Gan学习

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GAN原理介绍

说到GAN第一篇要看的paper当然是Ian Goodfellow大牛的Generative Adversarial Networks（arxiv：https://arxiv.org/abs/1406.2661），这篇paper算是这个领域的开山之作。

GAN的基本原理其实非常简单，这里以生成图片为例进行说明。假设我们有两个网络，G（Generator）和D（Discriminator）。正如它的名字所暗示的那样，它们的功能分别是：

• 生成模型G是一个生成图片的网络，生成模型 G 捕捉样本数据的分布，用服从某一分布（均匀分布，高斯分布等）的噪声 z ，通过这个噪声生成图片，记做G(z)，追求效果是越像真实样本越好。
• 判别模型D是一个判别图片的网络，判别模型 D 是一个二分类器，判别一张图片是不是“真实的”。它的输入参数是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。

在训练过程中，生成网络G的目标就是尽量生成真实的图片去欺骗判别网络D。而D的目标就是尽量把G生成的图片和真实的图片分别开来。如图所示：

那么GAN是如何来做的呢？首先，我们又一个第一代的Generator，然后他产生一些图片，然后我们把这些图片和一些真实的图片丢到第一代的Discriminator里面去学习，让第一代的Discriminator能够真实的分辨生成的图片和真实的图片，然后我们又有了第二代的Generator，第二代的Generator产生的图片，能够骗过第一代的Discriminator，此时，我们在训练第二代的Discriminator，依次类推。

如何训练新一代的Generator来骗过上一代的Discriminator，方法其实很简单，你可以把新一代的Generator和上一代的Discriminator连起来形成一个新的NN，我们希望最终的输出接近1，然后我们就可以拿中间的结果当作我们的新的图片的输出，下图很形象的显示了上面的过程：

在训练的过程中固定一方，更新另一方的网络权重(即上图中的update the parameters)，交替迭代，在这个过程中，双方都极力优化自己的网络，从而形成竞争对抗，直到双方达到一个动态的平衡（纳什均衡），此时生成模型 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，在最理想的状态下，G可以生成足以“以假乱真”的图片G(z)。对于D来说，它难以判定G生成的图片究竟是不是真实的，因此D(G(z)) = 0.5，约等于乱猜。

这样我们的目的就达成了：我们得到了一个生成式的模型G，它可以用来生成图片。

以上只是大致说了一下GAN的核心原理，如何用数学语言描述呢？这里直接摘录论文里的公式：

简单分析一下这个公式：

• 整个式子由两项构成。x表示真实图片，z表示输入G网络的噪声，而G(z)表示G网络生成的图片。
• D(x)表示D网络判断真实图片是否真实的概率（因为x就是真实的，所以对于D来说，这个值越接近1越好）。而D(G(z))是D网络判断G生成的图片的是否真实的概率。
• G的目的：上面提到过，D(G(z))是D网络判断G生成的图片是否真实的概率，G应该希望自己生成的图片“越接近真实越好”。也就是说，G希望D(G(z))尽可能得大，这时V(D, G)会变小。因此我们看到式子的最前面的记号是min_G。
• D的目的：D的能力越强，D(x)应该越大，D(G(x))应该越小。这时V(D,G)会变大。因此式子对于D来说是求最大(max_D)

那么如何用随机梯度下降法训练D和G？论文中也给出了算法：

这里红框圈出的部分是我们要额外注意的。第一步我们训练D，D是希望V(G, D)越大越好，所以是加上梯度(ascending)。第二步训练G时，V(G, D)越小越好，所以是减去梯度(descending)。整个训练过程交替进行。

最右边的一列是真实样本的图像，前面五列是生成网络生成的样本图像，可以看到生成的样本还是很像真实样本的，只是和真实样本属于不同的类，类别是随机的。