5分钟入门GANS：原理解释和keras代码实现

2020-08-24

介绍

生成对抗网络通常也称为GANs，用于生成图像而不需要很少或没有输入。GANs允许我们生成由神经网络生成的图像。在我们深入讨论这个理论之前，我想向您展示GANs构建您兴奋感的能力。把马变成斑马(反之亦然)。

历史

生成式对抗网络(GANs)是由Ian Goodfellow (GANs的GAN Father)等人于2014年在其题为"生成式对抗网络"的论文中提出的。它是一种可替代的自适应变分编码器(VAEs)学习图像的潜在空间，以生成合成图像。它的目的是创造逼真的人工图像，几乎无法与真实的图像区分。

GAN的直观解释

生成器和鉴别器网络:

生成器网络的目的是将随机图像初始化并解码成一个合成图像。

鉴别器网络的目的是获取这个输入，并预测这个图像是来自真实的数据集还是合成的。

正如我们刚才看到的，这实际上就是GANs，两个相互竞争的对抗网络。

GAN的训练过程

GANS的训练是出了名的困难。在CNN中，我们使用梯度下降来改变权重以减少损失。

然而，在GANs中，每一次重量的变化都会改变整个动态系统的平衡。

在GAN的网络中，我们不是在寻求将损失最小化，而是在我们对立的两个网络之间找到一种平衡。

我们将过程总结如下

1. 输入随机生成的噪声图像到我们的生成器网络中生成样本图像。

1. 我们从真实数据中提取一些样本图像，并将其与一些生成的图像混合在一起。

1. 将这些混合图像输入到我们的鉴别器中，鉴别器将对这个混合集进行训练并相应地更新它的权重。

1. 然后我们制作更多的假图像，并将它们输入到鉴别器中，但是我们将它们标记为真实的。这样做是为了训练生成器。我们在这个阶段冻结了鉴别器的权值(鉴别器学习停止)，并且我们使用来自鉴别器的反馈来更新生成器的权值。这就是我们如何教我们的生成器(制作更好的合成图像)和鉴别器更好地识别赝品的方法。

流程图如下

对于本文，我们将使用MNIST数据集生成手写数字。GAN的架构是:

使用KERAS实现GANS

首先，我们加载所有必要的库

import os
os.environ["KERAS_BACKEND"] = "tensorflow"
import numpy as np
from tqdm import tqdm
import matplotlib.pyplot as plt

from keras.layers import Input
from keras.models import Model, Sequential
from keras.layers.core import Reshape, Dense, Dropout, Flatten
from keras.layers.advanced_activations import LeakyReLU
from keras.layers.convolutional import Convolution2D, UpSampling2D
from keras.layers.normalization import BatchNormalization
from keras.datasets import mnist
from keras.optimizers import Adam
from keras import backend as K
from keras import initializers

K.set_image_dim_ordering('th')

# Deterministic output.
# Tired of seeing the same results every time? Remove the line below.
np.random.seed(1000)

# The results are a little better when the dimensionality of the random vector is only 10.
# The dimensionality has been left at 100 for consistency with other GAN implementations.
randomDim = 100

现在我们加载数据集。这里使用MNIST数据集，所以不需要单独下载和处理。

(X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data()
X_train = (X_train.astype(np.float32) - 127.5)/127.5
X_train = X_train.reshape(60000, 784)

接下来，我们定义生成器和鉴别器的结构

# Optimizer
adam = Adam(lr=0.0002, beta_1=0.5)#generator
generator = Sequential()
generator.add(Dense(256, input_dim=randomDim, kernel_initializer=initializers.RandomNormal(stddev=0.02)))
generator.add(LeakyReLU(0.2))
generator.add(Dense(512))
generator.add(LeakyReLU(0.2))
generator.add(Dense(1024))
generator.add(LeakyReLU(0.2))
generator.add(Dense(784, activation='tanh'))
generator.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=adam)#discriminator
discriminator = Sequential()
discriminator.add(Dense(1024, input_dim=784, kernel_initializer=initializers.RandomNormal(stddev=0.02)))
discriminator.add(LeakyReLU(0.2))
discriminator.add(Dropout(0.3))
discriminator.add(Dense(512))
discriminator.add(LeakyReLU(0.2))
discriminator.add(Dropout(0.3))
discriminator.add(Dense(256))
discriminator.add(LeakyReLU(0.2))
discriminator.add(Dropout(0.3))
discriminator.add(Dense(1, activation='sigmoid'))
discriminator.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=adam)

现在我们把发生器和鉴别器结合起来同时训练。

# Combined network
discriminator.trainable = False
ganInput = Input(shape=(randomDim,))
x = generator(ganInput)
ganOutput = discriminator(x)
gan = Model(inputs=ganInput, outputs=ganOutput)
gan.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=adam)

dLosses = []
gLosses = []

三个函数，每20个epoch绘制并保存结果，并保存模型。

# Plot the loss from each batch
def plotLoss(epoch):
    plt.figure(figsize=(10, 8))
    plt.plot(dLosses, label='Discriminitive loss')
    plt.plot(gLosses, label='Generative loss')
    plt.xlabel('Epoch')
    plt.ylabel('Loss')
    plt.legend()
    plt.savefig('images/gan_loss_epoch_%d.png' % epoch)

# Create a wall of generated MNIST images
def plotGeneratedImages(epoch, examples=100, dim=(10, 10), figsize=(10, 10)):
    noise = np.random.normal(0, 1, size=[examples, randomDim])
    generatedImages = generator.predict(noise)
    generatedImages = generatedImages.reshape(examples, 28, 28)

    plt.figure(figsize=figsize)
    for i in range(generatedImages.shape[0]):
        plt.subplot(dim[0], dim[1], i+1)
        plt.imshow(generatedImages[i], interpolation='nearest', cmap='gray_r')
        plt.axis('off')
    plt.tight_layout()
    plt.savefig('images/gan_generated_image_epoch_%d.png' % epoch)

# Save the generator and discriminator networks (and weights) for later use
def saveModels(epoch):
    generator.save('models/gan_generator_epoch_%d.h5' % epoch)
    discriminator.save('models/gan_discriminator_epoch_%d.h5' % epoch)

训练函数

def train(epochs=1, batchSize=128):
    batchCount = X_train.shape[0] / batchSize
    print 'Epochs:', epochs
    print 'Batch size:', batchSize
    print 'Batches per epoch:', batchCount

    for e in xrange(1, epochs+1):
        print '-'*15, 'Epoch %d' % e, '-'*15
        for _ in tqdm(xrange(batchCount)):
            # Get a random set of input noise and images
            noise = np.random.normal(0, 1, size=[batchSize, randomDim])
            imageBatch = X_train[np.random.randint(0, X_train.shape[0], size=batchSize)]

            # Generate fake MNIST images
            generatedImages = generator.predict(noise)
            # print np.shape(imageBatch), np.shape(generatedImages)
            X = np.concatenate([imageBatch, generatedImages])

            # Labels for generated and real data
            yDis = np.zeros(2*batchSize)
            # One-sided label smoothing
            yDis[:batchSize] = 0.9

            # Train discriminator
            discriminator.trainable = True
            dloss = discriminator.train_on_batch(X, yDis)

            # Train generator
            noise = np.random.normal(0, 1, size=[batchSize, randomDim])
            yGen = np.ones(batchSize)
            discriminator.trainable = False
            gloss = gan.train_on_batch(noise, yGen)

        # Store loss of most recent batch from this epoch
        dLosses.Append(dloss)
        gLosses.append(gloss)

        if e == 1 or e % 20 == 0:
            plotGeneratedImages(e)
            saveModels(e)

    # Plot losses from every epoch
    plotLoss(e)

至此一个简单的GAN已经完成了，完整的代码在这里找到

github/bhaveshgoyal27/mediumblogs/blob/master/KerasMNISTGAN.py

作者：Bhavesh Goyal

deephub翻译组