【生成对抗网络】GAN生成对抗网络理论知识
GAN生成对抗网络目录
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- 引入Generator
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- Network as Generator
- 为什么要训练Generator：需要输出是分布
- 引入GAN
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- Basic Idea of GAN：
- 区分Unconditional generation 与 Conditional generation
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- Unconditional generation
- Conditional generation
- 引入Discriminator
- Generator、Discriminator算法训练：
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- Step 1：定住Generator，只 train Discriminator
- Step 2：定住Discriminator，只 train Generator
- Step 3：反复训练
- GAN理论部分（Theory behind GAN）
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- 想minimize P d a t a P_{data} Pdata和 P G P_{G} PG的 Divergence
- 怎么计算Divergence（两个分布之间的某种距离）
- GAN理论部分（Theory behind GAN）小结：
- GAN训练的小Tips
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- WGAN
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- JS Divergence存在的问题
- 使用Wasserstein distance代替JS Divergence
- Wasserstein distance计算方法
- 其他Tips
- GAN应用于Sequence Generation的问题（生成文字）
- 其他Generative Models
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- Variational Autoencoder（VAE）
- Flow-based Model
- 使用监督学习的方法
- GAN的评价指标（Evaluation of Generation）
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- Mode Collapse 和 Mode Dropping 问题
- 衡量指标Incention Score和Incention Distance
- 衡量指标出现的其他问题
引入Generator
之前的 network 都是一个 function，给一个 x 输出一个 y
Network as Generator
network 的输入会加上一个 random 的 variable（Z），其中 Z 是从某一个 distribution sample 出来的。
注：
1、可以 input 的一样长的 X、Z 相加或者向量连接为长向量也可以，输入到 network 。2、其中 Z 是不固定的，每一个使用 network 都会随机生成一个 Z（每次都不一样）。
3、其中的限制：distribution 够简单（知道公式），可以从 distribution 做 sample，distribution 可以是 gaussian distribution 或者 uniform distribution 。
4、可以输出一个 distribution 的 network 称为 Generator 。
为什么要训练Generator：需要输出是分布
当任务需要一点创造力的时候（想找一个 function ，在同样的输入有多种可能的输出，而且不同输出都是对的）例如：Drawing、Chatbot 。
引入GAN
Generator model 最出名就是 Generative Adversarial Network（GAN）。
GAN 有各式各样的变形：ACGAN、BGAN、CGAN、DCGAN、EBGAN、FGAN、GoGAN…（the-gan-zoo）
Basic Idea of GAN：
演化的故事：枯叶蝶对应就是Generator，它的天敌比比鸟就是Discriminator。Generator 要画出二次元人物骗过 Discriminator（对抗的关系）
以生成动漫人物人脸为例子：
区分Unconditional generation 与 Conditional generation
Unconditional generation
举例：让机器生成动画二次元人物的脸（Unconditional generation）
Unconditional generation ：先把 x 拿掉（Conditional generation再把 x 加回来），所以 Generator 的输入是 Z ，输出是 y （输入的 Z 是从一个 normal distribution （不一定得是这个）sample 出来的向量，通常是 Low-dim vector ，维度是自己定的；y 是一个二次元人物的脸，是 high-dim vector）。
Conditional generation
Conditional generation再把 x 加回来，根据Condition x 和 z 来产生 y。
应用：Text-to-image（文字对图片的生成）、Image Traslation （也称为pix2pix）根据图片生成图片…
Text-to-image也是一个 Supervised Learning 的问题。
Conditional generation 出现的问题
Generator只要产生图片骗过Discriminator，不必管 x 的文字是什么。
解决方法：输入到Discriminator不只是图片 y ，还有 x。训练这样的Discriminator需要文字跟影像成对的资料（Pair Data）
引入Discriminator
GAN 中，除了 Generator，还需多训练一个 Discriminator。
Discriminator：（本身也是一个 network ，也是一个 function ）
它会拿一张图片作为输入，输出是一个 Scalar（数值），Scalar 越大说明输入的图片越像真实的二次元人物的图像。
注：
Generator、Discriminator 的 neural network 架构都是可以自己设计（可以用CNN、Transformer都可以）
Generator、Discriminator算法训练：
Generator、Discriminator就是两个network，network在训练前需对参数进行初始化。
Step 1：定住Generator，只 train Discriminator
一开始Generator的参数是随机初始化的，此时固定住等于啥也没做，此时输入一堆向量，输出乱七八糟的图片（杂讯），从gaussian distribution里去random sample一堆vector输入到Generator（这些图片与正常二次元人物非常不像）；database有很多二次元人物头像sample一些头像，拿真正的与Generator产生的结果去训练Discriminator。Discriminator训练的目标就是分辨真正的二次元人物与Generator产生的之间的差异。（可能会将真正的标为1，Generator产生的标位0，Discriminator做分类或回归）
Step 2：定住Discriminator，只 train Generator
目标：让Generator想方法去骗过Discriminator。
Generator从gaussian distribution sample 一个vector作为输入，产生一个图片，然后丢到 Discriminator给一个Scalar （Discriminator 参数是固定的，只会调整Generator的参数）
Generator调整参数使得输出的让Discriminator给高分（训练 Generator 调整参数也是使用 gradient descent 的方法）
Step 3：反复训练
注（其他）：
StyleGAN（19年）产生的动漫头像很逼真，ProgressiveGAN产生真实的人脸。
GAN的Generator就是输入一个向量输出一张图片，还可以把输入的向量做内插（interpolation），可以看到两张图片之间连续的变化。
GAN理论部分（Theory behind GAN）
想minimize P d a t a P_{data} Pdata和 P G P_{G} PG的 Divergence
vector 通过 Normal Distribution ——> Generators ——> Distribution（复杂，称为 P G P_G PG）
P G P_G PG 与真正的data形成的 Distribution （称为 P d a t a P_{data} Pdata）求Divergence（期待 P G P_G PG 和 P d a t a P_{data} Pdata 越接近越好 Divergence（两个分布之间的某种距离））
实质：找一个
Loss function（找一个 G G G 使得 P G P_G PG 和 P d a t a P_{data} Pdata 的 Divergence 越小越好）（例如KL Divergence、JS Divergence）
怎么计算Divergence（两个分布之间的某种距离）
GAN很好的突破了怎么计算Divergence的问题。
GAN思路：只要知道怎么从 P G P_G PG , P d a t a P_{data} Pdata 这两个Distribution Sample东西出来，就有办法计算Divergence。不需要实际知道 P G P_G PG , P d a t a P_{data} Pdata的公式。
借助 Discriminator 计算 Divergence：
一大堆的real data（从 P d a t a P_{data} Pdata Sample出来的结果），也有一大堆 generative data（从 P G P_G PG Sample出来的结果）。根据real data和generative data训练一个Discriminator，目标：看到real data就给比较高的分数，看到generative data给低分。
上述过程可以视为一个 Optimization 的问题，这个问题就是要训练一个Discriminator，可以去maximize某一个function（Objective Function）（minimize的function称为Loss Function）。
希望从 P d a t a P_{data} Pdata Sample的 D ( y ) D(y) D(y) 越大越好，希望从 P G P_{G} PG Sample的 D ( y ) D(y) D(y) 越小越好。原来的 Objective Function 写成这样是为了Discriminator和二元分类扯上关系，这个 Objective Function 就是 cross entropy 乘一个负号。
注：
Objective Function的最大值跟JS Divergence有关。
总结：不知道怎么计算 Divergence，但是train Discriminator，train完后看看 Objective Function 可以到多大，这个值就跟 Divergence 有关。
GAN理论部分（Theory behind GAN）小结：
本来的目标：找一个 Generator 去minimize P G P_G PG 和 P d a t a P_{data} Pdata 的 Divergence
因为不知道怎么计算 Divergence ：训练一个 Discriminator，训练完后 Objective Function 的最大值就是跟JS Divergence有关。
注：可以改Objective Function 来换为其他的 Divergence。
paper：f-GAN: Training Generative Neural Samplers using Variational Divergence Minimization 列举了不同的 Divergence 需如何设计 Objective Function 去找 maximum value）
GAN训练的小Tips
GAN is difficult to train.
WGAN
WGAN就是使用Wasserstein distance取代JS Divergence的 GAN 。
JS Divergence存在的问题
JS Divergence的问题： P G P_G PG 和 P d a t a P_{data} Pdata 往往重叠的部分非常少 ！
理由1、data本身特性（ P G P_G PG 和 P d a t a P_{data} Pdata 是高维空间的低维的manifold，例如二维空间的线，重叠的很少）。
理由2、 P G P_G PG 和 P d a t a P_{data} Pdata 都是Sample出来的，可能Sample得不合理。
注：两个没有重叠的分布，
JS Divergence算出来永远都是 l o g 2 log2 log2（不管分布长什么样）。
当使用JS Divergence时，训练 binary classifier 去分辨 real image 和 generative image 的时候，正确率是100%，所以在GAN训练过程binary classifier的 loss 或者 accuracy 都没有意义。
使用Wasserstein distance代替JS Divergence
解决方法：既然是JS Divergence的问题，换一个衡量两个 distribution 的相似程度的方式（换一种Divergence）
，使用Wasserstein distance（也称为Earth Mover Distance（EMD））
注：
Wasserstein distance会穷举所有的 Moving Plans ，看哪一个 “推土” 的方法让平均距离最小，取最小值。（一个 Optimization 问题）
Wasserstein distance计算方法
max D ∈ 1 − L i p s c h i t z { E y ∼ P d a t a [ D ( y ) ] − E y ∼ P G [ D ( y ) ] } \max\limits_{D\in1-Lipschitz} {\{ ~E_{y\sim P_{data}}[D(y)]-E_{y\sim P_{G}}[D(y)]~\}} D∈1−Lipschitzmax{ Ey∼Pdata[D(y)]−Ey∼PG[D(y)] }
解上述式子解完就是 P d a t a P_{data} Pdata 和 P G P_{G} PG 的Wasserstein distance。
对式子进行解释：
其中 y y y 如果从 P d a t a P_{data} Pdata 中来的，要计算 D ( y ) D(y) D(y) 的期望值， y y y 如果从 P G P_{G} PG中来的，要计算 D ( y ) D(y) D(y) 的期望值，再乘上一个负号。
D D D 不能是一个随便的 Function，必须是一个1-Lipschitz 的 Function，意思就是 D D D 是一个足够平滑的 Function。
若 D D D 不是一个足够平滑的 Function。只看大括号中，只想要 D ( y ∼ d a t a ) D({y_{\sim data})} D(y∼data) 越大越好， D ( y ∼ G ) D({y_{\sim G})} D(y∼G) 越小越好（没有重叠），Discriminator会给 real image 打 ∞ ∞ ∞，给 generated image 打 − ∞ -∞ −∞，导致 training 无法收敛，算出来 max D ∈ 1 − L i p s c h i t z { E y ∼ P d a t a [ D ( y ) ] − E y ∼ P G [ D ( y ) ] } \max\limits_{D\in1-Lipschitz} {\{ ~E_{y\sim P_{data}}[D(y)]-E_{y\sim P_{G}}[D(y)]~\}} D∈1−Lipschitzmax{ Ey∼Pdata[D(y)]−Ey∼PG[D(y)] }就是无限大。
怎么确保 Discriminator 一定符合 D ∈ 1 − L i p s c h i t z D\in1-Lipschitz D∈1−Lipschitz ：
思路：
一、最早的WGAN paper（Original WGAN思路是修改 Weight）: 训练网络时，训练的参数 w w w 放于 c c c 与 − c -c −c 之间， i f if if w > c w>c w>c， w = c w=c w=c； i f if if w < − c w<-c w<−c； w = − c w=-c w=−c（不一定真的能使Discriminator变成 1-Lipschitz 的 Function ）。
二、paper:Improved WGAN ：思路是 Gradient Penalty:使用方法Spectral Normalization（ SNGAN ） 限制 D ∈ 1 − L i p s c h i t z D\in1-Lipschitz D∈1−Lipschitz （ Keep gradient norm smaller than 1 everywhere ）。
其他Tips
- Tips from Soumith
https://github.com/soumith/ganhacks- Tips in DCGAN: Guideline for network architecture designfor image generation
https://arxiv.org/abs/1511.06434.- lmproved techniques for training GANs
https://arxiv.org/abs/1606.03498.- Tips from BigGAN
https://arxiv.org/abs/1809.11096
GAN应用于Sequence Generation的问题（生成文字）
训练 GAN 最难的就是拿 GAN 来生成文字
生成文字是一个 Seq2seq 模型 Decoder会产生一段文字（Seq2seq 模型就是Generator，Decoder扮演Generator角色）
问题难点：若用 gradient descent 去训练Generator（Decoder），让 Discriminator 输出分数越大越好做不到。因为小小变化改变了Decoder的参数，输出的 Distribution也会小小变化，但是对取 max 分布的 Token 无影响，对Discriminator 的输出没有影响。
注：遇到 gradient descent 的问题可以使用
reinforcement Learning（RL）硬做，但是在此问题上，二者都比较难训练。
解决方法：Training language GANs from Scratch ( paper ) 不用预训练，但需大量调参和 tips。引入 SeqGAN-step 技术，需要很大的 batch size…
其他Generative Models
Variational Autoencoder（VAE）
Flow-based Model
使用监督学习的方法
重点是图片对应随机的 vector 训练起来结果比较差。要特殊的方法处理这些 vector 。
GAN的评价指标（Evaluation of Generation）
思路：训练一个影像的分类器。
Mode Collapse 和 Mode Dropping 问题
光使用这个做法会让Mode Collapse的问题骗过去
Mode Collapse：Generative model 输出的图片来来去去都是那几张。
Mode Dropping的问题：产生出来的资料的分布只是真实资料分布的一部分。
评估的参数：
Quality：只看一个图片，一个图片输入进Classifier的时候，分布有没有非常集中，越集中 Quality 越大
Diversity：看一堆图片，看分布的平均，总的越平均 Diversity 越大。
衡量指标Incention Score和Incention Distance
Incention Score（IS）：分类器 CNN 是用一个 Trip 来做的， Quality 高且 Diversity 大， Incention Score就越大。
Frechet Incention Distance ：
paper：Are GANs Created Equal? A Large-Scale Study
注：
FID存在的问题：
一、输出的分布当做 Gaussians Distribution 可能存在问题。
二、要准确得到 Network 的分布，可能需要大量 Sample 。
三、实际操作可能会参考FID和例如动漫人物人脸检测出的数目等其他指标。
衡量指标出现的其他问题
Real Data 和 Generated Data 一模一样（计算的FID非常小，或者人脸辨识系统也打高分）
paper：Pros and cons of GAN evalustion measures 列举了20几种GAN Generator的评估方式