Generation and GAN（初步认知）

短命女 2022-09-04 12:45 88阅读 0赞

### Generation and GAN ###

### 文章目录 ###

*   *   *  Generation and GAN
         *   *  参考
             *  什么是Generation？
             *  什么是GAN？
             *  GAN 的理论支撑？
             *   *  Discriminator
                 *  \*\*Generator\*\*的\*\*Divergence\*\*
                 *  JS divergence is not suitable
                 *  Wasserstein Distance
             *  GAN的瓶颈
             *   *  Diversity - Mode Collapse
                 *  Diversity - Mode Dropping
             *  Conditional Generation
             *  Cycle GAN

#### 参考 ####

*  [李宏毅机器学习课程笔记：DeepLearning\_LHY21\_Notes][DeepLearning_LHY21_Notes]
 *  [(强推)李宏毅2021春机器学习课程40-43][2021_40-43]
 *  [开发者自述：我是这样学习 GAN 的][GAN]

#### 什么是Generation？ ####

*  Generation就是模型通过学习一些数据，然后生成类似的数据。让机器看一些动物图片，然后自己来产生动物的图片，这就是生成。
    
     *  ![image-20210514101010215.png][]
     *  这里引用李宏毅老师课上的话：**network输出,不再是单一一个固定的东西,而变成了一个复杂的distribution**，这种**可以输出,一个distribution的network,我们就叫它generator**
        
         *  这里的distribution可以是上面提到的图片，也可以是语音、文字等

#### 什么是GAN？ ####

*  Generative Adversarial Network (GAN)，百度百科等解释是这样的：
    
     *  生成式对抗网络（GAN），模型通过框架中（至少）两个模块：[生成模型][Link 1]（Generative Model）和[判别模型][Link 2]（Discriminative Model）的互相[博弈][Link 3]学习产生相当好的输出。
     *  原始 GAN [理论][Link 4]中，并不要求 G 和 D 都是神经网络，只需要是能拟合相应生成和判别的函数即可。但实用中一般均使用深度神经网络作为 G 和 D 。一个优秀的GAN应用需要有良好的训练方法，否则可能由于[神经网络模型][Link 5]的自由性而导致输出不理想。
 *  关于生成对抗的解释，李老师用了一个枯叶蝶（=Generator）+比比鸟（=Discriminative）的例子
    
     *  ![image-20210 813163352939][]
     *  首先初代的波波会吃枯叶蝶的祖先，
     *  然后枯叶蝶祖先进化，颜色变成棕色，这样可以增加存活几率
     *  然后波波进化成比比鸟，可以认出棕色的枯叶蝶祖先，这样可以增加捕食效率
     *  然后棕色枯叶蝶祖先超进化，有了叶子的纹路，这样就和枯叶更像了，生存几率上升
     *  然后比比鸟进化成大比鸟。。。。。。。

#### GAN 的理论支撑？ ####

*  上面说到，我们用Generator生成对象，用Discriminator来检测对象的逼真程度
 *  也就是下图中所示（ P G = 生 成 分 布 P d a t a = 真 实 分 布 P\_G=生成分布 \\qquad P\_\{data\} = 真实分布 PG=生成分布Pdata=真实分布），我们用Discriminator来检测对象的逼真程度，也就是：$P\_G $计算  P d a t a P\_\{data\} Pdata之间的距离，最终目的是让Generator生成的$P\_G $ 和真实的  P d a t a P\_\{data\} Pdata之间的距离越短越好，也就是: G ∗ = arg ⁡ min ⁡ D i v ( P G , P d a t a ) G^\* = \\arg \\min Div(P\_G,P\_\{data\}) G∗=argminDiv(PG,Pdata)
    
     *  ![image-20210813164350882][]
 *  那么如何算这个DIV(Divergence)？GAN 告诉我们就是,你**不需要知道 PG 跟 Pdata它们实际上的 Formulation 长什麼样子**，只要能**从  P G P\_G PG 和  P d a t a P\_\{data\} Pdata这两个 Distributions Sample 东西出来,就有办法算 Divergence**,这个就是要**靠 Discriminator 的力量**

##### Discriminator #####

*  **Discriminator**在我们根本**不知道 PG 跟 Pdata,实际上完整的 Formulation 长什麼样子**,就能估测出 Divergence
 *  Discriminator是如何训练出的？
    
     *  我们有一大堆的 Real Data,这个 Real Data 就是从  P d a t a P\_\{data\} Pdata Sample 出来的结果
     *  我们有一大堆 Generative 的 Data,Generative 的 Data,就可以看作是从  P G P\_G PG Sample 出来的结果
     *  ![image-20210813221253924][]
     *  根据 Real 的 Data 跟 Generative 的 Data,我会去训练一个 Discriminator,它的训练的目标是
        
         *  看到 **Real Data**,就给它比较**高的分数**
         *  看到这个 **Generative 的 Data**,就给它比较**低的分数**
     *  其实就是要**分辨好的图跟不好的图**,分辨真的图跟生成的图,所以**看到真的图**给它**高分**,**看到生成的图**给它**低分**
     *  实际以上的过程，可以把它写成式子，把它当做是一个 **Optimization 的问题**（最优化问题）,这个 Optimization 的问题是这样子的（我们要 **Maximize** 的东西,我们会叫 **Objective Function**,如果 **Minimize** 我们就叫它 **Loss Function**）：
        
         *  ![image-20210813222415995.png][]
         *  我们现在要**找一个 D**,它可以 Maximize 这个 Objective Function
         *  ![image-20210813222847064][]
     *  我们希望这个 **Objective Function V越大越好**
        
         *  ![image-20210813222952773][]
         *  意味著我们希望这边的 D (Y) 越大越好,我们希望 Y 如果是从  **P d a t a P\_\{data\} Pdata Sample 出来的**,它就要**越大越好**
         *  我们希望说如果 Y 是从,这个  **P G P\_\{G\} PG Sample 出来的**,它就要**越小越好**
     *  事实上这个 Objective Function,它就是 **Cross Entropy 乘一个负号**，我们在寻找Maximize的时候，也等同雨寻找Corss Entropy的Minimize，也就是说这等同於是在**训练一个 Classifier**（其实Discriminator确实可以当做是一个 Classifier来train）
    
    ##### **Generator**的**Divergence** #####
 *  有了Discriminator，我们对**Generator**的**Divergence**就有了下面的思路：
    
     *  我们现在知道,我们只要训练一个 Discriminator,训练完以后,这个 Objective Function 的最大值,就是这个 Divergence,就跟这个 Divergence 有关
    
    ![image-20210813225233416][]
    
     *  然后我们可以用D\*替换掉Div

##### JS divergence is not suitable #####

*  JS Divergence 有个特性,是**两个没有重叠的分布,JS Divergence 算出来,就永远都是 Log2**,不管这两个分布长什麼样,所以两个分布只要没有重叠,算出来就一定是 log2
    
     *  ![image-20210813230245405][]
     *  如果不能分辨出来bad的程度，则就不回说去从左侧逼近右侧，因此我们需要找到一个**衡量两个 Distribution 的相似程度的方式**

##### Wasserstein Distance #####

*  ![image-2021081323053 3379][]
 *  Wasserstein Distance你在开一台推土机,那你把 P 想成是一堆土,把 Q 想成是你要把土堆放的目的地,那这个推土机**把 P 这边的土,挪到 Q 所移动的平均距离**,就是 **Wasserstein Distance**
 *  但是对于复杂的分布来说，这种方法可能就有不同值:
 *  ![image-20210813230708144][]
 *  于是为了让 Wasserstein Distance 只有一个值,所以这边 Wasserstein Distance 的定义是,**穷举所有的 Moving Plans**,然后看哪一个推土的方法,哪一个 Moving 的计划,可以让平均的距离最小,那个**最小的值,才是 Wasserstein Distance**

#### GAN的瓶颈 ####

##### Diversity - Mode Collapse #####

*  假如Generator生成了一个可以完美骗过Discriminator的一个sample，然后所有的Generator生成的sample都围绕那个接近完美的sample即可骗过Discriminator，拿到一个很高的分，但是这样会导致生成的图趋向一致
 *  ![image-20210813231314285.png][]

##### Diversity - Mode Dropping #####

*  和上面的类似，只不过这里趋向一堆sample（但不是全部），因此这会导致生成的图总是那么几个
 *  ![image-2021081323165 7070][]

#### Conditional Generation ####

*  相比于此前只输入分布z的Generation来说，Conditional Generation还要输入条件：x，因此画出来的时候会与输入条件相关，至于下图中的red eyes怎么输入的，这里用RNN或者**Transformer 的 Encoder**即可
 *  ![image-20210813231859791][]
 *  相应的，在训练Discriminator的时候也要加入条件，这样Discriminator才能将对应的条件和图片对应起来，然后Generation才能train出一个比较好的结果

#### Cycle GAN ####

*  对于那些未标注的信息，可以用Cycle GAN来train，比如对于一个人头像转换成动漫头像这个任务，可以这么做：
    
     *  ![image-20210813232652350][]
     *  现在这边有**三个Network**
        
        1.  第一个generator,它的工作是把X转成Y
        2.  第二个generator,它的工作是要把Y还原回原来的X
        3.  那这个discriminator,它的工作仍然是要看,蓝色的这个generator它的输出,像不像是Y domain的图
     *  那**加入了这个橙色的**从Y到X的generator以后,对於前面这个蓝色的generator来说,它就再也不**能够随便乱做**了,它就不能够随便產生乱七八糟,跟输入没有关係的人脸了（原来它可以直接对每个人脸输入输出同一个动漫头像，这就不是很合理，虽然Cycle GAN理论上也可能会发生这种情况，但在实际train的过程中，基本可以避免上述情况的发生）

[DeepLearning_LHY21_Notes]: https://github.com/unclestrong/DeepLearning_LHY21_Notes
[2021_40-43]: https://www.bilibili.com/video/BV1Wv411h7kN?p=40
[GAN]: https://www.leiphone.com/category/yanxishe/1JEkcUZI1leAFq5L.html
[image-20210514101010215.png]: https://gitee.com/unclestrong/deep-learning21_note/raw/master/imgbed/image-20210514101010215.png
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E7%94%9F%E6%88%90%E6%A8%A1%E5%9E%8B/6563656
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E5%88%A4%E5%88%AB%E6%A8%A1%E5%9E%8B/16224017
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%9A%E5%BC%88/4669968
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E7%90%86%E8%AE%BA/1732500
[Link 5]: https://baike.baidu.com/item/%E7%A5%9E%E7%BB%8F%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%A8%A1%E5%9E%8B/10658952
[image-20210 813163352939]: https://gitee.com/coconut_milk_candy/image-res/raw/master/blog/image-20210813163352939.png
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[image-20210813221253924]: https://gitee.com/coconut_milk_candy/image-res/raw/master/blog/image-20210813221253924.png
[image-20210813222415995.png]: https://gitee.com/coconut_milk_candy/image-res/raw/master/blog/image-20210813222415995.png
[image-20210813222847064]: /images/20220829/ffd3a992fdfe4081b795e9ffb41af198.png
[image-20210813222952773]: https://gitee.com/coconut_milk_candy/image-res/raw/master/blog/image-20210813222952773.png
[image-20210813225233416]: https://gitee.com/coconut_milk_candy/image-res/raw/master/blog/image-20210813225233416.png
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[image-20210813231314285.png]: https://gitee.com/coconut_milk_candy/image-res/raw/master/blog/image-20210813231314285.png
[image-2021081323165 7070]: https://gitee.com/coconut_milk_candy/image-res/raw/master/blog/image-20210813231657070.png
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