0)
            save_image(real_images, './img/real_images.png')
 
#         fake_images = to_img(fake_img.cpu().data)
        print('saveeeeeefake',fake_img.shape)
        fake_img = fake_img.view(b, c, h, w)
        fake_images = make_grid(fake_img.cpu().data, 16, 0)
        save_image(fake_images, './img/fake_images-{}.png'.format(epoch+1))
        
#保存模型
torch.save(G.state_dict(),'./generator.pth')
torch.save(D.state_dict(),'./discriminator.pth')

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