极智AI | GAN 应用于玻璃表面水珠样本生成

Posted 2022-06-24 极智视界

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  大家好，我是极智视界，本文介绍一下 GAN 应用于玻璃表面水珠样本生成的方法。

  在分类任务中，若类别数量不平衡，则分类结果会向样本量明显多的类别倾斜，造成分类结果准确率不高。在实际项目中，往往某一类特殊的样本复现程度低，比较难收集，在做分类任务的时候就容易造成样本不均衡的问题。下面使用 pytorch 搭建 GAN 网络进行玻璃表面水珠样本生成。GAN有生成器和判别器两个模型，生成器不断生成样本，判别器来判断生成样本的好坏，并反馈给生成器以调整参数生成更好的样本，目的是迷惑判别器的判断，两者互相博弈，循序渐进，直至平衡。

文章目录

• • 1 生成器结构
  • 2 判别器结构
  • 3 生成效果展示

1 生成器结构

class NetG(nn.Module):
    def __init__(self, ngf, nz):
        super(NetG, self).__init__()
        # layer1 输入的是一个 100x1x1 的随机噪声, 输出尺寸 (ngf*8)x4x4
        self.layer1 = nn.Sequential(
            nn.ConvTranspose2d(nz, ngf * 8, kernel_size=4, stride=1, padding=0, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(ngf * 8),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )
        # layer2 输出尺寸 (ngf*4)x8x8
        self.layer2 = nn.Sequential(
            nn.ConvTranspose2d(ngf * 8, ngf * 4, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(ngf * 4),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )        # layer3 输出尺寸 (ngf*2)x16x16
        self.layer3 = nn.Sequential(
            nn.ConvTranspose2d(ngf * 4, ngf * 2, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(ngf * 2),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )
        # layer4 输出尺寸 (ngf)x32x32
        self.layer4 = nn.Sequential(
            nn.ConvTranspose2d(ngf * 2, ngf, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(ngf),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )
        # layer5 输出尺寸 3x96x96
        self.layer5 = nn.Sequential(
            nn.ConvTranspose2d(ngf, 3, 5, 3, 1, bias=False),
            nn.Tanh()
        )
 
    # 定义 NetG 的前向传播
    def forward(self, x):
        out = self.layer1(x)
        out = self.layer2(out)
        out = self.layer3(out)
        out = self.layer4(out)
        out = self.layer5(out)
        return out

2 判别器结构

# 定义鉴别器网络 D
class NetD(nn.Module):
    def __init__(self, ndf):
        super(NetD, self).__init__()  # 对继承自父类的属性进行初始化
        # layer1 输入 3 x 96 x 96, 输出 (ndf) x 32 x 32
        self.layer1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, ndf, kernel_size=5, stride=3, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(ndf),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True)
        )
        # layer2 输出 (ndf*2) x 16 x 16
        self.layer2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(ndf, ndf * 2, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(ndf * 2),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True)
        )
        # layer3 输出 (ndf*4) x 8 x 8
        self.layer3 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(ndf * 2, ndf * 4, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(ndf * 4),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True)
        )
        # layer4 输出 (ndf*8) x 4 x 4
        self.layer4 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(ndf * 4, ndf * 8, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(ndf * 8),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True)
        )
        # layer5 输出一个数(概率)
        self.layer5 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(ndf * 8, 1, 4, 1, 0, bias=False),
            nn.Sigmoid()  # 也是一个激活函数，二分类问题中，是真是假
            # sigmoid 可以将实数映射到【0,1】，作为概率值，
            # 多分类用 softmax 函数
        )
 
    # 定义 NetD 的前向传播
    def forward(self,x):
        out = self.layer1(x)
        out = self.layer2(out)
        out = self.layer3(out)
        out = self.layer4(out)
        out = self.layer5(out)
        return out

3 生成效果展示

  利用 1000 张左右原始玻璃表面水珠样本，使用GAN迭代 600000 次后生成的假样本示意，可以看出十分逼真，可用于分类样本扩充。

  好了，以上分享了 GAN 应用于玻璃表面水珠样本生成的方法，希望我的分享能对你的学习有一点帮助。

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