人工智能技術(shù)之GAN算法的應(yīng)用

（文章來(lái)源：人工智能網(wǎng)）

我們知道機(jī)器學(xué)習(xí)模型有：生成模型和判別模型。判別模型需要輸入變量x，通過某種模型來(lái)預(yù)測(cè)p（y｜x）。生成模型是給定某種隱含信息，來(lái)隨機(jī)產(chǎn)生觀測(cè)數(shù)據(jù)。不管何種模型，其損失函數(shù)（Loss Function）選擇，將影響到訓(xùn)練結(jié)果質(zhì)量，是機(jī)器學(xué)習(xí)模型設(shè)計(jì)的重要部分。對(duì)于判別模型，損失函數(shù)是容易定義的，因?yàn)檩敵龅哪繕?biāo)相對(duì)簡(jiǎn)單。但對(duì)于生成模型，損失函數(shù)卻是不容易定義的。

2014年GoodFellow等人發(fā)表了一篇論文“Goodfellow， Ian， et al． GeneraTIve adversarial nets．＂ Advances inNeural InformaTIon Processing Systems． 2014”，引發(fā)了GAN生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的研究，值得學(xué)習(xí)和探討。今天就跟大家探討一下GAN算法。

GAN生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GeneraTIve?Adversarial?Networks ）是一種深度學(xué)習(xí)模型，是近年來(lái)復(fù)雜分布上無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)最具有前景的方法之一。 GAN生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的模型至少包括兩個(gè)模塊：G模型－生成模型（GeneraTIve Model）和D模型－判別模型（Discriminative Model）。兩者互相博弈學(xué)習(xí)產(chǎn)生相當(dāng)好的輸出結(jié)果。GAN 理論中，并不要求G、D模型都是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只需要是能擬合相應(yīng)生成和判別的函數(shù)即可。但實(shí)際應(yīng)用中一般均使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為G、D模型。

對(duì)于生成結(jié)果的期望，往往是一個(gè)難以數(shù)學(xué)公理化定義的范式。所以不妨把生成模型的回饋部分，交給判別模型處理。于是Goodfellow等人將機(jī)器學(xué)習(xí)中的兩類模型（G、D模型）緊密地聯(lián)合在了一起。一個(gè)優(yōu)秀的GAN模型應(yīng)用需要有良好的訓(xùn)練方法，否則可能由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的自由性而導(dǎo)致輸出結(jié)果不理想。

GAN算法原理：以生成圖片為例進(jìn)行說(shuō)明：假設(shè)有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，分別為G和D，它們的功能分別是：1）G是一個(gè)生成圖片的網(wǎng)絡(luò)，它接收一個(gè)隨機(jī)的噪聲z，通過這個(gè)噪聲生成圖片，記做G（z）。2）D是一個(gè)判別網(wǎng)絡(luò)，判別一張圖片是不是“真實(shí)的”。它的輸入?yún)?shù)是x，x代表一張圖片，輸出D（x）代表x為真實(shí)圖片的概率，如果為1，就代表100％是真實(shí)的圖片，而輸出為0，就代表不可能是真實(shí)的圖片。

3）在最理想的狀態(tài)下，G可以生成足以“以假亂真”的圖片G（z）。對(duì)于D來(lái)說(shuō)，它難以判定G生成的圖片究竟是不是真實(shí)的，因此D（G（z）） ＝ 0．5。4）這樣目的就達(dá)成了：得到了一個(gè)生成式的模型G，它可以用來(lái)生成圖片。在訓(xùn)練過程中，生成網(wǎng)絡(luò)G的目標(biāo)就是盡量生成真實(shí)的圖片去欺騙判別網(wǎng)絡(luò)D。而判別網(wǎng)絡(luò)D的目標(biāo)就是盡量把G生成的圖片和真實(shí)的圖片分別開來(lái)。這樣，G和D構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的“博弈過程”。

以理論抽象進(jìn)行說(shuō)明：GAN是一種通過對(duì)抗過程估計(jì)生成模型的新框架?？蚣苤型瑫r(shí)訓(xùn)練兩個(gè)模型：捕獲數(shù)據(jù)分布的生成模型G，和估計(jì)樣本來(lái)自訓(xùn)練數(shù)據(jù)的概率的判別模型D。G的訓(xùn)練程序是將D錯(cuò)誤的概率最大化?？梢宰C明在任意函數(shù)G和D的空間中，存在唯一的解決方案，使得G重現(xiàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)分布，而D＝0．5。在G和D由多層感知器定義的情況下，整個(gè)系統(tǒng)可以用反向傳播進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練或生成樣本期間，不需要任何馬爾科夫鏈或展開的近似推理網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)通過對(duì)生成的樣品的定性和定量評(píng)估，證明了GAN框架的潛在優(yōu)勢(shì)。

Goodfellow從理論上證明了該算法的收斂性。在模型收斂時(shí)，生成數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)具有相同分布，從而保證了模型效果。GAN公式說(shuō)明如下：1）公式中x表示真實(shí)圖片，z表示輸入G網(wǎng)絡(luò)的噪聲，G（z）表示G網(wǎng)絡(luò)生成的圖片；2）D（x）表示D網(wǎng)絡(luò)判斷圖片是否真實(shí)的概率，因?yàn)閤就是真實(shí)的，所以對(duì)于D來(lái)說(shuō)，這個(gè)值越接近1越好。

3）G的目的：D（G（z））是D網(wǎng)絡(luò)判斷G生成的圖片的是否真實(shí)的概率。G應(yīng)該希望自己生成的圖片“越接近真實(shí)越好”。也就是說(shuō)，G希望D（G（z））盡可能得大，這時(shí)V（D， G）會(huì)變小。因此公式的最前面記號(hào)是min＿G。4）D的目的：D的能力越強(qiáng)，D（x）應(yīng)該越大，D（G（x））應(yīng)該越小。這時(shí)V（D，G）會(huì)變大。因此式子對(duì)于D來(lái)說(shuō)是求最大max＿D。

GAN訓(xùn)練過程：GAN通過隨機(jī)梯度下降法來(lái)訓(xùn)練D和G。1） ? 首先訓(xùn)練D，D希望V（G， D）越大越好，所以是加上梯度（ascending）2） ?然后訓(xùn)練G時(shí)，G希望V（G， D）越小越好，所以是減去梯度（descending）；3） ?整個(gè)訓(xùn)練過程交替進(jìn)行。

GAN算法優(yōu)點(diǎn)：1）使用了latent code，用以表達(dá)latent dimension、控制數(shù)據(jù)隱含關(guān)系等；2）數(shù)據(jù)會(huì)逐漸統(tǒng)一；3）不需要馬爾可夫鏈；4）被認(rèn)為可以生成最好的樣本（不過沒法鑒定“好”與“不好”）；5）只有反向傳播被用來(lái)獲得梯度，學(xué)習(xí)期間不需要推理；6）各種各樣的功能可以被納入到模型中；7）可以表示非常尖銳，甚至退化的分布。

GAN算法缺點(diǎn)：1）Pg（x）沒有顯式表示；2）D在訓(xùn)練過程中必須與G同步良好；3）G不能被訓(xùn)練太多；4）波茲曼機(jī)必須在學(xué)習(xí)步驟之間保持最新。

GAN算法擴(kuò)展：GAN框架允許有許多擴(kuò)展：1）通過將C作為輸入，輸入G和D，可以得到條件生成模型P（x｜c(diǎn)）；2）學(xué)習(xí)近似推理，可以通過訓(xùn)練輔助網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)Z。3）通過訓(xùn)練一組共享參數(shù)的條件模型，可以近似地模擬所有條件。本質(zhì)上，可以使用對(duì)抗性網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)確定性MP－DBM的隨機(jī)擴(kuò)展。4）半監(jiān)督學(xué)習(xí)：當(dāng)僅有有限標(biāo)記數(shù)據(jù)時(shí)，來(lái)自判別器或推理網(wǎng)絡(luò)的特征可以提高分類器的性能。5）效率改進(jìn)：通過劃分更好的方法可以大大加快訓(xùn)練，更好的方法包括：a）協(xié)調(diào)G和D； b） 在訓(xùn)練期間，確定訓(xùn)練樣本Z的更好分布。

GAN算法應(yīng)用：GAN的應(yīng)用范圍較廣，擴(kuò)展性也強(qiáng)，可應(yīng)用于圖像生成、數(shù)據(jù)增強(qiáng)和圖像處理等領(lǐng)域。1）圖像生成：目前GAN最常使用的地方就是圖像生成，如超分辨率任務(wù)，語(yǔ)義分割等。2）數(shù)據(jù)增強(qiáng)：用GAN生成的圖像來(lái)做數(shù)據(jù)增強(qiáng)。主要解決的問題是a）對(duì)于小數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)量不足，可以生成一些數(shù)據(jù)；b）用原始數(shù)據(jù)訓(xùn)練一個(gè)GAN，GAN生成的數(shù)據(jù)label不同類別。

GAN生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)是一種深度學(xué)習(xí)模型，是近年來(lái)復(fù)雜分布上無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)最具有前景的方法之一，值得深入研究。GAN生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的模型至少包括兩個(gè)模塊：G模型－生成模型和D模型－判別模型。兩者互相博弈學(xué)習(xí)產(chǎn)生相當(dāng)好的輸出結(jié)果。GAN算法應(yīng)用范圍較廣，擴(kuò)展性也強(qiáng)，可應(yīng)用于圖像生成、數(shù)據(jù)增強(qiáng)和圖像處理等領(lǐng)域。
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