GANPytorch: 深入理解生成對抗網路

一、概述

生成對抗網路(GAN)被廣泛應用於圖像和語音處理等眾多領域,同時也是計算機科學領域中備受關注的課題之一。GANPytorch是一個基於Pytorch框架的GAN工具庫,它提供了一種簡便的方式讓開發者們能夠更快地使用GAN模型,以訓練和生成高質量的圖像和語音。GANPytorch的核心思想就是利用卷積神經網路(CNN)來對真實圖像進行建模,而用另一個神經網路來生成類似真實圖像的樣本。

二、GANPytorch架構

GANPytorch包含兩個主要的組件:生成器(generator)和判別器(discriminator)。生成器使用前饋神經網路(feed-forward neural network)來生成樣本,而判別器則使用基於CNN的神經網路來判定一個輸入樣本是否足夠真實。兩個組件是互相競爭的,也就是說,只有當生成器成功愚弄了判別器並生成了足夠真實的樣本時,才算是訓練成功。GANPytorch的代碼框架如下所示:


class discriminator(nn.Module):
    def __init__(self, img_shape):
        super(discriminator, self).__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(int(np.prod(img_shape)), 512),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Linear(512, 256),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Linear(256, 1),
            nn.Sigmoid(),
        )

    def forward(self, img):
        img_flat = img.view(img.size(0), -1)
        validity = self.model(img_flat)
        return validity


class generator(nn.Module):
    def __init__(self, latent_dim, img_shape):
        super(generator, self).__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(latent_dim, 256),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.BatchNorm1d(256, momentum=0.8),
            nn.Linear(256, 512),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.BatchNorm1d(512, momentum=0.8),
            nn.Linear(512, 1024),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.BatchNorm1d(1024, momentum=0.8),
            nn.Linear(1024, int(np.prod(img_shape))),
            nn.Tanh(),
        )
        self.img_shape = img_shape

    def forward(self, z):
        img = self.model(z)
        img = img.view(img.size(0), *self.img_shape)
        return img

三、GANPytorch應用

1、圖像生成

圖像生成是GANPytorch最常見的應用之一。一個典型的例子是,給定一組文本描述,GANPytorch可以生成與之相符的圖片。GANPytorch中的生成器網路可以根據外部輸入生成一系列表示該輸入的圖像。


#初始化生成器和判別器
generator = Generator(latent_dim=100)
discriminator = Discriminator()

#定義損失函數和優化器
adversarial_loss = torch.nn.BCELoss()
optimizer_G = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999))
optimizer_D = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999))

#開始訓練GAN模型
for epoch in range(n_epochs):
    for i, (imgs, _) in enumerate(dataloader):
        #訓練判別器
        optimizer_D.zero_grad()
        real_imgs = Variable(imgs.type(Tensor))
        validity_real = discriminator(real_imgs)
        loss_D_real = adversarial_loss(validity_real, valid)
        fake_imgs = generator(z)
        validity_fake = discriminator(fake_imgs.detach())
        loss_D_fake = adversarial_loss(validity_fake, fake)
        loss_D = (loss_D_real + loss_D_fake) / 2
        loss_D.backward()
        optimizer_D.step()
        
        #訓練生成器
        optimizer_G.zero_grad()
        validity = discriminator(fake_imgs)
        loss_G = adversarial_loss(validity, valid)
        loss_G.backward()
        optimizer_G.step()

2、圖像遷移

GANPytorch也可以被用於圖像遷移。應用該方法可以將一個圖像A中的某些要素,如面部表情、髮型等,遷移到另一張圖像B上。在訓練過程中,判別器網路不僅需要鑒別圖像是真實的還是生成的,還需要鑒別輸入圖像屬於哪個類別。


#初始化GAN模型,並定義損失函數和優化器
generator = Generator()
discriminator = Discriminator()
adversarial_loss = torch.nn.MSELoss()
class_loss = torch.nn.CrossEntropyLoss()
gen_optimizer = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.99))
dis_optimizer = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.99))

#開始訓練GAN模型
for epoch in range(n_epochs):
    for i, (real_imgs, labels) in enumerate(dataloader):
        labels = labels.type(torch.LongTensor)
        real_labels = Variable(labels.cuda())
        valid = Variable(Tensor(real_imgs.size(0), 1).fill_(1.0), requires_grad=False)
        fake = Variable(Tensor(real_imgs.size(0), 1).fill_(0.0), requires_grad=False)

        # Generate a batch of images
        z = Variable(Tensor(np.random.normal(0, 1, (real_imgs.shape[0], latent_dim))))
        gen_imgs = generator(z)

        #--------------------
        # Train Discriminator
        #--------------------

        dis_optimizer.zero_grad()

        # Loss for real images
        real_validity, real_classes = discriminator(real_imgs)
        d_real_loss = (adversarial_loss(real_validity, valid) + class_loss(real_classes, real_labels)) / 2

        # Loss for fake images
        fake_validity, fake_classes = discriminator(gen_imgs.detach())
        d_fake_loss = (adversarial_loss(fake_validity, fake) + class_loss(fake_classes, real_labels)) / 2

        # Total discriminator loss
        d_loss = d_real_loss + d_fake_loss

        d_loss.backward()
        dis_optimizer.step()

        #--------------------
        # Train Generator
        #--------------------

        gen_optimizer.zero_grad()

        # Loss measures generator's ability to fool the discriminator
        validity, pred_classes = discriminator(gen_imgs)
        g_loss = (adversarial_loss(validity, valid) + class_loss(pred_classes, real_labels)) / 2

        g_loss.backward()
        gen_optimizer.step()

3、聲音處理

GANPytorch不僅可以處理圖像,還可以處理聲音。GANPytorch可以被用於音樂合成、語音識別等領域。


#初始化GAN模型,並定義損失函數和優化器
generator = Generator()
discriminator = Discriminator()
adversarial_loss = torch.nn.MSELoss()
gen_optimizer = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.99))
dis_optimizer = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.99))

#開始訓練GAN模型
for epoch in range(n_epochs):
    for i, (real_audio, _) in enumerate(dataloader):
        real_audio = real_audio.type(Tensor)
        valid = Variable(Tensor(real_audio.size(0), 1).fill_(1.0), requires_grad=False)
        fake = Variable(Tensor(real_audio.size(0), 1).fill_(0.0), requires_grad=False)

        # Generate a batch of audios
        z = Variable(Tensor(np.random.normal(0, 1, (real_audio.shape[0], latent_dim))))
        gen_audio = generator(z)

        #--------------------
        # Train Discriminator
        #--------------------

        dis_optimizer.zero_grad()

        # Loss for real audios
        real_validity = discriminator(real_audio)
        d_real_loss = adversarial_loss(real_validity, valid)

        # Loss for fake audios
        fake_validity = discriminator(gen_audio.detach())
        d_fake_loss = adversarial_loss(fake_validity, fake)

        # Total discriminator loss
        d_loss = d_real_loss + d_fake_loss

        d_loss.backward()
        dis_optimizer.step()

        #--------------------
        # Train Generator
        #--------------------

        gen_optimizer.zero_grad()

        # Loss measures generator's ability to fool the discriminator
        validity = discriminator(gen_audio)
        g_loss = adversarial_loss(validity, valid)

        g_loss.backward()
        gen_optimizer.step()

原創文章,作者:小藍,如若轉載,請註明出處:https://www.506064.com/zh-tw/n/185724.html

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