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jejz 2022-03-21 21:17 原文

GAN概述

在讲GAN之前，先讲一个小趣事，你知道GAN是怎么被发明的吗？据Ian Goodfellow自己说： 之前他一直在研究生成模型，可能是一时兴起，有一天他在酒吧喝酒时，在酒吧里跟朋友讨论起生成模型。然后Ian Goodfellow想到GAN的思想，跟朋友说你应该这么做这么做这么做，我打赌一定会有用。但是朋友不信，于是他直接从酒吧回去开始做实验，一晚上就写出了 GAN 论文。。。

这个故事告诉我们，喝酒，不仅能打醉拳，也能写出顶级论文.....

说完故事，就直接开始干（GAN）：GAN包含有两个模型，一个是生成模型（generative model），一个是判别模型(discriminative model)。生成模型的任务是生成看起来自然真实的、和原始数据相似的实例。判别模型的任务是判断给定的实例看起来是自然真实的还是人为伪造的（真实实例来源于数据集，伪造实例来源于生成模型）。

这可以看做一种零和游戏。论文采用类比的手法通俗理解：生成模型像“一个造假团伙，试图生产和使用假币”，而判别模型像“检测假币的警察”。生成器（generator）试图欺骗判别器（discriminator），判别器则努力不被生成器欺骗。模型经过交替优化训练，两种模型都能得到提升，但最终我们要得到的是效果提升到很高很好的生成模型（造假团伙），这个生成模型（造假团伙）所生成的产品能达到真假难分的地步。

然后GAN网络整体示意如下：

注：这里的G网络的输入是一个符合简单分布如高斯分布或者均匀分布的随机噪声。

结合整体模型图示，再以生成图片作为例子具体说明下面。我们有两个网络，G（Generator）和D（Discriminator）。Generator是一个生成图片的网络，它接收一个随机的噪声z，通过这个噪声生成图片，记做G(z)。Discriminator是一个判别网络，判别一张图片是不是“真实的”。它的输入是x，x代表一张图片，输出D（x）代表x为真实图片的概率，如果为1，就代表100%是真实的图片，而输出为0，就代表不可能是真实的图片。

相信到这里应该已经知道GAN整体上的架构了。下面说下训练

GAN模型优化训练

在训练过程中，生成网络的目标就是尽量生成真实的图片去欺骗判别网络D。而网络D的目标就是尽量把网络G生成的图片和真实的图片分别开来。这样，G和D构成了一个动态的“博弈过程”。这个博弈过程具体是怎么样的呢？

先了解下纳什均衡，纳什均衡是指博弈中这样的局面，对于每个参与者来说，只要其他人不改变策略，他就无法改善自己的状况。对应的，对于GAN，情况就是生成模型 G 恢复了训练数据的分布（造出了和真实数据一模一样的样本），判别模型再也判别不出来结果，准确率为 50%，约等于乱猜。这是双方网路都得到利益最大化，不再改变自己的策略，也就是不再更新自己的权重。

GAN模型的目标函数如下

在这里，训练网络D使得最大概率地分对训练样本的标签（最大化log D(x)和 [公式] ），训练网络G最小化log(1 – D(G(z)))，即最大化D的损失。而训练过程中固定一方，更新另一个网络的参数，交替迭代，使得对方的错误最大化，最终，G 能估测出样本数据的分布，也就是生成的样本更加的真实。

或者我们可以直接理解G网络的loss是[公式]，而D的loss是[公式]

然后从式子中解释对抗，我们知道G网络的训练是希望[公式]趋近于1，也就是正类，这样G的loss就会最小。而D网络的训练就是一个2分类，目标是分清楚真实数据和生成数据，也就是希望真实数据的D输出趋近于1，而生成数据的输出即[公式]趋近于0，或是负类。这里就是体现了对抗的思想。

然后，这样对抗训练之后，效果可能有几个过程，原论文画出的图如下：

黑色的线表示数据x的实际分布，绿色的线表示数据的生成分布，蓝色的线表示生成的数据对应在判别器中的分布效果

对于图a，D还刚开始训练，本身分类的能力还很有限，有波动，但是初步区分实际数据和生成数据还是可以的。图b，D训练得比较好了，可以很明显的区分出生成数据。然后对于图c：绿色的线与黑色的线的偏移，蓝色的线下降了，也就是生成数据的概率下降了。那么，由于绿色的线的目标是提升概率，因此就会往蓝色线高的方向移动。那么随着训练的持续，由于G网络的提升，G也反过来影响D的分布。假设固定G网络不动，训练D，那么训练到最优，[公式]。因此，随着[公式]趋近于[公式],[公式]会趋近于0.5，也就是到图d。而我们的目标就是希望绿色的线能够趋近于黑色的线，也就是让生成的数据分布与实际分布相同。图d符合我们最终想要的训练结果。到这里，G网络和D网络就处于纳什均衡状态，无法再进一步更新了。

当然，这里说明只是图示，对于详细证明为什么最终会收敛到 [公式]，就要看原论文了

然后看下原论文的整体算法：

简单理解：对于辨别器，如果得到的是生成图片辨别器应该输出 0，如果是真实的图片应该输出 1，得到误差梯度反向传播来更新参数。对于生成器，首先由生成器生成一张图片，然后输入给判别器判别并的到相应的误差梯度，然后反向传播这些图片梯度成为组成生成器的权重。直观上来说就是：辨别器不得不告诉生成器如何调整从而使它生成的图片变得更加真实。

GAN的优缺点

在基础讲完后就需要总结GAN的优缺点了，以下总结都来自Ian Goodfellow的答案，知友 

 也有总结，如下：

 

  • GNs是一种以半监督方式训练分类器的方法,可以参考我们的NIPS paper和相应代码.在你没有很多带标签的训练集的时候,你可以不做任何修改的直接使用我们的代码,通常这是因为你没有太多标记样本.我最近也成功的使用这份代码与谷歌大脑部门在深度学习的隐私方面合写了一篇论文
  • G的参数更新不是直接来自数据样本,而是使用来自D的反向传播
  • 理论上,只要是可微分函数都可以用于构建D和G,因为能够与深度神经网络结合做深度生成式模型
  • GANs可以比完全明显的信念网络(NADE,PixelRNN,WaveNet等)更快的产生样本,因为它不需要在采样序列生成不同的数据.
  • 模型只用到了反向传播,而不需要马尔科夫链
  • 相比于变分自编码器, GANs没有引入任何决定性偏置( deterministic bias),变分方法引入决定性偏置,因为他们优化对数似然的下界,而不是似然度本身,这看起来导致了VAEs生成的实例比GANs更模糊.
  • 相比非线性ICA(NICE, Real NVE等,),GANs不要求生成器输入的潜在变量有任何特定的维度或者要求生成器是可逆的.
  • 相比玻尔兹曼机和GSNs,GANs生成实例的过程只需要模型运行一次,而不是以马尔科夫链的形式迭代很多次.

劣势

  • 训练GAN需要达到纳什均衡,有时候可以用梯度下降法做到,有时候做不到.我们还没有找到很好的达到纳什均衡的方法,所以训练GAN相比VAE或者PixelRNN是不稳定的,但我认为在实践中它还是比训练玻尔兹曼机稳定的多.
  • 它很难去学习生成离散的数据,就像文本
  • 相比玻尔兹曼机,GANs很难根据一个像素值去猜测另外一个像素值,GANs天生就是做一件事的,那就是一次产生所有像素, 你可以用BiGAN来修正这个特性,它能让你像使用玻尔兹曼机一样去使用Gibbs采样来猜测缺失值, 我在伯克利大学的课堂上前二十分钟讲到了这个问题.课程链接,油管视频,请自带梯子~
  • 可解释性差,生成模型的分布 Pg(G)没有显式的表达

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