使用PyTorch构建GAN生成对抗网络源码（详细步骤讲解+注释版）02 人脸识别 下

上一节，我们已经建立好了模型所必需的鉴别器类与Dataset类。
使用PyTorch构建GAN生成对抗网络源码（详细步骤讲解+注释版）02 人脸识别 上
接下来，我们测试一下鉴别器是否可以正常工作，并建立生成器。

1 测试鉴别器

# 数据类建立
celeba_dataset = CelebADataset(r'F:\学习\AI\对抗网络\face-data\celeba_aligned_small.h5py')
celeba_dataset.plot_image(66)

# 鉴别器类建立
D = Discriminator()
D.to(device)

for image_data_tensor in celeba_dataset:
    # real data
    D.train(image_data_tensor, torch.cuda.FloatTensor([1.0]))
    # fake data
    D.train(generate_random_image((218,178,3)), torch.cuda.FloatTensor([0.0]))

此处我们调用了两个类，一个是celeba_dataset(Dataset)类，一个是D(Discriminator)类。两个类在博文的上篇中完成了定义。此处分别使用real数据与fake数据对模型进行训练。fake数据使用的是随机生成的不规则像素点，real数据使用的是真是人脸数据。
在使用GPU的情况，此处预计会消耗5分钟左右。
训练完成后，可以绘制损失值的变化以查看训练效果。

D.plot_progress()
plt.show()

2 建立生成器

生成器与鉴别器高度类似，仅网络的结构和训练部分略有不同。
网格结构选取的是输入层为100个节点，中间层为单层结构，包含3*10*10个节点，输出层为3 * 218 * 178。输出层是完全根据照片的像素格式来确定的，输入层与中间层可以根据经验进行修改与优化。各层之间均采用全连接的连接方式。相关部分的代码如下：

class Generator(nn.Module):

    def __init__(self):
        # 父类继承
        super().__init__()

        # 定义神经网络
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(100, 3 * 10 * 10),
            nn.LeakyReLU(),

            nn.LayerNorm(3 * 10 * 10),

            nn.Linear(3 * 10 * 10, 3 * 218 * 178),

            nn.Sigmoid(),
            View((218, 178, 3))
        )

在进行损失计算时，我们将鉴别器的返回值作为实际输出，将torch.cuda.FloatTensor([1.0]作为目标输出，来计算损失。相关比分的代码如下：

class Generator(nn.Module):
    def train(self, D, inputs, targets):
        # 计算输出
        g_output = self.forward(inputs)

        # 将输出传至鉴别器
        d_output = D.forward(g_output)

        # 计算损失
        loss = D.loss_function(d_output, targets)

对于生成器的完整代码，也将在文末进行提供。

3 测试生成器

未经训练的生成器，应该具备生成类似雪花马赛克的随机图像能力。下面建立了一个生成器类，并用未经训练的生成器直接输出图像。

G = Generator()
G.to(device)

output = G.forward(generate_random_seed(100))
img = output.detach().cpu().numpy()
plt.imshow(img, interpolation='none', cmap='Blues')
plt.show()

如果代码运行正常，应得到类似下面的图象。

4 训练生成器

训练时，对数据集进行遍历，并且依次执行下面三步：

1. 使用真实照片数据，对鉴别器进行训练，期望的鉴别器输出值为1；
2. 使用生成器输出的fake数据，对鉴别器进行训练，期望的鉴别器输出值为0；
3. 使用鉴别器的返回值，训练生成器，生成器所希望的鉴别器输出为1
   具体代码如下：

for image_data_tensor in celeba_dataset:
    # train discriminator on true
    D.train(image_data_tensor, torch.cuda.FloatTensor([1.0]))

    # train discriminator on false
    # use detach() so gradients in G are not calculated
    D.train(G.forward(generate_random_seed(100)).detach(), torch.cuda.FloatTensor([0.0]))

    # train generator
    G.train(D, generate_random_seed(100), torch.cuda.FloatTensor([1.0]))

在训练后，可以分别查看鉴别器与生成器的损失变化曲线。

D.plot_progress()
G.plot_progress()

下图为鉴别器损失值变化曲线

下图为生成器损失值变化曲线

5 使用生成器

6 内存查看

最后可以查看一下本次训练的内存使用情况
（1）分配给张量的当前内存（输出单位是GB）

torch.cuda.memory_allocated(device) / (1024*1024*1024)

我的输出结果为：0.6999950408935547
（2）分配给张量的总内存（输出单位是GB）

torch.cuda.max_memory_allocated(device) / (1024*1024*1024)

我的输出结果为：0.962151050567627
（3）内存消耗汇总

print(torch.cuda.memory_summary(device, abbreviated=True))

输出结果如下：

|===========================================================================|
|                  PyTorch CUDA memory summary, device ID 0                 |
|---------------------------------------------------------------------------|
|            CUDA OOMs: 0            |        cudaMalloc retries: 0         |
|===========================================================================|
|        Metric         | Cur Usage  | Peak Usage | Tot Alloc  | Tot Freed  |
|---------------------------------------------------------------------------|
| Allocated memory      |  733998 KB |     985 MB |   14018 GB |   14017 GB |
|---------------------------------------------------------------------------|
| Active memory         |  733998 KB |     985 MB |   14018 GB |   14017 GB |
|---------------------------------------------------------------------------|
| GPU reserved memory   |    1086 MB |    1086 MB |    1086 MB |       0 B  |
|---------------------------------------------------------------------------|
| Non-releasable memory |    9426 KB |   12685 KB |  353393 MB |  353383 MB |
|---------------------------------------------------------------------------|
| Allocations           |      68    |      87    |    2580 K  |    2580 K  |
|---------------------------------------------------------------------------|
| Active allocs         |      68    |      87    |    2580 K  |    2580 K  |
|---------------------------------------------------------------------------|
| GPU reserved segments |      15    |      15    |      15    |       0    |
|---------------------------------------------------------------------------|
| Non-releasable allocs |      11    |      14    |    1410 K  |    1410 K  |
|---------------------------------------------------------------------------|
| Oversize allocations  |       0    |       0    |       0    |       0    |
|---------------------------------------------------------------------------|
| Oversize GPU segments |       0    |       0    |       0    |       0    |
|===========================================================================|

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