GAN的理解

Posted 2023-04-05

参考技术A

生成器（Generator,G）即假钞制造者，辨别器（Discriminator,D）的任务是识别假钞，前者想要尽力蒙混过关，而后者则是努力识别出是真钞（来自于原样本）还是假钞（生成器生成的样本）。两者左右博弈，最后达到一种平衡：生成器能够以假乱真（或者说生成的与原样本再也没差），而判别器以1/2概率来瞎猜。

GAN的主要结构包括一个生成器G（Generator）和一个判别器D（Discriminator）。
我们举手写字的例子来进行进一步窥探GAN的结构。

我们现在拥有大量的手写数字的数据集，我们希望通过GAN生成一些能够以假乱真的手写字图片。主要由如下两个部分组成：

目标函数的理解：
其中判别器D的任务是最大化右边这个函数，而生成器G的任务是最小化右边函数。
首先分解一下式子，主要包含：D(x)、(1-D(G(z))。
D(x)就是判别器D认为样本来自于原分布的概率，而D(G(z))就是判别器D误把来自于生成器G造的假样本判别成真的概率。那么D的任务是最大化D(x)同时最小化D(G(z))（即最大化1-D(G(z))），所以综合一下就是最大化D(x)(1-D(G(z))，为了方便取log，增减性不变，所以就成了logD(x)+log(1-D(G(z))。
而G想让 和 足够像，也就是D(G(z))足够大；而logD(x)并不对它本身有影响，所以他的衡量函数可以只是minlog(1-D(z))，也可以加一个对他来说的常数后变为

目标函数的推导、由来
判别器在这里是一种分类器，用于区分样本的真伪，因此我们常常使用交叉熵（cross entropy）来进行判别分布的相似性，交叉熵公式如下：

公式中 和 为真实的样本分布和生成器的生成分布。 关于交叉熵的内容

在当前模型的情况下，判别器为一个二分类问题，因此可以对基本交叉熵进行更具体地展开如下：

为正确样本分布，那么对应的（ ）就是生成样本的分布。 D 表示判别器，则 表示判别样本为正确的概率， 则对应着判别为错误样本的概率。

将上式推广到N个样本后，将N个样本相加得到对应的公式如下：

到目前为止还是基本的二分类，下面加入GAN中特殊的地方。
对于GAN中的样本点 ，对应于两个出处，要么来自于真实样本，要么来自于生成器生成的样本 ~ ( 这里的 是服从于投到生成器中噪声的分布)。

其中，对于来自于真实的样本，我们要判别为正确的分布 。来自于生成的样本我们要判别其为错误分布（ ）。将上面式子进一步使用概率分布的期望形式写出（为了表达无限的样本情况，相当于无限样本求和情况），并且让 为 1/2 且使用 表示生成样本可以得到如下：

与原式 其实是同样的式子

若给定一个样本数据的分布 和生成的数据分布 那么 GAN 希望能找到一组参数 使分布 和 之间的距离最短，也就是找到一组生成器参数而使得生成器能生成十分逼真的图片。

现在我们可以从训练集抽取一组真实图片来训练 分布中的参数 使其能逼近于真实分布。因此，现在从 中抽取 个真实样本 ，对于每一个真实样本，我们可以计算 ，即在由 确定的生成分布中， 样本所出现的概率。因此，我们就可以构建似然函数：

从该似然函数可知，我们抽取的 个真实样本在 分布中全部出现的概率值可以表达为 L。又因为若 分布和 分布相似，那么真实数据很可能就会出现在 分布中，因此 个样本都出现在 分布中的概率就会十分大。

下面我们就可以最大化似然函数 L 而求得离真实分布最近的生成分布（即最优的参数θ）：

在上面的推导中，我们希望最大化似然函数 L。若对似然函数取对数，那么累乘 ∏ 就能转化为累加 ∑ ，并且这一过程并不会改变最优化的结果。因此我们可以将极大似然估计化为求令 期望最大化的θ，而期望 可以展开为在 x 上的积分形式： 。又因为该最优化过程是针对θ的，所以我们添加一项不含θ的积分并不影响最优化效果，即可添加 。添加该积分后，我们可以合并这两个积分并构建类似 KL 散度的形式。该过程如下：

这一个积分就是 KL 散度的积分形式，因此，如果我们需要求令生成分布 尽可能靠近真实分布 的参数 θ，那么我们只需要求令 KL 散度最小的参数θ。若取得最优参数θ，那么生成器生成的图像将显得非常真实。

下面，我们必须证明该最优化问题有唯一解 G*，并且该唯一解满足 。不过在开始推导最优判别器和最优生成器之前，我们需要了解 Scott Rome 对原论文推导的观点，他认为原论文忽略了可逆条件，因此最优解的推导不够完美。

在 GAN 原论文中，有一个思想和其它很多方法都不同，即生成器 G 不需要满足可逆条件。Scott Rome 认为这一点非常重要，因为实践中 G 就是不可逆的。而很多证明笔记都忽略了这一点，他们在证明时错误地使用了积分换元公式，而积分换元却又恰好基于 G 的可逆条件。Scott 认为证明只能基于以下等式的成立性：

该等式来源于测度论中的 Radon-Nikodym 定理，它展示在原论文的命题 1 中，并且表达为以下等式：

我们看到该讲义使用了积分换元公式，但进行积分换元就必须计算 ，而 G 的逆却并没有假定为存在。并且在神经网络的实践中，它也并不存在。可能这个方法在机器学习和统计学文献中太常见了，因此我们忽略了它。

在极小极大博弈的第一步中，给定生成器 G，最大化 V(D,G) 而得出最优判别器 D。其中，最大化 V(D,G) 评估了 P_G 和 P_data 之间的差异或距离。因为在原论文中价值函数可写为在 x 上的积分，即将数学期望展开为积分形式：

其实求积分的最大值可以转化为求被积函数的最大值。而求被积函数的最大值是为了求得最优判别器 D，因此不涉及判别器的项都可以看作为常数项。如下所示，P_data(x) 和 P_G(x) 都为标量，因此被积函数可表示为 a D(x)+b log(1-D(x))。

若令判别器 D(x) 等于 y，那么被积函数可以写为：

为了找到最优的极值点，如果 a+b≠0，我们可以用以下一阶导求解：

如果我们继续求表达式 f(y) 在驻点的二阶导：

其中 a,b∈(0,1)。因为一阶导等于零、二阶导小于零，所以我们知道 a/(a+b) 为极大值。若将 a=P_data(x)、b=P_G(x) 代入该极值，那么最优判别器 D(x)=P_data(x)/(P_data(x)+P_G(x))。

最后我们可以将价值函数表达式写为：

如果我们令 D(x)=P_data/(P_data+p_G)，那么我们就可以令价值函数 V(G,D) 取极大值。因为 f(y) 在定义域内有唯一的极大值，最优 D 也是唯一的，并且没有其它的 D 能实现极大值。

其实该最优的 D 在实践中并不是可计算的，但在数学上十分重要。我们并不知道先验的 P_data(x)，所以我们在训练中永远不会用到它。另一方面，它的存在令我们可以证明最优的 G 是存在的，并且在训练中我们只需要逼近 D。

当然 GAN 过程的目标是令 P_G=P_data。这对最优的 D 意味着什么呢？我们可以将这一等式代入 D_G*的表达式中：

这意味着判别器已经完全困惑了，它完全分辨不出 P_data 和 P_G 的区别，即判断样本来自 P_data 和 P_G 的概率都为 1/2。基于这一观点，GAN 作者证明了 G 就是极小极大博弈的解。该定理如下：

「当且仅当 P_G=P_data，训练标准 C(G)=maxV(G,D) 的全局最小点可以达到。」

以上定理即极大极小博弈的第二步，求令 V(G,D ) 最小的生成器 G（其中 G 代表最优的判别器）。之所以当 P_G(x)=P_data(x) 可以令价值函数最小化，是因为这时候两个分布的 JS 散度 [JSD(P_data(x) || P_G(x))] 等于零，这一过程的详细解释如下。

原论文中的这一定理是「当且仅当」声明，所以我们需要从两个方向证明。首先我们先从反向逼近并证明 C(G) 的取值，然后再利用由反向获得的新知识从正向证明。设 P_G=P_data（反向指预先知道最优条件并做推导），我们可以反向推出：

该值是全局最小值的候选，因为它只有在 P_G=P_data 的时候才出现。我们现在需要从正向证明这一个值常常为最小值，也就是同时满足「当」和「仅当」的条件。现在放弃 P_G=P_data 的假设，对任意一个 G，我们可以将上一步求出的最优判别器 D* 代入到 C(G)=maxV(G,D) 中：

因为已知 -log4 为全局最小候选值，所以我们希望构造某个值以使方程式中出现 log2。因此我们可以在每个积分中加上或减去 log2，并乘上概率密度。这是一个十分常见并且不会改变等式的数学证明技巧，因为本质上我们只是在方程加上了 0。

采用该技巧主要是希望能够构建成含 log2 和 JS 散度的形式，上式化简后可以得到以下表达式：

因为概率密度的定义，P_G 和 P_data 在它们积分域上的积分等于 1，即：

此外，根据对数的定义，我们有：

因此代入该等式，我们可以写为：

现在，如果读者阅读了前文的 KL 散度（Kullback-Leibler divergence），那么我们就会发现每一个积分正好就是它。具体来说：

KL 散度是非负的，所以我们马上就能看出来-log4 为 C(G) 的全局最小值。

如果我们进一步证明只有一个 G 能达到这一个值，因为 P_G=P_data 将会成为令 C(G)=−log4 的唯一点，所以整个证明就能完成了。

从前文可知 KL 散度是非对称的，所以 C(G) 中的 KL(P_data || (P_data+P_G)/2) 左右两项是不能交换的，但如果同时加上另一项 KL(P_G || (P_data+P_G)/2)，它们的和就能变成对称项。这两项 KL 散度的和即可以表示为 JS 散度（Jenson-Shannon divergence）：

假设存在两个分布 P 和 Q，且这两个分布的平均分布 M=(P+Q)/2，那么这两个分布之间的 JS 散度为 P 与 M 之间的 KL 散度加上 Q 与 M 之间的 KL 散度再除以 2。

JS 散度的取值为 0 到 log2。若两个分布完全没有交集，那么 JS 散度取最大值 log2；若两个分布完全一样，那么 JS 散度取最小值 0。

因此 C(G) 可以根据 JS 散度的定义改写为：

这一散度其实就是 Jenson-Shannon 距离度量的平方。根据它的属性：当 P_G=P_data 时，JSD(P_data||P_G) 为 0。综上所述，生成分布当且仅当等于真实数据分布式时，我们可以取得最优生成器。

前面我们已经证明 P_G=P_data 为 minV(G,D) 的最优点。此外，原论文还有额外的证明白表示：给定足够的训练数据和正确的环境，训练过程将收敛到最优 G。
证明：将V(G,D)=U(pg,D)视作pg的函数，则U为pg的凸函数，其上确界的次导数一定包括该函数最大值处的导数，所以给定D时，通过梯度下降算法更新pg从而优化G时，pg一定会收敛到最优值。而之前又证明了目标函数只有唯一的全局最优解，所以pg会收敛到pdata。
实际上优化G时是更新θg而不是pg。

参考链接：
Generative Adversarial Nets
通俗理解生成对抗网络GAN - 陈诚的文章 - 知乎
机器之心GitHub项目：GAN完整理论推导与实现，Perfect!
论文阅读之Generative Adversarial Nets

关于gan的流程理解

关于gan的流程理解，

最近再看cyclegan所以慢慢来看，最后了解了原理来跑代码就好

先说第一点：

架构

　　gan的架构就是两个重要的点：１　生成器　　２　　分辨器

　　

　　生成器的作用就是生成假的图片

　　分辨器的作用就是在给一个正确的图片和一个生成的假的图片之后，他可以把正确的找出来

　由此，其实我这里提出好多问题：

１　如何生成假的图片：反卷积

２　如何判断，好像是一个二分类，两个图片都给过去，<0.5就是假的，>0.5就是真的，当然这个0.x就是sigmoid(wx+b)(也就是距离的sigmoid值，)可是还是有问题，同时给两个图片吗？应该是给一个图片，然后算距离？不是，给两个图片，都算标定值的距离，两个物体只能二分类？

３　如何梯度下降？

带着这几个问题去读源码

面对第一个问题：如何生成图片，源码给出的解决方案是反卷积，

那么如何反卷积呢？

就是这样：

具体函数就一个：nn.ConvTranspose2d(ngf * mult, int(ngf * mult / 2),
                                         kernel_size=3, stride=2,
                                         padding=1, output_padding=1,
                                         bias=use_bias),

首先的操作是：

１　进行卷积上图第一行　　feature:4*4 filter: 2*2  stride: 2　　　得到结果：2*2

2      进行反卷积：首先第一步：

　　　　　　１　补０：让卷积后的结果，每一个元素后面都补(stride-1)个０　成为了　下左２

　　　　　　２　补０：对整体再补０，这个整体补０的个数是取决于补０之后，把卷积核完全颠倒过来，按照stride=1进行卷积，卷积之后要得到原始大小（上左一）的结果