生成对抗网络(GAN)的应用与发展

灯塔大数据

发布于 2020-12-14 16:24:18

3.5K0

发布于 2020-12-14 16:24:18

前言

近年来，生成对抗网络(GAN)得到广泛的研究，已经在一些特定应用上与其它机器学习算法相结合，针对有监督学习、半监督学习、无监督学习任务都有许多新型算法涌现出来。同时，由于 GAN 无需显式建模任何数据分布就可生成Real-like的样本，因此已经广泛应用到了诸如计算机视觉、自然语言处理等领域中。

一、GAN与不同任务

1.1 GAN与有监督学习

机器学习中的监督式学习，是通过有标签数据集训练模型的一种机器学习方式，训练后的模型可以对未标签数据进行分类或回归分析。将有监督学习与GAN结合，目标在于期望根据网络输入的标签生成对应的输出。针对带标签数据的生成问题，一些研究者基于GAN的结构提出了条件式生成对抗网络的变体，其中典型的变体有 CGAN 和LAPGAN。

如图1所示，条件式生成对抗网络(CGAN)，在原始GAN的判别器和生成器的输入部分x与z，都加上一个额外的辅助信息y，一般是类别标签c。即生成器同时输入随机噪声z和类别标签c，判别器则将生成样本、真实样本与类别标签作为输入，以此学习标签和图片之间的关联性。

1.2 GAN与半监督学习

对于许多实际场景中，有标注数据其实只占少数，而大量无标签数据更容易获取。因此，衍生出半监督学习，以同时利用少量标签数据与大量无标签数据进行协同训练，从而实现对未标签数据的分类问题。而对于生成对抗网络训练中的真实数据集，可以被看作有标签数据，而由生成器随机生成的数据则可以被看作是无标签数据，基于此思路衍生的变体中比较典型的有SGAN与ACGAN。

如图2所示，半监督式GAN(SGAN)，相比于原始 GAN，主要区别在于判别器输出一个类别数+1 维度的信息。因此对于判别器，其损失包括两部分，一部分是判断样本真假的损失，另一部分是判断样本类别的损失。而生成器则只需要尽量生成逼真的样本即可。

提出SGAN的目标是希望能够做到同时训练生成器与半监督式分类器，最终得到一个更优的半监督式分类器，以及一个样本生成质量更高的生成模型。其训练完成后，判别器就可以作为一个分类模型去分类。但是，上述SGAN的结构中，训练判别器进行半监督学习过程中存在一个问题，其既要区分真假样本，也要学习预测分类，二者目标不一致，容易导致二者都达不到最优。一个直观的想法就是把预测标签和区分真假样本分开。

1.3 GAN与无监督学习

相对于有监督学习方法，无监督学习不使用任何标签信息。因此，无监督学习方法需要对隐空间进行分解得到有意义的特征表示，类似于自动编码器，生成对抗网络通过输入隐向量，来模拟真实数据空间的低维表征，然后来生成对应的高维数据。但是，此时生成的数据表征并非可解释型特征，对后续分类等任务帮助有限。于是，有研究者提出InfoGAN，对传统GAN结构进行了一系列修改，从而使得生成模型可以产生有意义且可解释的特征。

如图4所示，InfoGAN将输入噪声分解为隐变量 z 和条件变量 c，期望在两个维度上都生成可解释型特征。区别于传统GAN仅输入随机噪声z，InfoGAN的生成器同时输入z和c，以生成概率PG(x|c)得到G(z, c)分布的样本。为了约束c与生成样本之间的关系，在训练过程中需要对隐含编码c和生成分布G(z, c)求互信息I(c; G(z, c))，并通过最大化此互信息，以实现变量解耦。具体来说，互信息表示c里面关于G(z, c)的信息有多少，如果最大化互信息I(c; G(z, c))，即最大化生成样本与条件变量c的关联性。

二、GAN的应用

2.1 图像

目前GAN在图像处理和计算机视觉方面应用最为广泛，例如图像翻译、图像生成、图像超分辨率、目标检测、视频生成等领域的应用。

其中，图像翻译是指从一副(源域)图像到另一副(目标域)图像的转换，类似于机器翻译，从一种语言转换为另一种语言的过程，这个翻译过程中会保持源域图像内容不变，但是风格或者一些其他属性变成目标域。该任务根据有无成对训练数据分为成对图像翻译、无成对图像翻译两类。对于成对图像翻译，典型的变体就是pix2pix，其使用成对数据训练了一个条件GAN，损失包括原始GAN 的判别损失以及逐像素差损失。另外一种变体 PAN 则使用特征图上的逐像素差替代图片上的逐像素差作为损失，以生成人眼感知上更加接近源域的图像。

图像生成是GAN另一个最经典的应用，比如目前最为常见的人脸生成，旨在将视频或图片中的人脸进行互换。其中一种经典的变体faceswap-GAN，在训练阶段通过算法将人脸A数据进行扭曲，变得与人脸A不同，再通过自动编码器在重建的人脸上生成遮罩，最终通过遮罩信息与之前输入的信息还原人脸A数据。然后，在测试阶段，网络输入人脸B数据，视为训练集中扭曲过的训练集人脸，并采取同样的步骤将其还原为人脸A 的状态，实现换脸。

而在图像超分辨方面，一种经典变体SRGAN，通过结合传统GAN和感知损失生成细节丰富的图像。其中，感知损失重点关注中间特征层的误差，而不是输出结果的逐像素误差，从而避免了生成的高分辨图像缺乏纹理细节信息的问题。同时，正是得益于GAN 在图像超分辨中的应用，针对目标检测问题，就可以首先利用GAN生成目标的高分辨率图像，再进行检测，从而提高目标检测精度。

另外，对于视频生成任务，通常来说，视频由相对静止的背景和运动的前景组成，因此，VideoGAN使用一个两阶段的生成器，由3D CNN生成器生成运动前景，由2D CNN生成器生成静止的背景。而Pose GAN则使用VAE和GAN生成视频，首先VAE结合当前帧和前几帧的姿态特征预测下一帧的运动信息，然后用3D CNN基于运动信息生成后续视频帧。MoCoGAN则提出将隐空间按运动部分和内容部分进行分离，对于运动部分使用 RNN 建模。

2.2 序列

近几年，GAN也逐渐被应用于序列数据上，比如自然语言、音乐、语音、音频等序列数据。不过，相比于其在图像领域的应用，这方面的应用要少很多。主要原因有两个：1）优化GAN需要使用 BP 算法，而对于文本、语音这类离散数据，GAN没法直接映射到目标值，只能根据梯度一步步靠近；2）对于序列生成问题，比如文本生成任务，每生成一个单词就需要判断这个序列是否合理，可是GAN里面的判别器是没法做到的，除非GAN针对每一步都设置一个判别器，但这显然不合理。于是，针对上述问题，研究者引入强化学习中的策略梯度下降来解决序列生成问题。

比如音乐生成任务，一种经典变体RNN-GAN使用 LSTM 作为生成器和判别器，直接生成整个音频序列。然而，音乐需要生成的歌词和曲都是离散数据，正如上述问题，此时直接使用GAN会导致生成的数据缺乏局部一致性。相比之下，另一种变体SeqGAN把生成器的输出作为一个智能体的策略，而判别器的输出作为奖励，使用策略梯度下降来训练模型。

另外，对于语言和语音方面的数据，研究者提出一种VAW-GAN的结构，通过结合VAE和WGAN实现了一个语音转换系统。具体来说，其由编码器编码语音信号的内容，由解码器重建音色。但是由于VAE容易导致生成结果过于平滑，所以此处一般使用WGAN来生成更加清晰的语音信号。

结语

如今，虽然GAN已经衍生出许多的变体，商业应用场景变得非常广泛。但GAN本身仍然存在许多开放性研究问题需要继续深入探索，比如GAN的评估优化，由于其训练过程实质是一个无监督学习过程，导致有许多指标在训练过程中虽然高，但是生成效果却未必好，所以目前还很难找到一个比较客观且可量化的评估指标。再比如GAN的模型崩溃问题，尽管已经有很多相关研究，但是对于高维数据，这个问题依然还没完全解决。