独家 | GAN大盘点，聊聊这些年的生成对抗网络 : LSGAN, WGAN, CGAN, infoGAN, EBGAN, BEGAN, VAE

训练”稳定”，样本的”多样性”和”清晰度”似乎是GAN的 3大指标 — David 9

VAE与GAN

聊到随机样本生成, 不得不提VAE与GAN, VAE用KL-divergence和encoder-decoder的方式逼近真实分布. 但这些年GAN因其”端到端”灵活性和隐式的目标函数得到广泛青睐. 而且, GAN更倾向于生成清晰的图像:

GAN在10次Epoch后就可以生成较清晰的样本, 而VAE的生成样本依旧比较模糊. 所以GAN大盘点前, 我们先比较一下VAE与GAN的结构差别:

VAE训练完全依靠一个假设的loss函数和KL-divergence逼近真实分布:

GAN则没有假设单个loss函数, 而是让判别器D和生成器G之间进行一种零和博弈, 一方面, 生成器G要以生成假样本为目的(loss评估), 欺骗判别器D误认为是真实样本:

另一方面, 判别器D要以区分真实样本x和假样本G(z)为最终目的(loss评估):

一般, 判别器D在GAN训练中是比生成器G更强的网络, 毕竟, 网络G要从D的判别过程中学到”以假乱真”的方法. 所以, 很大程度上, G是跟着D学习的.

当然, 生成对抗网络也有一些问题, 比如经常很难训练(DCGAN试图解决), 有时候(特别是高像素图像), GAN生成图像不清晰, 还有时候, 生成图片多样性太差(只是对真实样本的简单改动).

这些问题, 催生出近年来各种有意思的GAN改进算法:

LSGAN(最小二乘GAN)

传统GAN中, D网络和G网络都是用简单的交叉熵loss做更新, 最小二乘GAN则用最小二乘(Least Squares) Loss 做更新:

选择最小二乘Loss做更新有两个好处, 1. 更严格地惩罚远离数据集的离群Fake sample, 使得生成图片更接近真实数据(同时图像也更清晰) 2. 最小二乘保证离群sample惩罚更大, 解决了原本GAN训练不充分(不稳定)的问题:

但缺点也是明显的, LSGAN对离离群点的过度惩罚, 可能导致样本生成的”多样性”降低, 生成样本很可能只是对真实样本的简单”模仿”和细微改动.

WGAN

DCGAN用经验告诉我们什么是比较稳定的GAN网络结构, 而WGAN告诉我们: 不用精巧的网络设计和训练过程, 也能训练一个稳定的GAN.

WGAN 通过剪裁D网络参数的方式, 对D网络进行稳定更新(Facebook采用了一种名叫”Earth-Mover“的距离来度量分布相似度).

但是, 有时一味地通过裁剪weight参数的方式保证训练稳定性, 可能导致生成低质量低清晰度的图片.

WGAN-GP

为了解决WGAN有时生成低质量图片的问题, WGAN-GP舍弃裁剪D网络weights参数的方式, 而是采用裁剪D网络梯度的方式(依据输入数据裁剪), 以下是WGAN-GP的判别器D的Value函数和生成器G的Value函数:

WGAN-GP在某些情况下是WGAN的改进, 但是如果你已经用了一些可靠的GAN方法, 其实差距并不大:

DRAGAN

DRAGAN本质上也是一种梯度裁剪（虽然文章自称是新颖的正则化方式），其判别器和生成器的价值函数类似WGAN-GP：

作者的初衷是希望避开局部最优解，获得更稳定的GAN训练。该算法另一个特点是实现简单， 作者提供的源码如下：

https://github.com/kodalinaveen3/DRAGAN

EBGAN（基于能量函数的GAN）

EBGAN我们在之前一期讨论过，EBGAN在边缘的生成效果上更流畅, 而且加了特殊的正则项, 在生成的类别上, EBGAN更倾向于生成不同的脸型和人种，下图是论文EBGAN和DCGAN的比较：

EGGAN的判别器比较特殊用了encoder-decoder的结构：

BGAN（Boundary-Seeking GAN）

BGAN优势在于生成离散样本（当然像图像这样的连续样本也可以支持）。

BGAN的生成器以不断生成决策边界上的样本为目标：

SGAN(Stacked GAN)

SGAN是一种结构创新的GAN，通过堆叠多个GAN网络，实现生成模型的信息“分层化”：

实验表明SGAN可以生成比一般GAN更清晰的图片 ，另外加入一些条件生成的功能也相当方便，github代码：https://github.com/xunhuang1995/SGAN

条件生成的GAN

许多情况下，我们需要生成指定类的随机样本，这时就需要条件生成的GAN：

CGAN

CGAN是对条件生成GAN的最先尝试，方法也比较简单，直接在网络输入加入条件信息c，用来控制网络的条件输出模式：

公式也相对简单：

这样，使得生成指定label的样本成为可能：

ACGAN（辅助类别的GAN）

ACGAN在Imagenet上的生成效果令人惊叹，它特意学习了一个类别下的图片结构：

与CGAN不同的是它在判别器D的真实数据x也加入了类别c的信息，这样就进一步告诉G网络该类的样本结构如何，从而生成更好的类别模拟：

infoGAN

对于生成同类别的样本，infoGAN另辟蹊径，通过最大化互信息（c，c’）来生成同类别的样本，其中c是隐信息:

因为隐信息c可以作为超参数控制生成图像，我们可以得到一些有趣的结果：

如上图，通过控制隐信息c从-2到2，我们可以控制生成图片的旋转方向或者字体宽度（从左到右的每列）。

 

 

参考文献：

1. https://github.com/hwalsuklee/tensorflow-generative-model-collections
2. https://github.com/xunhuang1995/SGAN

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