生成对抗网络 – Generative Adversarial Networks | GAN
生成对抗网络 – Generative Adversarial Networks | GAN
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生成对抗网络 – GANs 是最近2年很热门的一种无监督算法，他能生成出非常逼真的照片，图像甚至视频。我们手机里的照片处理软件中就会使用到它。 本文将详细介绍生成对抗网络 – GANs 的设计初衷、基本原理、10种典型算法和13种实际应用。
GANs的设计初衷
一句话来概括 GANs 的设计动机就是——自动化。
人工提取特征——自动提取特征
我们在《一文看懂深度学习（概念+优缺点+典型算法）》中讲过，深度学习最特别最厉害的地方就是能够自己学习特征提取。
机器的超强算力可以解决很多人工无法解决的问题。自动化后，学习能力更强，适应性也更强。
人工判断生成结果的好坏——自动判断和优化
我们在《监督学习》中讲过，训练集需要大量的人工标注数据，这个过程是成本很高且效率很低的。而人工判断生成结果的好坏也是如此，有成本高和效率低的问题。
而 GANs 能自动完成这个过程，且不断的优化，这是一种效率非常高，且成本很低的方式。GANs是如何实现自动化的呢？下面我们讲解一下他的原理。
生成对抗网络 GANs 的基本原理
大白话版本
知乎上有一个很不错的解释，大家应该都能理解：
假设一个城市治安混乱，很快，这个城市里就会出现无数的小偷。在这些小偷中，有的可能是盗窃高手，有的可能毫无技术可言。假如这个城市开始整饬其治安，突然开展一场打击犯罪的「运动」，警察们开始恢复城市中的巡逻，很快，一批「学艺不精」的小偷就被捉住了。之所以捉住的是那些没有技术含量的小偷，是因为警察们的技术也不行了，在捉住一批低端小偷后，城市的治安水平变得怎样倒还不好说，但很明显，城市里小偷们的平均水平已经大大提高了。
警察们开始继续训练自己的破案技术，开始抓住那些越来越狡猾的小偷。随着这些职业惯犯们的落网，警察们也练就了特别的本事，他们能很快能从一群人中发现可疑人员，于是上前盘查，并最终逮捕嫌犯；小偷们的日子也不好过了，因为警察们的水平大大提高，如果还想以前那样表现得鬼鬼祟祟，那么很快就会被警察捉住。
为了避免被捕，小偷们努力表现得不那么「可疑」，而魔高一尺、道高一丈，警察也在不断提高自己的水平，争取将小偷和无辜的普通群众区分开。随着警察和小偷之间的这种「交流」与「切磋」，小偷们都变得非常谨慎，他们有着极高的偷窃技巧，表现得跟普通群众一模一样，而警察们都练就了「火眼金睛」，一旦发现可疑人员，就能马上发现并及时控制——最终，我们同时得到了最强的小偷和最强的警察。
非大白话版本
生成对抗网络（GANs）由2个重要的部分构成：
- 生成器(Generator)：通过机器生成数据（大部分情况下是图像），目的是“骗过”判别器
- 判别器(Discriminator)：判断这张图像是真实的还是机器生成的，目的是找出生成器做的“假数据”
下面详细介绍一下过程：
第一阶段：固定「判别器D」，训练「生成器G」
我们使用一个还 OK 判别器，让一个「生成器G」不断生成“假数据”，然后给这个「判别器D」去判断。
一开始，「生成器G」还很弱，所以很容易被揪出来。
但是随着不断的训练，「生成器G」技能不断提升，最终骗过了「判别器D」。
到了这个时候，「判别器D」基本属于瞎猜的状态，判断是否为假数据的概率为50%。
第二阶段：固定「生成器G」，训练「判别器D」
当通过了第一阶段，继续训练「生成器G」就没有意义了。这个时候我们固定「生成器G」，然后开始训练「判别器D」。
「判别器D」通过不断训练，提高了自己的鉴别能力，最终他可以准确的判断出所有的假图片。
到了这个时候，「生成器G」已经无法骗过「判别器D」。
循环阶段一和阶段二
通过不断的循环，「生成器G」和「判别器D」的能力都越来越强。
最终我们得到了一个效果非常好的「生成器G」，我们就可以用它来生成我们想要的图片了。
下面的实际应用部分会展示很多“惊艳”的案例。
如果对 GANs 的详细技术原理感兴趣，可以看看下面2篇文章：
GANs的优缺点
3个优势
- 能更好建模数据分布（图像更锐利、清晰）
- 理论上，GANs 能训练任何一种生成器网络。其他的框架需要生成器网络有一些特定的函数形式，比如输出层是高斯的。
- 无需利用马尔科夫链反复采样，无需在学习过程中进行推断，没有复杂的变分下界，避开近似计算棘手的概率的难题。
2个缺陷
- 难训练，不稳定。生成器和判别器之间需要很好的同步，但是在实际训练中很容易D收敛，G发散。D/G 的训练需要精心的设计。
- 模式缺失（Mode Collapse）问题。GANs的学习过程可能出现模式缺失，生成器开始退化，总是生成同样的样本点，无法继续学习。
扩展阅读：《为什么训练生成对抗网络如此困难？》阅读这篇文章对数学要求很高
10大典型的GANs算法
GANs 算法有数百种之多，大家对于 GANs 的研究呈指数级的上涨，目前每个月都有数百篇论坛是关于对抗网络的。
下图是每个月关于 GANs 的论文发表数量：
如果你对 GANs 算法感兴趣，可以在 「GANs动物园」里查看几乎所有的算法。我们为大家从众多算法中挑选了10个比较有代表性的算法，技术人员可以看看他的论文和代码。
算法 | 论文 | 代码 |
|---|---|---|
GAN | 论文地址 | 代码地址 |
DCGAN | 论文地址 | 代码地址 |
CGAN | 论文地址 | 代码地址 |
CycleGAN | 论文地址 | 代码地址 |
CoGAN | 论文地址 | 代码地址 |
ProGAN | 论文地址 | 代码地址 |
WGAN | 论文地址 | 代码地址 |
SAGAN | 论文地址 | 代码地址 |
BigGAN | 论文地址 | 代码地址 |
上面内容整理自《Generative Adversarial Networks – The Story So Far》原文中对算法有一些粗略的说明，感兴趣的可以看看。
GANs 的13种实际应用
GANs 看上去不如「语音识别」「文本挖掘」那么直观。不过他的应用已经进入到我们的生活中了。下面给大家列举一些 GANs 的实际应用。
生成图像数据集
人工智能的训练是需要大量的数据集的，如果全部靠人工收集和标注，成本是很高的。GANs 可以自动的生成一些数据集，提供低成本的训练数据。
生成人脸照片
生成人脸照片是大家很熟悉的应用，但是生成出来的照片用来做什么是需要思考的问题。因为这种人脸照片还处于法律的边缘。
生成照片、漫画人物
GANs 不但能生成人脸，还能生成其他类型的照片，甚至是漫画人物。
图像到图像的转换
简单说就是把一种形式的图像转换成另外一种形式的图像，就好像加滤镜一样神奇。例如：
- 把草稿转换成照片
- 把卫星照片转换为Google地图的图片
- 把照片转换成油画
- 把白天转换成黑夜
文字到图像的转换
在2016年标题为“ StackGAN：使用 StackGAN 的文本到逼真照片的图像合成 ”的论文中，演示了使用 GAN，特别是他们的 StackGAN，从鸟类和花卉等简单对象的文本描述中生成逼真的照片。
语意 – 图像 – 照片 的转换
在2017年标题为“ 高分辨率图像合成和带条件GAN的语义操纵 ”的论文中，演示了在语义图像或草图作为输入的情况下使用条件GAN生成逼真图像。
自动生成模特
在2017年标题为“ 姿势引导人形象生成 ”的论文中，可以自动生成人体模特，并且使用新的姿势。
照片到Emojis
GANs 可以通过人脸照片自动生成对应的表情（Emojis）。
照片编辑
使用GANs可以生成特定的照片，例如更换头发颜色、更改面部表情、甚至是改变性别。
预测不同年龄的长相
给一张人脸照片， GANs 就可以帮你预测不同年龄阶段你会长成什么样。
提高照片分辨率，让照片更清晰
给GANs 一张照片，他就能生成一张分辨率更高的照片，使得这个照片更加清晰。
照片修复
假如照片中有一个区域出现了问题（例如被涂上颜色或者被抹去），GANs可以修复这个区域，还原成原始的状态。
自动生成3D模型
给出多个不同角度的2D图像，就可以生成一个3D模型。
百度百科+维基百科
百度百科版本
生成式对抗网络（GAN, Generative Adversarial Networks ）是一种深度学习模型，是近年来复杂分布上无监督学习最具前景的方法之一。模型通过框架中（至少）两个模块：生成模型（Generative Model）和判别模型（Discriminative Model）的互相博弈学习产生相当好的输出。原始 GAN 理论中，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的自由性而导致输出不理想。
维基百科版本
生成对抗网络（GAN）是一类用于无监督机器学习的人工智能算法，由在零和游戏框架中相互竞争的两个神经网络系统实现。他们是由Ian Goodfellow 等人介绍的。在2014年这种技术可以生成照片看起来至少在表面上真实的人的观察员，有很多的现实特征（虽然在测试中的人可以真正告诉在许多情况下产生）。