GAN生成對抗網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)筆記

00. 概念

GAN咙俩,全稱為 Generative Adversarial Nets耿戚,直譯為生成式對抗網(wǎng)絡(luò),是一種非監(jiān)督式模型阿趁。
2014年由Ian Goodfellow提出膜蛔,業(yè)內(nèi)另一位大牛 Yan Lecun 也對它交口稱贊,稱其為“20 年來機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域最酷的想法” 脖阵,至今為止GAN依然是炙手可熱的研究方向皂股。
“生成對抗網(wǎng)絡(luò)是一種生成模型(Generative Model),其背后基本思想是從訓(xùn)練庫里獲取很多訓(xùn)練樣本命黔,從而學(xué)習(xí)這些訓(xùn)練案例生成的概率分布呜呐。
而實(shí)現(xiàn)的方法,是讓兩個網(wǎng)絡(luò)相互競爭悍募,‘玩一個游戲’蘑辑。其中一個叫做生成器網(wǎng)絡(luò)( Generator Network),它不斷捕捉訓(xùn)練庫里真實(shí)圖片的概率分布坠宴,將輸入的隨機(jī)噪聲(Random Noise)轉(zhuǎn)變成新的樣本(也就是假數(shù)據(jù))洋魂。另一個叫做判別器網(wǎng)絡(luò)(Discriminator Network),它可以同時觀察真實(shí)和假造的數(shù)據(jù)喜鼓,判斷這個數(shù)據(jù)到底是不是真的副砍。”
--- Ian Goodfellow

Ian Goodfellow
GAN模型原理圖

01. 例子

生成sin 正玄曲線(使用keras)

import os
import random
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
from tqdm import tqdm_notebook as tqdm
from keras.models import Model
from keras.layers import Input, Reshape
from keras.layers.core import Dense, Activation, Dropout, Flatten
from keras.layers.normalization import BatchNormalization
from keras.layers.convolutional import UpSampling1D, Conv1D
from keras.layers.advanced_activations import LeakyReLU
from keras.optimizers import Adam, SGD
from keras.callbacks import TensorBoard
  1. Generative model:
    輸入:noise data
    輸出:嘗試生成真實(shí)的 sin 數(shù)據(jù)
def get_generative(G_in, dense_dim=200, out_dim=50, lr=1e-3):
    x = Dense(dense_dim)(G_in)
    x = Activation('tanh')(x)
    G_out = Dense(out_dim, activation='tanh')(x)
    G = Model(G_in, G_out)
    opt = SGD(lr=lr)
    G.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=opt)
    return G, G_out
  1. Discriminative model:
    輸出:識別此數(shù)據(jù)是真實(shí)的庄岖,還是由 Generative model 生成的
def get_discriminative(D_in, lr=1e-3, drate=.25, n_channels=50, conv_sz=5, leak=.2):
    x = Reshape((-1, 1))(D_in)
    x = Conv1D(n_channels, conv_sz, activation='relu')(x)
    x = Dropout(drate)(x)
    x = Flatten()(x)
    x = Dense(n_channels)(x)
    D_out = Dense(2, activation='sigmoid')(x)
    D = Model(D_in, D_out)
    dopt = Adam(lr=lr)
    D.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=dopt)
    return D, D_out
  1. chain the two models into a GAN:
    set_trainability 的作用是每次訓(xùn)練 generator 時要凍住 discriminator豁翎。
def set_trainability(model, trainable=False):
    model.trainable = trainable
    for layer in model.layers:
        layer.trainable = trainable

def make_gan(GAN_in, G, D):
    set_trainability(D, False)
    x = G(GAN_in)
    GAN_out = D(x)
    GAN = Model(GAN_in, GAN_out)
    GAN.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=G.optimizer)
    return GAN, GAN_out
  1. Training:
    交替訓(xùn)練 discriminator 和 chained GAN,在訓(xùn)練 chained GAN 時要凍住 discriminator 的參數(shù):
交替訓(xùn)練 discriminator 和 chained GAN
def sample_noise(G, noise_dim=10, n_samples=10000):
    X = np.random.uniform(0, 1, size=[n_samples, noise_dim])
    y = np.zeros((n_samples, 2))
    y[:, 1] = 1
    return X, y

def train(GAN, G, D, epochs=500, n_samples=10000, noise_dim=10, batch_size=32, verbose=False, v_freq=50):
    d_loss = []
    g_loss = []
    e_range = range(epochs)
    if verbose:
        e_range = tqdm(e_range)
    for epoch in e_range:
        X, y = sample_data_and_gen(G, n_samples=n_samples, noise_dim=noise_dim)
        set_trainability(D, True)
        d_loss.append(D.train_on_batch(X, y))

        X, y = sample_noise(G, n_samples=n_samples, noise_dim=noise_dim)
        set_trainability(D, False)
        g_loss.append(GAN.train_on_batch(X, y))
        if verbose and (epoch + 1) % v_freq == 0:
            print("Epoch #{}: Generative Loss: {}, Discriminative Loss: {}".format(epoch + 1, g_loss[-1], d_loss[-1]))
    return d_loss, g_loss

d_loss, g_loss = train(GAN, G, D, verbose=True)
  1. Results:
N_VIEWED_SAMPLES = 2
data_and_gen, _ = sample_data_and_gen(G, n_samples=N_VIEWED_SAMPLES)
pd.DataFrame(np.transpose(data_and_gen[N_VIEWED_SAMPLES:])).rolling(5).mean()[5:].plot()
訓(xùn)練結(jié)果圖
  1. 后記

這篇文章是在微信公號里看到的隅忿,原鏈接如下:https://mp.weixin.qq.com/s/8vw5LpOPAnNKQmQ_ck-oWg
但是原文中的代碼和描述并不完整心剥,原作者是Robin Ricard的blog中翻譯的,詳細(xì)內(nèi)容參見這篇文章:http://www.rricard.me/machine/learning/generative/adversarial/networks/keras/tensorflow/2017/04/05/gans-part2.html
我把代碼重新整理了一下背桐,做在 jupyter筆記中刘陶,這個是可以運(yùn)行的代碼(python3,tensorflow>=1.0,keras>=2.0),如果需要發(fā)郵件索取(我的郵箱582711548@qq.com)牢撼。

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