生成对抗网络（GANs）

GANs

生成对抗网络（Generative Adversarial Networks, GANs） 是一种用于捕获训练数据的**分布（distribution）**的神经网络。通过学习到的分布，可以创造新的数据。GAN由两个部分组成：

• 生成器（generator）：用$G(z)$表示，输入是（一般为正态分布采样的）随机噪声$z$，输出是和训练数据等大的“fake”数据；
• 判别器（discriminator）：用$D(x)$表示，用来判断输入数据$x$是否为真正的训练数据，输出是一个$[0,1]$区间的标量，输出值越大表示$D$判定$x$更可能是真实训练数据，越小则更可能是假的数据。

生成器和判别器之间是一个零和博弈的过程：生成器的效果越好，则判别器的正确率越低，反之亦然。在训练过程中，生成器的目的是“让判别器判断错误”，因此会生成越来越接近真实训练数据的假数据，这个过程也是学习训练数据分布的过程；判别器的目的则是“更好地区分真实数据和假数据”，因此学习过程会提高它的判别能力。

以上是一个感性的认知，在神经网络学习的框架下，需要定义一个具体的损失函数（loss），来对生成器和判别器的参数进行梯度更新。定义损失函数：
L G A N = E x [ l o g D ( x ) ] + E z [ l o g ( 1 − D ( G ( z ) ) ) ] , L_{GAN}=\mathbb{E}_{x}{[logD(x)]}+\mathbb{E}_{z}{[log(1-D(G(z)))]}, LGAN​=Ex​[logD(x)]+Ez​[log(1−D(G(z)))],
式中的 x ∼ p d a t a ( x ) x \sim p_{data}(x) x∼pdata​(x)取自训练数据， z ∼ p n o i s e ( z ) z\sim p_{noise}(z) z∼pnoise​(z)为生成器$G$的随机噪声（一般满足正态分布）输入，$\mathbb{E}$表示期望。

对于判别器$D$，我们的目的是：真实数据$x$，$D(x)$尽量更大；假数据$G(z)$，$D(x)$尽量更小，亦即$1-D(x)$尽量更大。因此判别器的训练过程的损失函数为 − L G A N -L_{GAN} −LGAN​。

对于生成器$G$，我们的目的是：真实数据$x$，与$G$无关，可以当做一个常数；假数据$G(z)$，希望判别器“认为它是真实数据”，也就是希望$1-D(x)$尽量更小。因此生成器的训练过程的损失函数为 L G A N L_{GAN} LGAN​。

综上，GAN的训练本质上是一种极大极小博弈（minimax game）：
min ⁡ G max ⁡ D L G A N \min_{G}\max_{D} L_{GAN} Gmin​Dmax​LGAN​
理论上，训练最终会收敛于 p n o i s e = p d a t a p_{noise}=p_{data} pnoise​=pdata​，也就是生成器学习的概率分布与训练数据的一致，而判别器的输出等价于随机判定真假。但实际上GAN的训练过程很不稳定。

一个例子

使用CelebA人脸数据集训练一个DCGAN。所谓DCGAN，就是生成器和判别器都是卷积神经网络的GAN。训练后的生成器可以用随机噪声生成和训练集相似的人脸图像。

训练使用二进制交叉熵损失函数（BCELoss）：
B C E L o s s ( x , y ) = − 1 n ∑ i [ y i l o g x i + ( 1 − y i ) l o g ( 1 − x i ) ] , BCELoss(x,y)=-\frac{1}{n}\sum_{i}{[y_ilogx_i+(1-y_i)log(1-x_i)]}, BCELoss(x,y)=−n1​i∑​[yi​logxi​+(1−yi​)log(1−xi​)],
这和之前讲到的 L G A N L_{GAN} LGAN​非常相似，通过合理地选择标签$y$就可以等价的表示 L G A N L_{GAN} LGAN​。训练过程的一个iter的过程如下（关键步骤）：

1. 输入数据 x 1 x_1 x1​从训练图像数据中得到，为真实数据，取标签$y=1$，前向传播（forward）得到 D ( x 1 ) D(x_1) D(x1​)，得到损失 L 1 = B C E L o s s ( D ( x 1 ) , y = 1 ) = − 1 n ∑ i l o g D i ( x 1 ) L_1=BCELoss(D(x_1),y=1)=-\frac{1}{n}\sum_ilogD_i(x_1) L1​=BCELoss(D(x1​),y=1)=−n1​∑i​logDi​(x1​)；
2. 输入数据 x 2 = G ( z 1 ) x_2=G(z_1) x2​=G(z1​)，为假数据，取标签$y=0$，前向传播得到 D ( x 2 ) D(x_2) D(x2​)，得到损失 L 2 = − 1 n ∑ i l o g ( 1 − D i ( x 2 ) ) L_2=-\frac{1}{n}\sum_{i}log(1-D_i(x_2)) L2​=−n1​∑i​log(1−Di​(x2​))； （上面的 D i D_i Di​为单个图像的输出，$D$为一个batch的输出。）
3. 从1和2我们得到了判别器$D$的损失 L D = L 1 + L 2 = − L G A N L_{D}=L_1+L_2=-L_{GAN} LD​=L1​+L2​=−LGAN​，对判别器进行参数更新；
4. 更新后的判别器重新对 x 2 x_2 x2​进行判定，得到输出 D ′ ( x 2 ) D'(x_2) D′(x2​)，取标签$y=1$，得到损失 L G = − 1 n ∑ i l o g D i ′ ( x 2 ) L_G=-\frac{1}{n}\sum_ilogD_i'(x_2) LG​=−n1​∑i​logDi′​(x2​)，前面我们说了生成器的目的是最小化 L G A N L_{GAN} LGAN​，而$logD(x)$这一项为常数项，因此生成器的目的等价于最小化$log(1-D(G(z)))$，又等价于最小化$-logD(G(z))$，这正好对应 L G L_G LG​；
5. 从4我们得到了生成器$G$的损失 L G L_G LG​，对生成器进行参数更新。

训练后的模型的生成器的输出和原始图片数据的对比：

代码在这里。

参考资料

1. DCGAN TUTORIAL；
2. 网络资料。