Keras搭建ACGAN生成MNIST手写体图片

Posted 2021-09-04 Paul-Huang

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Keras搭建ACGAN生成MNIST手写体图片相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一. CGAN和ACGAN

1. CGAN

普通的GAN输入的是一个N维的正态分布 $\\color{red}随机数$ ，而CGAN会为这个 $\\color{red}随机数添上标签$ ；
CGAN利用Embedding层将正整数（索引值）转换为 $\\color{red}固定尺寸的稠密向量$ ，并将这个稠密向量与N维的正态分布随机数 $\\color{red}相乘$ ，从而获得一个 $\\color{red}有标签的随机数$ 。

2. ACGAN

ACGAN将 $\\color{red}深度卷积网络$ 带入到 $\\color{red}存在标签的GAN$ 中，可以生成更加高质量的图片。
ACGAN相当于是 $\\color{red}DCGAN（深度卷积生成对抗网络)和CGAN(条件生成对抗网络）的结合$ ，将 $\\color{red}深度卷积网络和标签带入到GAN$ 中。

二. ACGAN神经网络构建

2.1 生成器

$\\color{red}输入$ 是一个带标签的随机数。
具体操作方式是:
- 生成一个N维的正态分布随机数，再利用Embedding层将正整数（索引值）转换为N维的稠密向量；
- 将这个稠密向量与N维的正态分布随机数相乘。
$\\color{red}模型结构$ ：输入的数进行reshape然后利用一系列的上采样与卷积生成相应尺寸的图像
$\\color{red}输入$ 的数进行reshape后利用上采样与卷积生成图像。

输入数据代码：

noise = Input(shape=(self.latent_dim,))  # (none,100)
label = Input(shape=(1,), dtype='int32')  # (none,1)
# 将正整数（索引值）转换为固定尺寸的稠密向量。
label_embedding = Flatten()(Embedding(self.num_classes, self.latent_dim)(label))

model_input = multiply([noise, label_embedding])  # 想要的数字*随机生成的噪声
img = model(model_input)

生成器代码

 	def build_generator(self):

     model = Sequential(name='generator')

     # 全连接到64*7*7的张量上,为什么输入是latent_dim？
     model.add(Dense(32 * 7 * 7, activation="relu", input_dim=self.latent_dim))
     # reshape成特征层的样式
     model.add(Reshape((7, 7, 32)))

     # 输出是7*7*64
     model.add(Conv2D(filters=64, kernel_size=3, padding="same"))
     model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
     model.add(Activation("relu"))
     # 上采样
     # 7*7*64->14*14*128
     model.add(UpSampling2D())
     model.add(Conv2D(filters=128, kernel_size=3, padding="same"))
     model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
     model.add(Activation("relu"))

     # 14*14*64->28*28*64
     model.add(UpSampling2D())
     model.add(Conv2D(filters=64, kernel_size=3, padding="same"))
     model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
     model.add(Activation("relu"))

     # 28*28*64->28*28*1
     model.add(Conv2D(self.channels, kernel_size=3, padding="same"))
     model.add(Activation("tanh"))

     model.summary()

     noise = Input(shape=(self.latent_dim,))  # (none,100)
     label = Input(shape=(1,), dtype='int32')  # (none,1)
     # 将正整数（索引值）转换为固定尺寸的稠密向量。
     label_embedding = Flatten()(Embedding(self.num_classes, self.latent_dim)(label))

     model_input = multiply([noise, label_embedding])  # 想要的数字*随机生成的噪声
     img = model(model_input)

     return Model([noise, label], img)

2.2 判别模型

ACGAN的判别网络由卷积构成，与普通GAN的判别模型相比，它的目的 $\\color{red}不仅要判断出真伪，还要判断出种类$ （普通GAN的判别模型的目的是根据输入的图片判断出真伪）。

$\\color{red}模型输入$ ：一张图片，可以是真实的，也可以是生成的假图片
$\\color{red}模型结构$ ：输入的数进行reshape然后利用一系列的降采样与卷积得到特征图
$\\color{red}模型的输出$ ：判断出真伪和种类的结果。 $\\color{red}输出有两个$ ：
- 一个是0到1之间的数，1代表判断这个图片是真的，0代表判断这个图片是假的；
- 另一个是一个向量，用于判断这张图片属于什么类。

判别模型代码

  def build_discriminator(self):
      model = Sequential(name='discriminator')

      # 28*28*1->14*14*16
      model.add(Conv2D(filters=16, kernel_size=3, strides=2, input_shape=self.img_shape, padding="same"))
      model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
      model.add(Dropout(0.25))

      # 14*14*16->8*8*32
      model.add(Conv2D(filters=32, kernel_size=3, strides=2, padding="same"))
      model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
      model.add(Dropout(0.25))
      model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
      # 8*8*32->4*4*64
      model.add(ZeroPadding2D(padding=((0, 1), (0, 1))))  # ？
      model.add(Conv2D(filters=64, kernel_size=3, strides=2, padding="same"))
      model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
      model.add(Dropout(0.25))
      model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
      # 4*4*64->4*4*128
      model.add(Conv2D(filters=128, kernel_size=3, strides=1, padding="same"))
      model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
      model.add(Dropout(0.25))
      model.add(GlobalAveragePooling2D())

      # 导入图片
      img = Input(shape=self.img_shape)  # (none,28,28,1))
      features = model(img)  # (none,128)

      validity = Dense(1, activation="sigmoid")(features)  # (none,1)
      label = Dense(self.num_classes, activation="softmax")(features)  # (none,10)

      return Model(img, [validity, label])

2.3 模型训练

与传统的GAN训练思想大致相同，只不过在此基础上增加了分类的输出。
ACGAN的训练思路分为如下几个步骤：

随机选取batch_size个真实的图片和它的标签。
随机生成batch_size个N维向量和其对应的标签label，利用Embedding层进行组合，传入到Generator中生成batch_size个虚假图片。
Discriminator的loss函数由两部分组成，一部分是真伪的判断结果与真实情况的对比，一部分是图片所属标签的判断结果与真实情况的对比。
Generator的loss函数也由两部分组成，一部分是生成的图片是否被Discriminator判断为1，另一部分是生成的图片是否被分成了正确的类。

def train(self, epochs, batch_size=128, sample_interval=50):
     # 加载数据
     (X_train, y_train), (_,  _) = mnist.load_data()

     # 对数据预处理，归一化
     X_train = (X_train.astype(np.float32) - 127.5) / 127.5
     X_train = np.expand_dims(X_train, axis=3)
     Y_train = y_train.reshape(-1, 1)

     valid = np.ones((batch_size, 1))  # （256，1）
     fake = np.zeros((batch_size, 1))  # （256，1）

     for epoch in range(epochs):
         # 随机选择真实图片
         idx = np.random.randint(0, X_train.shape[0], batch_size)
         img, labels = X_train[idx], Y_train[idx]
         # 生成模型产生仿制图片
         noise = np.random.normal(0, 1, (batch_size, self.latent_dim))  # [256,100]
         sampled_label = np.random.randint(0, 10, (batch_size, 1))  # [256,1]标签
         gen_imgs = self.generator.predict([noise, sampled_label])  # [256,28,28,1]生成后的图片

         d_loss_real = self.discriminator.train_on_batch(img, [valid, labels])  # list 5,5个float数字，1个loss，4个metrics
         d_loss_fake = self.discriminator.train_on_batch(gen_imgs, [fake, sampled_label])  # list 5,5个float数字
         d_loss = 0.5 * np.add(d_loss_real, d_loss_fake)

         # 训练生成模型
         g_loss = self.combined.train_on_batch([noise, sampled_label], [valid, sampled_label])
         # list 3,3个float数字,1个loss, 2个metrics

         print("%d [D loss: %f, acc.: %.2f%%, op_acc: %.2f%%] [G loss: %f]" % (
             epoch, d_loss[0], 100 * d_loss[3], 100 * d_loss[4], g_loss[0]))

2.4 模型调用

加载生成模型的权重，给定随机数和特定的标签即可调用生成模型生成（32,32,3）的图片，达到数据扩增的目的。

if __name__ == '__main__':
    acgan = ACGAN()
    weight_path = "./weights/gen_epoch20000.h5"
    acgan.test(Label =np.array([[3]]),weight_path = weight_path)

三、完整代码

from __future__ import print_function, division
from tensorflow.keras.datasets import mnist
from tensorflow.keras.layers import Input, Dense, Reshape, Flatten, multiply, Dropout
from tensorflow.keras.layers import BatchNormalization, Activation, Embedding, ZeroPadding2D, GlobalAveragePooling2D,MaxPooling2D
from tensorflow.keras.layers import LeakyReLU, UpSampling2D, Conv2D
from tensorflow.keras.models import Sequential, Model
from tensorflow.keras.optimizers import Adam

import matplotlib.pyplot as plt
import os
import numpy as np

class ACGAN():
    def __init__(self):
        # 输入图片的大小
        self.img_rows = 28
        self.img_cols = 28
        self.channels = 1
        self.img_shape = (self.img_rows, self.img_cols, self.channels)
        # 由于十个数字，所以分十类
        self.num_classes = 10
        # 这个是什么意思
        self.latent_dim = 100
        # adam优化器
        # optimizer = Adam(learning_rate=0.0002, beta_1=0.5)
        optimizer = Adam(0.0002, 0.5)
        # 判别模型
        losses = ['binary_crossentropy', 'sparse_categorical_crossentropy']
        self.discriminator = self.build_discriminator()
        self.discriminator.compile(loss=losses,
                                   optimizer=optimizer,
                                   metrics=['accuracy'])
        # 生成模型
        self.generator = self.build_generator()
        # conbine是生成模型和判别模型的结合
        # 训练生成模型的时候，判别模型的trainable为False
        # 用于训练生成模型
        # 生成一张噪声图片
        noise = Input(shape=(self.latent_dim,))  # [none,100]
        label = Input(shape=(1,))                # [none, 1]
        img = self.generator([noise, label])     # [28, 28, 1]

        self.discriminator.trainable = False

        valid, target_labels = self.discriminator(img)  # valid[none,1];target_labels[none,10]

        self.combined = Model([noise, label], [valid, target_labels])  # ?
        self.combined.compile(loss=losses,
                              optimizer=optimizer)  # ?

    def build_generator(self):

        model = Sequential(name='generator')

        # 全连接到64*7*7的张量上,为什么输入是latent_dim？
        model.add(Dense(32 * 7 * 7, activation="relu", input_dim=self.latent_dim))
        # reshape成特征层的样式
        model.add(Reshape((7, 7, 32)))

        # 输出是7*7*64
        model.add(Conv2D(filters=64, kernel_size=3, padding&#以上是关于Keras搭建ACGAN生成MNIST手写体图片的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
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