【Image】GAN的超详细解释（以及奇怪的问题）

GAN原理

工作流程

下面是生成对抗网络（GAN）的基本工作原理

在GAN的架构中，有两个关键的组件：生成器（Generator）和鉴别器（Discriminator）。

生成器（Generator）：其功能是从随机噪声生成数据。在这个上下文中，它试图生成类似于真实数据的新数据。目的是创建足够真实的数据以欺骗鉴别器。
鉴别器（Discriminator）：它的任务是鉴别输入数据是真实的还是由生成器生成的假数据。简言之，它需要决定输入数据是“真”还是“假”。

工作过程：

真实数据会被输入到鉴别器中。
同时，生成器产生的数据也会被送入鉴别器。
鉴别器会对这两种数据进行分类，将其标记为“真”或“假”。

学习方式：生成器和鉴别器是以对抗的方式进行学习的。生成器试图生成越来越真实的数据来欺骗鉴别器，而鉴别器则试图变得更加精确以区分真实数据和生成的数据。这个过程会不断循环，随着时间的推移，生成器产生的数据会越来越接近真实数据，而鉴别器的判断能力也会越来越强（有点类似于左脚踩右脚原地起飞）。

数学解释

当然，上面的解释只是语言层面的，GAN的原理同样可以从数学上进行解释
$\min_{G} \max_{D} V(D, G) = \mathbb{E}_{x \sim p_{\text{data}}(x)}[\log D(x)] + \mathbb{E}_{z \sim p_{z}(z)}[\log(1 - D(G(z)))]$
这是生成对抗网络（GAN）的价值函数，它形式化了生成器 G 和鉴别器 D 之间的对抗游戏。其中 z 指的是上图中的 random noise（虽然这里写的是随机噪声，但是这种噪声往往也是符合某种分布的，一般来说我们认为是高斯分布，最终我们希望这个高斯分布会变成符合真实图像分布的某种分布）。

接下来，我们要非常详细地来解释这个公式

Value函数跟强化学习中的定义一样

一般来说，”真“用1表示；”假“用0表示。所以，当输入是一张”真“图时，我们希望D的值为1；当输入是一张”假“图时，我们希望D的值为0。即D(r) = 1，D(f) = 0。

看图中④的部分，loss = log(D(r))——如果输入是“真”图，这个loss值是0（也就是说如果D(r)能被准确地判断为1，那么“真”图就没有产生任何loss）；

看图中⑤的部分，loss = log(1-D(f))——如果输入是“假”图，这个loss值也是0（也就是说如果D(f)能被准确地判断为0，那么“假”图就没有产生任何loss）。

根据log函数特性，在0~1区间内函数最大值为0，所以上式的最大值就是0，在两种情况同时满足时取等。

这也就是为什么，我们希望找到一个很强的D，能够精准分出r和f，并且在这个条件下最大化V。

接下来看到G，我们知道G的目标是要愚弄D，具体就是让D(f) = D(G(z))尽可能被判断为1，这样loss = log(1-D(f)) = -∞.

这就解释了为什么一个是max_D，一个是min_G。

⑦ z~p(z)是噪声分布，即高斯分布

这里计算了期望。

综上所述，上面的公式可以表示为
$\begin{align} V(D, G) &= \int_{x} p_{\text{data}}(x) \log(D(x)) \, dx + \int_{x} p_{g}(x) \log(1 - D(x)) \, dx \\ &= \int_{x} p_{\text{data}}(x) \log(D(x)) + p_{g}(x) \log(1 - D(x)) \, dx \end{align}$
这个变换除了带入了期望公式，还做了一个变换——将真实图像与噪声统一成了x，在取值时分别取真实图像和噪声各自对应的分布——在积分中统一了形式，并减少了G。

要求积分最大值，两边求导：
$\max_D V(D) = \int_{x} p_{\text{data}}(x) \log(D(x)) + p_{g}(x) \log(1 - D(x)) \, dx \\\Leftrightarrow \\ \max_D f(D) = a\log(D) + b\log(1 - D) \\$
求偏导，解出了D的值使偏导为0，这个D也被称为D*，即最优判别器（Optimal Discriminator）
$\frac{\partial f}{\partial D} = \frac{a}{D} - \frac{b}{1 - D} = 0 \Rightarrow D^* = \frac{a}{a + b} = \frac{p_{\text{data}}(x)}{p_{\text{data}}(x) + p_{g}(x)}$
然后我们把这个最优判别器带回原式
$\min_G f(G) = \int_{x} p_{\text{data}}(x) \log \left( \frac{2p_{\text{data}}(x)}{p_{\text{data}}(x) + p_g(x)} \right) - \log 2 \, dx + \int_{x} p_g(x) \log \left( \frac{2p_g(x)}{p_{\text{data}}(x) + p_g(x)} \right) - \log 2 \, dx\\ = -\log 2 \int_{x} p_{\text{data}} + p_g \, dx + \int_{x} p_{\text{data}} \log \left( \frac{2p_{\text{data}}}{p_{\text{data}} + p_g} \right) \, dx + \int_{x} p_g \log \left( \frac{2p_g}{p_{\text{data}} + p_g} \right) \, dx$
其中
$-\log 2 \int_{x} p_{\text{data}} + p_g \, dx = -2\log2 = -\log4$

散度 Divergence

讲到这里我们穿插一下散度 (Divergence) 的概念："Divergence"是一种度量或评估两个概率分布差异的方法，它被用来比较两个分布之间的不同程度，可以帮助我们了解一个分布如何或在何种程度上不同于另一个分布。

KL散度（Kullback-Leibler Divergence）

$\text{KL - Divergence:} \quad D_{KL}(P \parallel Q) = \sum_i P(i)\log\left(\frac{P(i)}{Q(i)}\right) = \int_{x} P(x)\log\left(\frac{P(x)}{Q(x)}\right) dx$

KL散度是衡量两个概率分布P和Q差异的非对称度量。具体来说，它衡量的是，当使用概率分布Q来近似真实分布P时，所损失的信息量。
它是从信息论的视角出发的，基于信息熵的概念，其中P是真实分布，Q是模型的预测分布。
一个重要的特性是非对称性，即
$D_{KL}(P \parallel Q) \neq D_{KL}(Q \parallel P)$
这也是KL散度的一个明显的缺陷，因为分布是没有方向性的。

JS散度（Jensen-Shannon Divergence）

$\text{JS - Divergence:} \quad JSD(P \parallel Q) = \frac{1}{2}D_{KL}\left(P \parallel \frac{P+Q}{2}\right) + \frac{1}{2}D_{KL}\left(Q \parallel \frac{P+Q}{2}\right)$

JS散度是KL散度的对称版本，它衡量两个概率分布P和Q的相似性，并且总是有界的（在0和1之间）。
它的计算方式是取两个分布P和Q相对于它们的平均值的KL散度的平均值。
因为JS散度是对称的，所以它通常被认为是两个分布之间距离的更好的度量。

如此一来，我们用JS散度对上面的公式进行替换，得到

$\min_G f(G) = \int_{x} p_{\text{data}}(x) \log \left( \frac{2p_{\text{data}}(x)}{p_{\text{data}}(x) + p_g(x)} \right) - \log 2 \, dx + p_g(x) \log \left( \frac{2p_g(x)}{p_{\text{data}}(x) + p_g(x)} \right) - \log 2 \, dx\\ = -\log 2 \int_{x} p_{\text{data}} + p_g \, dx + 2JSD(p_{\text{data}} \parallel p_g)\\ = -\log 4 + 2JSD(p_{\text{data}} \parallel p_g)\\ \geq -\log 4, \quad \text{where } [p_{data} = p_g]$

这就是上面的minmax函数的最简表达形式。

Summary

Generate a discriminator (D) & a generator (G) step by step
The target of the D is to try its best to discriminate real and fake images while the target of the G is to try its best to generate fake images to fool the D.
It seems we can get a global optimality (equilibrium) by dragging 𝒑𝒈 → 𝒑𝒅𝒂𝒕𝒂

奇怪的问题

但是，现在我们这个公式有一个很大的问题。

下面先给出一个mnist生成数字的GAN代码

# dataset: mnist
import argparse
import os
import numpy as np
import math

import torchvision.transforms as transforms
from torchvision.utils import save_image

from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torch.autograd import Variable

import torch.nn as nn
import torch

from generator import Generator
from discriminator import Discriminator

os.makedirs("images", exist_ok=True)

parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--n_epochs", type=int, default=200, help="number of epochs of training")
parser.add_argument("--batch_size", type=int, default=64, help="size of the batches")
parser.add_argument("--lr", type=float, default=0.0002, help="adam: learning rate")
parser.add_argument("--b1", type=float, default=0.5, help="adam: decay of first order momentum of gradient")
parser.add_argument("--b2", type=float, default=0.999, help="adam: decay of first order momentum of gradient")
parser.add_argument("--n_cpu", type=int, default=8, help="number of cpu threads to use during batch generation")
parser.add_argument("--latent_dim", type=int, default=100, help="dimensionality of the latent space")
parser.add_argument("--img_size", type=int, default=28, help="size of each image dimension")
parser.add_argument("--channels", type=int, default=1, help="number of image channels")
parser.add_argument("--sample_interval", type=int, default=400, help="interval betwen image samples")
opt = parser.parse_args()
print(opt)

# 图像的形状参数
img_shape = (opt.channels, opt.img_size, opt.img_size)
# 定义损失函数为二元交叉熵损失
adversarial_loss = torch.nn.BCELoss()

# 初始化生成器和鉴别器
generator = Generator()
discriminator = Discriminator()

# 如果CUDA可用，将网络和损失函数移动到GPU
cuda = True if torch.cuda.is_available() else False
if cuda:
    generator.cuda()
    discriminator.cuda()
    adversarial_loss.cuda()

# 配置数据加载器
os.makedirs("./data/mnist", exist_ok=True)
dataloader = torch.utils.data.DataLoader(
    datasets.MNIST(
        "./data/mnist",
        train=True,
        download=True,
        # 数据预处理：调整大小、转换为张量、标准化
        transform=transforms.Compose(
            [transforms.Resize(opt.img_size),
             transforms.ToTensor(),
             transforms.Normalize([0.5], [0.5])]
        ),
    ),
    batch_size=opt.batch_size,
    shuffle=True,
)

# 配置优化器，使用Adam优化器
optimizer_G = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))
optimizer_D = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))

# 根据CUDA环境选择数据类型
Tensor = torch.cuda.FloatTensor if cuda else torch.FloatTensor

# 开始训练
for epoch in range(opt.n_epochs):
    for i, (imgs, _) in enumerate(dataloader):
        # Adversarial ground truths
        # 创建标签数据：真实图片的标签为1，生成图片的标签为0
        valid = Tensor(imgs.size(0), 1).fill_(1.0).detach()
        fake = Tensor(imgs.size(0), 1).fill_(0.0).detach()

        # 配置输入
        real_imgs = imgs.type(Tensor)

        # -----------------
        #  Train Generator
        # -----------------
        optimizer_G.zero_grad()  # 对已有的gradient清零(因为来了新的batch_size的image)
        z = Tensor(np.random.normal(0, 1, (imgs.shape[0], opt.latent_dim)))  # 随机生成输入噪声
        gen_imgs = generator(z)  # 生成一个batch的假图片
        # Loss measures generator's ability to fool the discriminator
        g_loss = adversarial_loss(discriminator(gen_imgs),  # D(G(z))
                                  valid)                    # label = 1, 这里将假图的label置为1的原因下一篇文章会说
        g_loss.backward()  # bp, 算gradient， x.grad += dloss/dx
        optimizer_G.step()  # 更新x， x -= lr * x.grad

        # ---------------------
        #  Train Discriminator
        # ---------------------
        optimizer_D.zero_grad()
        real_loss = adversarial_loss(discriminator(real_imgs),  # D(x)
                                     valid)                     # lable = 1
        fake_loss = adversarial_loss(discriminator(gen_imgs.detach()),  # D(G(z)), 这里用到detach的原因是：gen_imgs后面带着generator的参数，而这里训练的是discriminator的参数
                                     fake)                              # lable = 0
        d_loss = (real_loss + fake_loss) / 2  # 计算鉴别器的总损失
        d_loss.backward()  # bp, 算gradient， x.grad += dloss/dx
        optimizer_D.step()  # 更新x， x -= lr * x.grad

        print(
            "[Epoch %d/%d] [Batch %d/%d] [D loss: %f] [G loss: %f]"
            % (epoch, opt.n_epochs, i, len(dataloader), d_loss.item(), g_loss.item())
        )

        # 每隔一定的间隔保存生成的图片
        batches_done = epoch * len(dataloader) + i
        if batches_done % opt.sample_interval == 0:
            save_image(gen_imgs.data[:25], "images/%d.png" % batches_done, nrow=5, normalize=True)

generator.py

import torch.nn as nn
import numpy as np

# 定义生成器输入的噪声向量的维度和生成图像的形状
latent_dim = 100
img_shape = (1, 28, 28)

# 定义Generator类，继承自nn.Module
class Generator(nn.Module):
    # 初始化函数
    def __init__(self):
        super(Generator, self).__init__()  # 调用父类的构造函数

        # 定义一个block函数用于构建神经网络的层，其中包含线性层，可选的批标准化层和LeakyReLU激活函数
        def block(in_feat, out_feat, normalize=True):
            layers = [nn.Linear(in_feat, out_feat)]  # 线性层
            if normalize:
                # 如果normalize为True，则添加批标准化层
                layers.append(nn.BatchNorm1d(out_feat, 0.8))
            # 添加LeakyReLU激活函数，其中negative_slope（斜率）设置为0.2
            layers.append(nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True))
            return layers  # 返回构建的层列表

        # 使用Sequential模块将所有层堆叠成一个完整的模型
        self.model = nn.Sequential(
            *block(latent_dim, 128, normalize=False),  # 第一层不进行批标准化
            *block(128, 256),  # 后续层逐渐增加输出特征的维度
            *block(256, 512),
            *block(512, 1024),
            # 最后一层是一个线性层，它的输出大小与图像大小的乘积相同
            nn.Linear(1024, int(np.prod(img_shape))),
            nn.Tanh()  # 使用Tanh激活函数将输出值限制在[-1,1]之间，因为图像数据通常归一化到这个范围
        )

    # 前向传播函数定义了模型如何从输入产生输出
    def forward(self, z):
        img = self.model(z)  # 使用model生成图像数据
        # 调整输出的形状，使其与目标图像形状一致
        img = img.view(img.size(0), *img_shape)
        return img  # 返回生成的图像

discriminator.py

import torch.nn as nn
import numpy as np

# 图像的形状参数
img_shape = (1, 28, 28)

# 定义Discriminator类，继承自nn.Module
class Discriminator(nn.Module):
    # 初始化函数
    def __init__(self):
        super(Discriminator, self).__init__()  # 调用父类的构造函数

        # 构建鉴别器的神经网络模型，使用Sequential容器
        self.model = nn.Sequential(
            # 输入层，将输入向量的维度从图像形状展平为一维向量
            nn.Linear(int(np.prod(img_shape)), 512),
            # 使用LeakyReLU作为激活函数，其斜率设置为0.2
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            # 中间层，继续减少特征的维度
            nn.Linear(512, 256),
            # 同样使用LeakyReLU激活函数
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            # 输出层，将特征压缩为一个单一的预测值
            nn.Linear(256, 1),
            # 使用Sigmoid激活函数将输出值压缩到[0,1]之间，作为真假图像的概率
            nn.Sigmoid(),
        )

    # 前向传播函数定义了模型如何从输入产生输出
    def forward(self, img): # img.shape = torch.Size([64, 1, 28, 28]) = 64 * 1 * 28 * 28
        # 将输入图像展平为一维向量
        img_flat = img.view(img.size(0), -1)  # (64, -1 = 1 * 28 * 28)
        # 将展平的图像向量传递给模型，并得到有效性预测
        validity = self.model(img_flat)
        return validity  # 返回预测的有效性（即图像为真实图像的概率）