【猫咪生成器】DCGAN、WGAN等4种生成对抗网络猫咪图像对比
【新智元导读】 作者用 DCGAN，WGAN，WGAN-GP 和 LSGAN 等生成对抗网络（GAN），使用拥有1万张猫的图片的 CAT 数据集做“生成猫咪的脸”的实验。结果有非常好的，也有不够好的，作者进行了分析并提出一些改进的方法。这个研究被GAN的提出者 Ian Goodfellow，Andrew Ng 等人在推特推荐，可以说是非常有趣的深度学习应用了。
我尝试使用生成对抗网络（GAN）来生成猫的脸。我想分别以较低和较高的分辨率使用 DCGAN，WGAN，WGAN-GP 以及 LSGAN。使用的数据集是 CAT Dataset，这个数据集包含 10000 张猫咪的照片。我需要的是猫咪的脸在中央的图像，并筛除了不符合的图像（这是用肉眼观察做的，花了几个小时…）。最终，我得到 9304 张分辨率大于 64×64 的图像和 6445 张分辨率大于 128×128 的图像。
DCGAN
DCGAN 生成器只需 239 个 epoch，在约 2-3 小时内就能收敛得到非常逼真的图像，但为了得到适当的收敛，需要做一些轻微的调整。你需要分别为 D（鉴别器）和 G（生成器）选择各自的学习率（learning rate），以使 G 或者 D 的效果不会差别太大。这需要非常小心地平衡，但一旦找到了平衡的点，就能得到收敛。使用 64×64 的图像时，最佳的点是鉴别器学习率为 .0005，而生成器学习率为 .0002。没有出现明显的 mode collapse 的问题，最终我们得到了非常可爱的图像！
DCGAN 生成的 64×64 分辨率的猫猫
高分辨率 DCGAN 和 SELU
我最初用 DCGAN 生成 128×128 分辨率猫咪图像的所有尝试都失败了。但是，用 SELU 代替批标准化（batch normalization）和 ReLU 之后，虽然速度有点慢（花了6＋小时），但是能够与之前相同的学习率稳定地收敛了。SELU 是自归一化的，因此不需要批标准化。SELU 是新近出现的方法，SELU 用于 GAN 的研究还非常少，但从我所观察到的，SELU 似乎大大增强了 GAN 的稳定性。这一方法生成的猫咪图像没有向前的那么好看，而且明显品种多样性不足（有大量类似的黑猫）。主要原因是样本量太小，N=6445，而不是 N=9304（因为只对分辨率大于 128×128 的图像进行训练）。不过，有些猫看起来很漂亮，而且比先前的分辨率更好，所以我仍然认为这是成功的！
DCGAN 生成的 128×128 分辨率的猫猫
WGAN
WGAN 生成器的收敛速度非常慢（花了4-5小时，600＋epoch），而且只有使用64个隐藏节点（hidden node）时才收敛。我无法在使用 128 个隐藏节点时使生成器收敛。使用 DCGAN 时，需要调整的学习率很多，但当它不收敛时可以快速看到（当 D 的损失值为 0，或 G 的损失在开始时为 0 时），但是使用 WGAN 时，你需要让它运行许多 epoch，才能知道是否收敛。
从视觉上看，出现了一些相当明显的 mode collapse。例如，许多猫出现虹膜异色，有些猫一只眼睛闭着一只眼睛睁着，或者鼻子很奇怪。总体而言，结果不如 DCGAN 那么好，但由于 WGAN 神经网络没有那么复杂，所以这样比较可能不公平。它似乎也陷入了局部最优（local optimum）。到目前为止，WGAN 效果令人失望。
WGAN-GP（使用正则化而非 weight clipping 的改进版 WGAN）可以解决这些问题。在 Gulrajani 等人的论文“Improved Training of Wasserste in GANs”（2017）中，他们训练了一个 101 层的神经网络来生成图像！所以我想我训练的 5 层，128 个隐藏节点的生成器可能是问题所在。Adam 优化器还具有一些特征，可以降低 mode collapse 以及令其陷入不利的局部最优的风险。这可能有助于解决 WGAN 的问题，因为 WGAN 不使用 Adam，而 DCGAN 和 WGAN-GP 都使用。
WGAN 生成的猫猫
WGAN-GP（改进版 WGAN）
WGAN-GP 生成器收敛速度非常慢（超过6小时），但不管改变什么设置结果都是这样。它是开箱即用的，不需要任何调整。你可以增大或降低学习率，不会出现很大的影响。因此，我是非常喜欢 WGAN-GP 的。
生成的猫非常多样化，而且没有明显的 mode collapse，这是相对 WGAN 的一个重大改进。但是，生成猫的外观非常模糊，就像高分辨率图片被变成低分辨率了一样，我不知道这是什么原因。可能是 Wasserstein loss 的特点。我想使用不同的学习率和架构可能有所帮助。这需要进一步的尝试，肯定还有很大的潜力。
WGAN-GP 生成的猫猫
LSGAN（最小二乘GAN）
LSGAN 是一种比较不同的方法，我们尝试将鉴别器输出和其指定的标签之间的平方距离最小化。Xudong Mao（毛旭东）等人的原始 LSGAN 论文中建议使用：在鉴别器 update 中使1为真实图像，0为伪造图像，然后在生成器 update 中使1为伪造图像，0为真实图像。但是 Hejlm 等人的论文建议使用：在鉴别器 update 中使1为真实图像，0为伪造图像，但在生成器update中使.50作为伪造图像来寻找边界。
我没有时间进行完整的运行，但 LSGAN 总体相当稳定，并且输出的猫非常漂亮。虽然一般情况下是稳定的，但又一次，损失和梯度崩溃了，生成的别说猫了，啥也没有。你可以看下面的 epoch 31 和 32：
因此，它不是绝对稳定的，可能会崩溃造成非常糟糕的结果。为 Adam 优化器选择更好的超参数可能有助于防止这种情况。你不需要像 DCGAN 那样调整学习率，但如果出故障（可能很少见），生成的猫咪还是非常好看的。
后记：LSGAN 的第一作者 Xudong Mao 发给我一张128×128分辨率的 LSGAN 生成的猫的图像，证明 LSGAN 可以生成跟 DCGAN 一样好的图，甚至更好。结果如下面这张图：
开源代码：https://github.com/AlexiaJM/Deep-learning-with-cats
数据集：CAT Dataset：https://web.archive.org/web/20150703060412/http://137.189.35.203/WebUI/CatDatabase/catData.html
相关论文：
1. Radford A, Metz L, Chintala S. Unsupervised representation learning with deep convolutional generative adversarial networks[J]. arXiv preprint arXiv:1511.06434, 2015.
2. Arjovsky M, Chintala S, Bottou L. Wasserstein gan[J]. arXiv preprint arXiv:1701.07875, 2017.
3. Gulrajani I, Ahmed F, Arjovsky M, et al. Improved training of wasserstein gans[J]. arXiv preprint arXiv:1704.00028, 2017.
4. Mao X, Li Q, Xie H, et al. Least squares generative adversarial networks[J]. arXiv preprint ArXiv:1611.04076, 2016.
原文：https://ajolicoeur.wordpress.com/cats/