GAN原理，优缺点、应用总结

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GAN原理，优缺点、应用总结

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1.GAN的 ‘前世’？

大家都知道GAN是Ian Goodfellow 2 014年放出的一篇开山之作，在深度学习界评价很高，可以说GAN的出现，给深度学习界带来了很多的研究(shui)课(lun)题(wen)。但是如果说GAN是另外一种网络的变种，不知道你是否相信呢？但是有一个人是坚信不疑的，这个人就是德国AI科学家Jürgen Schmidhuber，说到这个人可能很多人不太了解，毕竟不是像Hinton Yoshua bengio, Yan lecun这样出名的人，事实上他对AI界做出了很大的贡献，LSTM就是他在97年发明的。其本人照片如下：

OK！Jürgen Schmidhuber之所以认为GAN是其他模型的变种，主要他在92年提出了一种PM（Predictability Minimization）模型，其与GAN有一些相似之处（起码他自己这样认为），所以他一直认为GAN是goodfellow在自己PM模型上的改进。他92年提出的PM模型才是“第一个对抗网络”，而GAN跟PM的主要差别仅仅在于方向反过来了，可以把GAN名字改成“inverse PM”，即反过来的PM。并且多次与goodfellow邮件往来说明这个问题，毫无疑问得到了goodfellow的否决。事情甚至发展到Jürgen Schmidhuber在2016NIPS大会上与goodfellow公开互怼。

事情是这样子的：

2016NIPS大会上，goodfellow正在做GAN的tutorial，这时，Jürgen Schmidhuber打断了演讲，站起来首先介绍了一下自己92年提出的PM模型，其实就差直接阐明PM和GAN很相似，然后反问goodfellow，如何看待GAN和PM的相似点。

外人看上去只是普通的一次提问或者辩证，但是goodfellow反应及其激烈，甚至都要发火了。原来早在GAN提出之后，他们两人就已经互相往来邮件讨论过这个问题，大概流程就是Jürgen Schmidhuber认为GAN是他的PM模型的演化，现在GAN那么出名了，goodfellow应该承认PM对GAN的贡献。Goodfellow当然说不，自己的成果平白无故被上了一个套，要谁谁也不干，而且在本质上GAN和PM也有很大的不同。但是Jürgen Schmidhuber还是不死心，以至于事情闹到了NIPS大会上，结果就是：

可能是动了真怒，Goodfellow直接明说他们之前已经在邮件里讨论了这个问题，不想牵扯到NIPS大会上来做无意义的争辩，最后结果就是goodfelllow的一番话赢得了在场大佬的多次掌声。

题外话

Jürgen Schmidhuber已经五十多岁了，而且是Dalle Molle人工智能研究所的联席主任。他表示自己的早期研究常常被忽视，另外据网上传言，LeCun教授在一封电子邮件中说道，“Jürgen太想得到大家的认可，每次别人讲完话他都会站起来，说刚刚提出的东西有他的功劳，但是这种方式却不是特别恰当。”

实际上，Jürgen Schmidhuber的确对人工智能界做出了很大的贡献，LSTM就是一个典型的例子。

接下来简单介绍一下PM模型。可以用下图来表示PM模型的原理，图片来自郑华滨的知乎文章，下文有关PM的部分均是从他的文章中总结而来，以简单的文字形式来表述，详情可参考链接：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/27159510?utm_source=wechat_session&utm_medium=social

图片的左边是一个自编码器，自编码器对输入输出重构，输入数据经过编码解码后得到输出数据，输入输出存在一个重构误差，当重构误差越小时，说明自编码器中的隐藏层越能学习到表示数据的特征，但是我们希望不仅能学习到特征，而且希望学习到好的特征，于是Jürgen Schmidhuber就提出了PM模型，如何衡量好的标准，假设自编码器隐藏层学习到的特征是三维的向量，每一维用c来表示，有人认为，当每一维的特征向量是相互独立即解耦的，说明特征就很好，那么Jürgen Schmidhuber就提出使用一个预测器f（PM中的P部分），f根据其中两个维度的值去预测另外一个维度的值，如果预测的很准，说明他们C之间的独立性就很差，解耦性不好，学习到的特征不好，如果预测的很不准，说明编码器学习到的特征很好。既然这样，可以通过一个损失函数

建立编码器和f预测能力之间的对抗，自编码器希望得到很好的特征表示，令c相互独立，但是f希望预测的很准，预测的准就表示c的独立性差，所以他们之间也有一种‘对抗’，然后通过对抗得到很好的特征表示。

2.PM与GAN的区别：

乍一看或许他们两个很相似，都有‘对抗’机制，实际上差别还是很大的。

首先，PM种的对抗只是相当于一种对获得好的特征表示的辅助，但是GAN的特点就是对抗训练，对抗训练是GAN 的主体。

其次，PM是从复杂分布得到的解耦分布做对抗，而GAN直接对复杂的原始分布做处理，得到最后的判别，所以说GAN或许是inversePM。

再者，PM判别每一个数据的维度，而GAN最后的判别是一维的，即对与错的程度（概率）。

而且PM的作用有限，拓展性不强，而GAN可以用在很多领域，拓展性更强。

我还是很支持GAN是原创的。

有关GAN前世就简单介绍到这里，下文介绍GAN本身的部分，包括GAN的特点，优缺点总结，常用的训练tricks，以及GAN的一些改进成果，有基础的可以直接跳过这一部分。本文的第三部分会介绍一些GAN的变种以及复现很好的GitHub代码链接，感兴趣的可以看一下。在本文的第四部分，我会列举一些GAN的应用，介绍其原理，同时附有github代码链接。

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首先，啰嗦一下什么是GAN（Generative adversarial nets）,中文是生成对抗网络，他是一种生成式模型，也是一种无监督学习模型。其最大的特点是为深度网络提供了一种对抗训练的方式，此方式有助于解决一些普通训练方式不容易解决的问题。并且Yan lecun明确表示GAN是近几十年除了面包机最伟大的发明，并且希望是自己发明的GAN。

关于GAN的入门可以参考机器学习算法全栈工程师公众号之前的文章：GAN入门与实践，里面包含了GAN的入门介绍以及生成人脸图片的实践tensorflow代码。

1. GAN诞生背后的故事：

学术界流传，GAN创始人 Ian Goodfellow 在酒吧微醉后与同事讨论学术问题，当时灵光乍现提出了GAN初步的想法，不过当时并没有得到同事的认可，在从酒吧回去后发现女朋友已经睡了，于是自己熬夜写了代码，发现还真有效果，于是经过一番研究后，GAN就诞生了，一篇开山之作。附上一张大神照片。

 Ian goodfellow

2. GAN的原理：

GAN的主要灵感来源于博弈论中零和博弈的思想，应用到深度学习神经网络上来说，就是通过生成网络G（Generator）和判别网络D（Discriminator）不断博弈，进而使G学习到数据的分布，如果用到图片生成上，则训练完成后，G可以从一段随机数中生成逼真的图像。G， D的主要功能是：

●  G是一个生成式的网络，它接收一个随机的噪声z（随机数），通过这个噪声生成图像 

●  D是一个判别网络，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

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的目标就是尽量辨别出G生成的假图像和真实的图像。这样，G和D构成了一个动态的“博弈过程”，最终的平衡点即纳什均衡点.

3. GAN的特点：

●  相比较传统的模型，他存在两个不同的网络，而不是单一的网络，并且训练方式采用的是对抗训练方式

●  GAN中G的梯度更新信息来自判别器D，而不是来自数据样本

4. GAN 的优点：

（以下部分摘自ian goodfellow 在Quora的问答）

●  GAN是一种生成式模型，相比较其他生成模型（玻尔兹曼机和GSNs）只用到了反向传播,而不需要复杂的马尔科夫链

●  相比其他所有模型, GAN可以产生更加清晰，真实的样本

●  GAN采用的是一种无监督的学习方式训练，可以被广泛用在无监督学习和半监督学习领域

●  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VAE, GANs没有变分下界,如果鉴别器训练良好,那么生成器可以完美的学习到训练样本的分布.换句话说,GANs是渐进一致的,但是VAE是有偏差的

●  GAN应用到一些场景上，比如图片风格迁移，超分辨率，图像补全，去噪，避免了损失函数设计的困难，不管三七二十一，只要有一个的基准，直接上判别器，剩下的就交给对抗训练了。

5. GAN的缺点：

●  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

●  GAN不适合处理离散形式的数据，比如文本

●  GAN存在训练不稳定、梯度消失、模式崩溃的问题（目前已解决）

模式崩溃(model collapse)原因

一般出现在GAN训练不稳定的时候，具体表现为生成出来的结果非常差，但是即使加长训练时间后也无法得到很好的改善。

具体原因可以解释如下：GAN采用的是对抗训练的方式，G的梯度更新来自D，所以G生成的好不好，得看D怎么说。具体就是G生成一个样本，交给D去评判，D会输出生成的假样本是真样本的概率（0-1），相当于告诉G生成的样本有多大的真实性，G就会根据这个反馈不断改善自己，提高D输出的概率值。但是如果某一次G生成的样本可能并不是很真实，但是D给出了正确的评价，或者是G生成的结果中一些特征得到了D的认可，这时候G就会认为我输出的正确的，那么接下来我就这样输出肯定D还会给出比较高的评价，实际上G生成的并不怎么样，但是他们两个就这样自我欺骗下去了，导致最终生成结果缺失一些信息，特征不全。

关于梯度消失的问题可以参考郑华滨的令人拍案叫绝的wassertein GAN，里面给出了详细的解释，不过多重复。

局部极小值点

鞍点

为什么GAN中的优化器不常用SGD

1. SGD容易震荡，容易使GAN训练不稳定，

2. GAN的目的是在高维非凸的参数空间中找到纳什均衡点，GAN的纳什均衡点是一个鞍点，但是SGD只会找到局部极小值，因为SGD解决的是一个寻找最小值的问题，GAN是一个博弈问题。

为什么GAN不适合处理文本数据

1. 文本数据相比较图片数据来说是离散的，因为对于文本来说，通常需要将一个词映射为一个高维的向量，最终预测的输出是一个one-hot向量，假设softmax的输出是（0.2， 0.3， 0.1，0.2，0.15，0.05）那么变为onehot是（0，1，0，0，0，0），如果softmax输出是（0.2， 0.25， 0.2， 0.1，0.15，0.1 ），one-hot仍然是（0， 1， 0， 0， 0， 0），所以对于生成器来说，G输出了不同的结果但是D给出了同样的判别结果，并不能将梯度更新信息很好的传递到G中去，所以D最终输出的判别没有意义。

2. 另外就是GAN的损失函数是JS散度，JS散度不适合衡量不想交分布之间的距离。

（WGAN虽然使用wassertein距离代替了JS散度，但是在生成文本上能力还是有限，GAN在生成文本上的应用有seq-GAN,和强化学习结合的产物）

训练GAN的一些技巧

1. 输入规范化到（-1，1）之间，最后一层的激活函数使用tanh（BEGAN除外）

2. 使用wassertein GAN的损失函数，

3. 如果有标签数据的话，尽量使用标签，也有人提出使用反转标签效果很好，另外使用标签平滑，单边标签平滑或者双边标签平滑

4. 使用mini-batch norm， 如果不用batch norm 可以使用instance norm 或者weight norm

5. 避免使用RELU和pooling层，减少稀疏梯度的可能性，可以使用leakrelu激活函数

6. 优化器尽量选择ADAM，学习率不要设置太大，初始1e-4可以参考，另外可以随着训练进行不断缩小学习率，

7. 给D的网络层增加高斯噪声，相当于是一种正则

GAN的变种

自从GAN出世后，得到了广泛研究，先后几百篇不同的GANpaper横空出世，国外有大神整理了一个GAN zoo（GAN动物园），链接如下，感兴趣的可以参考一下：

https://github.com/hindupuravinash/the-gan-zoo

GitHub上已经1200+star了，顺便附上一张GAN的成果图，可见GAN的研究火热程度：

由于GAN的变种实在太多，这里我只简单介绍几种比较常常用的成果，包括DCGAN,, WGAN, improved-WGAN，BEGAN，并附有详细的代码github链接。

GAN的广泛应用

1. GAN本身是一种生成式模型，所以在数据生成上用的是最普遍的，最常见的是图片生成，常用的有DCGAN WGAN，BEGAN，个人感觉在BEGAN的效果最好而且最简单。

2. GAN本身也是一种无监督学习的典范，因此它在无监督学习，半监督学习领域都有广泛的应用，比较好的论文有

Improved Techniques for Training GANs

Bayesian GAN（最新）

Good Semi-supervised Learning

3. 不仅在生成领域，GAN在分类领域也占有一席之地，简单来说，就是替换判别器为一个分类器，做多分类任务，而生成器仍然做生成任务，辅助分类器训练。

4. GAN可以和强化学习结合，目前一个比较好的例子就是seq-GAN

5. 目前比较有意思的应用就是GAN用在图像风格迁移，图像降噪修复，图像超分辨率了，都有比较好的结果，详见pix-2-pix GAN 和cycle GAN。但是GAN目前在视频生成上和预测上还不是很好。

6. 目前也有研究者将GAN用在对抗性攻击上，具体就是训练GAN生成对抗文本，有针对或者无针对的欺骗分类器或者检测系统等等，但是目前没有见到很典范的文章。

注：配图来自网络

参考文献：

https://www.zhihu.com/question/56171002/answer/148593584

http://www.inference.vc/instance-noise-a-trick-for-stabilising-gan-training/

https://github.com/soumith/ganhacks

https://github.com/hindupuravinash/the-gan-zoo

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25071913

后续连载。。

~敬请期待~

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