生成對抗網(wǎng)絡(luò)模型的基本介紹和應(yīng)用綜述

馮杰，班彪華

（廣西師范學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院，南寧 530000）

0 引言

與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的大量工作誕生于20世紀(jì)五十年代，然而當(dāng)時的計算機(jī)運(yùn)行得十分緩慢，數(shù)據(jù)量也小，科研人員并沒有發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)世界中能夠使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的場景。因此，在21世紀(jì)初，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)幾乎被機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域?qū)W者所遺忘。直到近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最先在2009年的語言識別領(lǐng)域，接下來在2012年的計算機(jī)視覺中，其憑借優(yōu)異的表現(xiàn)重新回到人們的視線（同時伴隨著LeNet、AlexNex等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的提出）。大數(shù)據(jù)（Big Data）以及廉價高速的GPU為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了動力，使其快速成為當(dāng)今最炙手可熱的研究方向。

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)中十分令人振奮的一個分支，它利用大量的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練計算機(jī)去做一些之前只有人類才能做的事情，諸如如何分辨圖像中有哪些物體，分辨人們在打電話時對話的內(nèi)容，將文檔翻譯成另一種語言，幫助機(jī)器人探索世界并對各種事情及時響應(yīng)，等等。深度學(xué)習(xí)成為解決機(jī)器認(rèn)知問題最為核心的工具，并且是計算機(jī)視覺和語音識別領(lǐng)域當(dāng)下最為優(yōu)秀技術(shù)之一。

最近幾年，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1]在圖像識別、語音識別以及自然語言理解方面的應(yīng)用有了爆炸式的增長，并且都能達(dá)到極高的準(zhǔn)確度。目前最新進(jìn)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)到高度復(fù)雜的模型和模式，它們的能力令人印象深刻。然而人類可以做能力遠(yuǎn)超出圖像識別和語音識別的任務(wù)，而這些任務(wù)想要通過機(jī)器進(jìn)行自動化似乎還是天方夜譚。例如：①通過學(xué)習(xí)維基百科上的文章來訓(xùn)練出一個人工智能作者，以一種通俗易懂的方式寫一篇面向社區(qū)解釋科學(xué)概念的文章。②創(chuàng)造一個可以通過學(xué)習(xí)著名畫家的作品集來模擬他的風(fēng)格進(jìn)行創(chuàng)作的人工智能畫家。毫無疑問，這些都是很困難的任務(wù)，但是生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）使得這些任務(wù)的解決變?yōu)榭赡?。深度學(xué)習(xí)的領(lǐng)軍人物，F(xiàn)acebook AI部門主管Yann LeCun曾經(jīng)說過：“生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）及其變種已然成為近10年來機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域最令人激動的想法?！?/p>

1 生成對抗網(wǎng)絡(luò)

生成對抗網(wǎng)絡(luò)（Generative Adversarial Networks，GAN）是Goodfellow等[2]人在2014年從自博弈論中的“二人零和博弈（即二人的利益之和為零，一方的所得正是另一方的所失）”中受到啟發(fā)而提出的。GAN是一個通過對抗過程來估計生成模型的新框架，并可使用隨機(jī)梯度下降（Stochastic Gradient Descent，SGD）實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。這避免了反復(fù)應(yīng)用馬爾可夫鏈學(xué)習(xí)機(jī)制帶來的配分函數(shù)計算，不需變分下限也不需近似推斷，從而大大提高了應(yīng)用效率[3]。它需要同時訓(xùn)練兩個模型：捕獲數(shù)據(jù)分布的生成模型G（Generative Model）和一個用于估計樣本來自訓(xùn)練數(shù)據(jù)而非G的概率的判別模型D（Discriminative Model）[1]。生成模型捕捉真實(shí)數(shù)據(jù)樣本的潛在分布并生成新的數(shù)據(jù)樣本，判別模型是一個二分類器，判別輸入的數(shù)據(jù)是來自真實(shí)數(shù)據(jù)還是生成的樣本數(shù)據(jù)。為了能在博弈中勝出，兩個模型需不斷提高自身的生成能力和判別能力。生成模型和判別模型均可用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。生成對抗網(wǎng)絡(luò)GAN的優(yōu)化過程是一個極大極小博弈（Minimax Game）問題，優(yōu)化的期望是達(dá)到納什均衡，使得生成模型估測到數(shù)據(jù)樣本的分布或生成期望的數(shù)據(jù)樣本。

2 基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)GAN的各種變體

2.1 CGAN（Conditionall GAN）

一個生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）會同時訓(xùn)練兩個網(wǎng)絡(luò)——一個從未知分布或者噪聲中學(xué)習(xí)生成偽造樣本的生成器，以及一個學(xué)習(xí)如何從樣本中區(qū)分真?zhèn)蔚呐袆e器。

條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)[4]是在生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一個擴(kuò)展。由于GAN不需要預(yù)先建模，使得生成過程過于自由，對于較大的圖片，較多像素（Pixel）的情形，基于簡單生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）的方式就變得不可控。為了解決GAN太過自由這一問題，很自然地就想到給生成對抗網(wǎng)絡(luò)增加一定的約束，讓生成對抗網(wǎng)絡(luò)以我們理想的方向去生成圖片。在條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)中，生成模型并不是直接輸入一個隨機(jī)噪聲，從一個未知的噪聲分布開始學(xué)習(xí)，而是通過一個特定的約束條件或者某些特征（例如一個圖像的類別標(biāo)簽，用于圖像修復(fù)的部分?jǐn)?shù)據(jù)屬性等）開始學(xué)習(xí)如何生成樣本。在生成模型和判別模型的建模過程中都引入條件變量，即給兩個網(wǎng)絡(luò)都加入一個參數(shù)向量y。這樣生成模型和判別模型都擁有一組聯(lián)合條件變量。一般情況下，生成模型中的先驗噪聲輸入p（z）和條件變量y會以隱藏節(jié)點(diǎn)連接的方式結(jié)合在一起。

所以，條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)為：

圖1 條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從圖1所示的架構(gòu)中可以看出，CGAN相比于GAN增加了一個輸入層條件向量C，同時連接到了生成模型網(wǎng)絡(luò)和判別模型網(wǎng)絡(luò)。

2.2 DCGAN（Deep Convolutional Generative Add--versarial Net woorrkk）

DCGAN即深度卷積生成對抗網(wǎng)絡(luò)[5]，它的基本原理是將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生成對抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，將CNN的概念思想融入到生成模型和判別模型中，讓生成對抗網(wǎng)絡(luò)的性能得到極大的提高，為后續(xù)各種關(guān)于GAN的工作提供了思想依據(jù)。

DCGAN主要通過以下幾個架構(gòu)性的約束來固化網(wǎng)絡(luò)：

●使用步數(shù)卷積取代卷積網(wǎng)絡(luò)中的池化層；

●在生成模型和判別模型中均使用批規(guī)范化；

●消除網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中較深的全連接層，并且在最后只使用了簡單的平均池化；

●在生成模型的輸出層使用tanh激活函數(shù)，而在其他層則使用ReLU激活函數(shù)。

●在判別模型的所有層中都使用了Lecky ReLU激活函數(shù)。

圖2 DCGAN生成模型的架構(gòu)圖

2.3 CylclleGAN（Cycle Consistent Generative Nett--wwoorrkk）

循環(huán)一致生成網(wǎng)絡(luò)[6]最初在論文Unpaired imageto-image using CycleGAN-arXiv：1703.10593,2017 中提出，主要用來尋找不需要其他額外的信息就能將一張圖像從源領(lǐng)域映射到目標(biāo)領(lǐng)域的方法。被學(xué)者們認(rèn)為是“最好玩”的GANs模型，它可以將灰度圖像變成彩色圖像、將普通的馬轉(zhuǎn)換成黑白條紋的斑馬、還能將一副普通的畫作瞬間變?yōu)榫哂心魏丸蟾叩却髱燂L(fēng)格的“驚世之作”。

圖3 CycleGAN的有趣應(yīng)用

CycleGAN的核心思想是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，主要有兩個轉(zhuǎn)換器F和G組成（一個轉(zhuǎn)換器含有一組生成模型和判別模型），如圖所示，X表示X域的圖像，Y表示Y域的圖像。其中x域的圖像先通過轉(zhuǎn)換器G生成y域的圖像，再通過轉(zhuǎn)換器F重構(gòu)回X域輸入的原圖像。同樣的，y域的圖像先通過轉(zhuǎn)換器F生成X域的圖像，再通過轉(zhuǎn)換重構(gòu)回y域輸入的原圖像。其中判別模型Dx和DY起到判別作用，促使圖像進(jìn)行風(fēng)格化遷移。因此，對于一個在域X的圖像x，我們期望函數(shù)G(F(x))的結(jié)果與x相同；同樣，對于一個在域Y的圖像y，我們期望函數(shù)F(G(y))的結(jié)果和y相同。

圖4 圖像從域到域的遷移示意圖

CycleGAN模型有以下兩個損失函數(shù)：

●對抗損失：它和生成圖像的分布以及目標(biāo)域的分配相匹配。

●循環(huán)一致?lián)p失：它用來避免學(xué)習(xí)到的轉(zhuǎn)換器G和F互相矛盾。

完整的CycleGAN目標(biāo)函數(shù)如下：

2.4 StackGAN（Stacked Generative Adversarial Networks）

堆積生成對抗網(wǎng)絡(luò)的思想最早來自文章Text to Photo-realistic Image Synthesis with Stacked Generative Adversarial Networks—arXiv：1612.03242,2017，GAN 在文中被用于通過文字描述來生成圖像。

通過文本制作逼真的圖像在計算機(jī)視覺領(lǐng)域是一個極具挑戰(zhàn)的問題，并且有著極其廣泛的應(yīng)用場景。通過文本生成圖像的問題可以分解為兩個更易于控制的子問題，進(jìn)而可以使用StackGAN[7]。通過這種方法，我們根據(jù)特定條件（文本描述和上一階段的輸出）堆疊出了一個兩階段生成對抗網(wǎng)絡(luò)來解決從文本生成逼真圖像這個問題。

圖5 StackGAN的架構(gòu)模型

StackGAN模型主要分為兩個階段：

（1）階段一

在本階段中，StackGAN就是一個標(biāo)志的條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)，輸入就是隨機(jī)的正態(tài)分布采樣的z和文本描述刻畫的向量c，網(wǎng)絡(luò)需要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

●根據(jù)文本描述的條件生成物體大致的形狀和基本的顏色。

●通過先前的分布和隨機(jī)噪聲樣本生成背景區(qū)域。

在這個階段生成低分辨率的64×64的粗粒度圖像看起來并不真實(shí)，有可能物體形態(tài)被扭曲，或者丟失了某些部分。

階段一中GAN分別通過下面的公式來訓(xùn)練判別模型D0（最大化損失）和生成模型G0（最小化損失）：

判別模型損失函數(shù)：

生成模型損失函數(shù)：

（2）階段二

在本階段中，GAN網(wǎng)絡(luò)專注于勾勒細(xì)節(jié)，將第一階段的生成結(jié)果和文本描述作為輸入，用第二個生成對抗網(wǎng)絡(luò)生成一張符合文本描述信息的256×256分辨率的高清晰度逼真圖像。

判別模型損失函數(shù)：

生成模型損失函數(shù)：

3 生成對抗網(wǎng)絡(luò)GAN的相關(guān)應(yīng)用

3.1 圖像超分辨率

超分辨率技術(shù)（Super-Resolution，SR）是指把低分辨率圖像重建出相應(yīng)的高分辨率圖像，其在安防監(jiān)控、衛(wèi)星觀測和醫(yī)療影像等領(lǐng)域都有較為重要的應(yīng)用價值。SR一般可分為從單張和多張低分辨率圖像重建出高分辨率圖像兩類?；谏疃葘W(xué)習(xí)的SR，主要是采用單張低分辨率的方法。

來自Twitter公司的Ledig等[8]提出了一個用于超分辨率的生成對抗網(wǎng)絡(luò)SRGAN，將低分辨率圖像變換為具有豐富細(xì)節(jié)的高分辨率圖像。作者以VGG-19網(wǎng)絡(luò)作為判別模型，用規(guī)則化處理的殘差網(wǎng)絡(luò)作為生成模型。實(shí)驗結(jié)果如圖所示，可以看到SRGAN取得的效果比目前最先進(jìn)的深度殘差網(wǎng)絡(luò)（Deep Residual Net?work，ResNet）更加出色。

圖6 SRGAN生成效果對比

3.2 圖像修復(fù)

圖像修復(fù)是對圖像上信息缺損區(qū)域進(jìn)行信息填充的過程，其目的是利用圖像現(xiàn)有的信息來恢復(fù)丟失的信息。圖像修復(fù)技術(shù)可用于舊照片中丟失信息的修復(fù)，視頻文字去除以及視頻錯誤隱藏等。Pathak等人[9]將CGAN應(yīng)用到圖像修復(fù)中，利用生成對抗網(wǎng)絡(luò)的思想，以圖像缺失部分的周邊像素作為生成模型的輸入修復(fù)完整的圖像，再將修復(fù)樣本和真實(shí)樣本輸入到判別模型中，進(jìn)行對抗訓(xùn)練，如圖所示，相比于傳統(tǒng)方法（Image Melding），基于GAN的圖像修復(fù)可以更好地考慮圖像的語義信息，所生成的修復(fù)圖像與周邊更加連貫自然。

最近，英偉達(dá)深度視覺實(shí)驗室發(fā)表了論文Progres?sive Growing of GANs for Improved Quality,Stability,and Variation，提出一種以漸進(jìn)增大的方式更穩(wěn)定地訓(xùn)練GAN，實(shí)現(xiàn)了前所未有的高分辨率圖像生成。

3.3 視頻預(yù)測

圖7 GAN與傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)填補(bǔ)效果[10]

視頻預(yù)測是指根據(jù)視頻的當(dāng)前幾幀，來預(yù)測接下來發(fā)生的一幀或多幀視頻。普遍方法是使用最小二乘法來逐一回歸視頻幀的像素值，這種方法的問題是生成的視頻會存在動作模糊。Mathieu等人[11]最先提出將對抗訓(xùn)練的思想應(yīng)用到視頻預(yù)測中，其生成模型是根據(jù)前面若干幀來生成視頻的最后一幀，而判別模型則是對該幀進(jìn)行判斷。除了生成的最后一幀外，前面的若干幀都是視頻中的真實(shí)圖片，這樣的優(yōu)點(diǎn)是能使得判別模型利用時間維度的信息更加有效，同時通過對抗，有助于生成幀和前面的若干幀保持一致性。

最近，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和Petuum合作提出了一種對偶運(yùn)動生成對抗網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[12]，可以使用一種對偶對抗學(xué)習(xí)機(jī)制來學(xué)習(xí)明確地未來幀中的合成像素值與像素上的運(yùn)動軌跡保持連貫。具體來說，它能同時根據(jù)一種共享的頻率運(yùn)動編碼器而解決原始的未來幀預(yù)測問題和對偶的未來流預(yù)測問題。這項研究將有助于解決自動駕駛的難題。

圖8 對偶對抗學(xué)習(xí)機(jī)制架構(gòu)[12]

4 結(jié)語

自2014年Goodfellow提出生成對抗網(wǎng)絡(luò)以來，其在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。經(jīng)過近幾年，各種新穎有趣的生成對抗網(wǎng)絡(luò)變體不斷被提出，在計算機(jī)視覺的各個領(lǐng)域都得到很好地應(yīng)用。生成對抗網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的生成式模型，它的二人零和博弈思想，“無限”的新樣本生成能力，相信會在計算機(jī)視覺領(lǐng)域外的語音和語言處理、信息安全等領(lǐng)域發(fā)揮更重大的應(yīng)用價值。