李宏毅学习笔记32.GAN.03.Unsupervised Conditional Generation

简介

上节讲了Conditional GAN，这个GAN是监督学习，带标签的，这节看Unsupervised Conditional GAN
公式输入请参考：在线Latex公式
Conditional GAN如果做到Unsupervised呢？我们先来看几个例子：
Transform an object from one domain to another without paired data (e.g. style transfer)
有两组数据，一组是正常的风景照，一组是复古画，两组数据没有任何的联系。现在要训练一个NN，把风景照图片转换为复古画。

Unsupervised Conditional Generation

从文献上看有两大类的做法。
Approach 1: Direct Transformation（直接转，只能小改：颜色、纹理），主要用在：For texture or color change

• Approach 2: Projection to Common Space（抽取图片的特征，眼镜、男性。再生成对应的动漫角色），主要用在：Larger change, only keep the semantics（下面的例子不是实作的效果）

下面分别详细讲：

Direct Transformation

现有有两个domain的数据：

现在的问题是如果输入Domain X的数据，然后用Generator：$G_{X\to Y}$生成对应的Domain Y的图片？如果是监督学习那是没问题的，因为Generator看过Domain Y的风格。现在是非监督的学习方法。

于是我们需要加入一个根据Domain Y的Discriminator：$D_Y$：

这个$D_Y$可以输出一个向量，用于鉴别图片是不是输入Domain Y的风格的图片。

Generator就要要生成类似Domain Y的风格的图片，骗过Discriminator：

但是如果仅仅是这样，Generator可以直接生成一张与原输入无关，但是与Domain Y的风格类似的图片就直接可以骗过Discriminator：

我们来看如何解决这个问题：

法1：直接忽略

法1：直接忽略这个问题，因为当Generator不是很deep的时候（很shallow），输入和输出不会差得太远，例如你输入一个山水画，输出一个人头这样的事情是不会出现的。
The issue can be avoided by network design. Simpler generator makes the input and output more closely related.[Tomer Galanti, et al. ICLR, 2018]

法2：向量化限制

法2：当Generator比较deep，这个时候可以把模型的输入输出接两个预训练（pre-trained）好的NN，这两个NN把Generator的输入和输出分别embedding为一个向量。然后训练Generator条件变为：输入和输出的embedding要越相近越好，然后还要尽量骗过Discriminator：

法3：Cycle GAN

法3：[Jun-Yan Zhu, et al., ICCV, 2017]，用两个Generator，第二个（橙色的）Generator要把第一个Generator生成对象重新还原回原输入的照片。两个Generator接在一起，被称为：Cycle GAN。

上面还有一个变种，很容易理解，注意模块的颜色：

下面看Cycle GAN的实例：
https://github.com/Aixile/chainer-cyclegan

全部转为银发：

Issue of Cycle Consistency

上面的例子我们可以看到转化的图片中（注意红框中的黑点）隐藏了一些信息（The information is hidden.）这个好吗？
从加密的角度来看这个和隐写术很像（• CycleGAN: a Master of Steganography (隱寫術)：[Casey Chu, et al., NIPS workshop, 2017] ）
但是从我们之前的约束中提到要使得$G_{X\to Y}$的输入和输出不能差太远，限制Generator会自己把信息藏起来了，就会使得输入输出差别较大，不好。

其他Cycle GAN

同一时间不同作者提出来的与Cycle GAN一样的东西：
Disco GAN[Taeksoo Kim, et al., ICML, 2017]

Dual GAN[Zili Yi, et al., ICCV, 2017]

starGAN For multiple domains

For multiple domains, considering starGAN[Yunjey Choi, arXiv, 2017]
(a)Cross-domain models

(b)StarGAN

starGAN里面其实用到了Cycle GAN，看下大概步骤：
(a)Training the discriminator，吃一个图片，输出两个东西，一个是图片是真假，一个是图片所属的Domain。


这里的b和c就是用到了Cycle GAN的思想，左边的Generator吃输入图片和目标Domain，输出一个Fake Image，然后右边的Generator吃Fake Image加源Domain要还原回输入图片，而且左边的Generator输出的Fake Image要尽量骗过Discriminator（一来是真图片，二来是目标Domain）。
下面看实例：
(a)Training the discriminator

这里表示multi-domain的方法是用编码：

上面的黄色模块00101就是对应：Brown/Young的两个特征。

另外一个改表情的例子：

Projection to Common Space

我们想要做到：
真人图片丢到$E{N}_X$，可以抽出真人的特征到latent vector（橙色），然后经过二次元的$D{E}_Y$得到对应的二次元图片
二次元图片丢到$E{N}_Y$，可以抽出二次元的特征到latent vector（橙色），然后经过真人的$D{E}_X$得到对应的二次元图片

如果是监督学习，我们已经有真人和二次元特征的对应关系，那很好做，但是我们现在没有他们之间的关系，只有：

那怎么训练两组encoder和decoder呢？我们把真人的encoder和decoder一起训练，二次元的encoder和decoder一起训练：

如果只是以Minimizing reconstruction error为目标，就是单纯的AE了，之前说过，这样生成的图片会很模糊，因此我们要加一个Discriminator模块：

这样我们就得到了$E{N}_X+D{E}_X+D_X$和$E{N}_Y+D{E}_Y+D_Y$两套VAE GAN
Because we train two auto-encoders separately …
The images with the same attribute may not project to the same position in the latent space.
可能真人的特征表示用第一维表示性别，第二维表示眼镜；而二次元的特征表示用第一维表示眼镜，第二维表示性别。
因此会得到：

解决这个问题可以用：
法1：
部分参数共享，就是真人和二次元模型的部分隐藏层的参数是共享的（注意下图中虚线的部分）。

使用这个技巧的两个文章：
Couple GAN[Ming-Yu Liu, et al., NIPS, 2016]
UNIT[Ming-Yu Liu, et al., NIPS, 2017]
实作上：直接用code代表不同的Domain，例如1表示真人，-1表示二次元，Encoder和decoder用的是同一套。
法2：
在中间的特征表示上接一个Domain Discriminator，这个Discriminator可以判断特征表示是来自哪个Encoder。而两个Encoder的限制多了一个：要使得Domain Discriminator无法分辨特征表示是来自哪个Encoder。意味两个Encoder产生的特征表示都来自同一个分布。
The domain discriminator forces the output of $E{N}_X$ and $E{N}_Y$ have the same distribution.[Guillaume Lample, et al., NIPS, 2017]

法3：
Cycle Consistency: Used in ComboGAN [Asha Anoosheh, et al., arXiv, 017]
真人图片经过1.2.3.4.5.个步骤还原回真人图片，这两个图片越像越好。当然右边的输出还要分别满足两个Discriminator的条件。

法4：
Semantic Consistency: Used in DTN [Yaniv Taigman, et al., ICLR, 2017] and XGAN [Amélie Royer, et al., arXiv, 2017]
真人图片经过1号步骤得到的特征表示，以及真人图片经过1.2.3.4.号步骤得到的特征表示要越接近越好。
因为上面的法3中最后比较差异是比较两个图片，我们说过图片与图片的pixel to pixel的比较是有缺陷的，因此这里直接用特征表示进行比较。

例子：https://github.com/Hi-king/kawaii_creator
It is not cycle GAN, Disco GAN.
数据：

结果，老师变身萌妹子。。。

Voice Conversion

In the past，用的监督学习的方法，要有一堆对应的声音：

然后训练一个seq2seq的模型就可以了，但是这个模型是有缺陷的，例如我想要变声为张学友，那很难请到张学友跟我一起念同样的句子，然后来训练，很麻烦。那如果我想要变声为尼古拉斯凯奇，那就很难搞了，因为他不会中文，就算请到他也讲不来相同的句子。
Today，我们只要收集两组声音，不用讲一样的内容就可以进行训练。
Speakers A and B are talking about completely different things.

Reference

• Jun-Yan Zhu, Taesung Park, Phillip Isola, Alexei A. Efros, Unpaired Image-toImage Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks, ICCV, 2017
• Zili Yi, Hao Zhang, Ping Tan, Minglun Gong, DualGAN: Unsupervised Dual Learning for Image-to-Image Translation, ICCV, 2017
• Tomer Galanti, Lior Wolf, Sagie Benaim, The Role of Minimal Complexity Functions in Unsupervised Learning of Semantic Mappings, ICLR, 2018
• Yaniv Taigman, Adam Polyak, Lior Wolf, Unsupervised Cross-Domain Image Generation, ICLR, 2017
• Asha Anoosheh, Eirikur Agustsson, Radu Timofte, Luc Van Gool, ComboGAN: Unrestrained Scalability for Image Domain Translation, arXiv, 2017
• Amélie Royer, Konstantinos Bousmalis, Stephan Gouws, Fred Bertsch, Inbar Mosseri, Forrester Cole, Kevin Murphy, XGAN: Unsupervised Image-to-Image Translation for Many-to-Many Mappings, arXiv, 2017
• Guillaume Lample, Neil Zeghidour, Nicolas Usunier, Antoine Bordes, Ludovic Denoyer, Marc’Aurelio Ranzato, Fader Networks: Manipulating Images by Sliding Attributes, NIPS, 2017
• Taeksoo Kim, Moonsu Cha, Hyunsoo Kim, Jung Kwon Lee, Jiwon Kim, Learning to Discover Cross-Domain Relations with Generative Adversarial Networks, ICML, 2017
• Ming-Yu Liu, Oncel Tuzel, “Coupled Generative Adversarial Networks”, NIPS, 2016
• Ming-Yu Liu, Thomas Breuel, Jan Kautz, Unsupervised Image-to-Image Translation Networks, NIPS, 2017
• Yunjey Choi, Minje Choi, Munyoung Kim, Jung-Woo Ha, Sunghun Kim, Jaegul Choo, StarGAN: Unified Generative Adversarial Networks for Multi-Domain Image-to-Image Translation, arXiv, 2017