GAN生成对抗网络(一)

Posted 2023-04-04

参考技术A

GAN(Generative Adversarial Networks)是两个网络的的组合， 一个网络生成模拟数据， 另一个网络判断生成的数据是真实的还是模拟的。生成模拟数据的网络要不断优化自己让判别的网络判断不出来， 判别的网络也要优化自己让自己判断得更准确。 二者关系形成对抗博弈，因此叫 对抗神经网络 （生成对抗网络）。实验证明， 利用这种网络间的对抗关系所形成的网络， 在无监督及半监督领域取得了很好的效果， 可以算是用网络来监督网络的一个自学习过程。在GAN发明之前，变分自编码器被认为是理论完美、实现简单，使用神经网络训练起来很稳定， 生成的图片逼近度也较高， 但是人类还是可以很轻易地分辨出真实图片与机器生成的图片。

生成对抗网络包含了 2 个子网络： 生成网络(Generator， G)和判别网络(Discriminator，D)， 其中生成网络负责学习样本的真实分布，判别网络负责将生成网络采样的样本与真实样本区分开来。

生成网络 G(𝐳) 生成网络 G 和自编码器的 Decoder 功能类似， 从先验分布 中采样隐藏变量 ，通过生成网络 G 参数化的 分布， 获得生成样本 ，如下图所示。 其中隐藏变量𝒛的先验分布 可以假设属于某中已知的分布，比如多元均匀分布 。

可以用深度神经网络来参数化， 如下图所示， 从均匀分布 中采样出隐藏变量𝒛， 经过多层转置卷积层网络参数化的 分布中采样出样本 。

判别网络 D(𝒙) 判别网络和普通的二分类网络功能类似，它接受输入样本𝒙，包含了采样自真实数据分布 的样本 ，也包含了采样自生成网络的假样本 ， 和 共同组成了判别网络的训练数据集。判别网络输出为𝒙属于真实样本的概率 ，我们把所有真实样本 的标签标注为1，所有生成网络产生的样本 标注为0， 通过最小化判别网络预测值与标签之间的误差来优化判别网络参数。

我们的目标很明确， 既要不断提升判断器辨别真假图像样本的能力， 又要不断提升生成器生成更加逼真的图像，使判别器越来越难判别。
对于判别网络 D ，它的目标是能够很好地分辨出真样本 与假样本 。即最小化图片的预测值和真实值之间的交叉熵损失函数：

其中 代表真实样本 在判别网络 的输出， 为判别网络的参数集， 为生成样本 在判别网络的输出， 为 的标签，由于真实样本标注为真，故 ， 为生成样本的 的标签，由于生成样本标注为假，故 。 根据二分类问题的交叉熵损失函数定义:

因此判别网络的优化目标是:

去掉 中的负号，把 问题转换为 问题，并写为期望形式：

对于生成网络G(𝒛) ，我们希望 能够很好地骗过判别网络 ， 假样本 在判别网络的输出越接近真实的标签越好。也就是说，在训练生成网络时， 希望判别网络的输出 越逼近 1 越好，此时的交叉熵损失函数：

把 问题转换为 问题，并写为期望形式：

再等价转化为：

GAN的优化过程不像通常的求损失函数的最小值， 而是保持生成与判别两股力量的动态平衡。 因此， 其训练过程要比一般神经网络难很多。

把判别网络的目标和生成网络的目标合并，写成min-max形式：

原GAN论文中：

这里为了好理解，把各个符号梳理的更清晰了，注意符号和网络参数的对应。
理想情况下 ， 会有更精确的鉴别真伪数据的能力，经过大量次数的迭代训练会使 尽可能模拟出以假乱真的样本， 最终整个GAN会达到所谓的纳什均衡， 即 对于生成样本和真实样本鉴别结果为正确率和错误率各占50%。下面具体从理论层面来推导。

现在从理论层面进行分析， 通过博弈学习的训练方式，生成器 G 和判别器 D 分别会达到什么状态。 具体地，来看以下 2 个问题：

首先我们通过 一维正态分布的例子给出一个直观的解释，如下图所示，黑色虚线曲线代表了真实数据的分布 ， 为某正态分布 ， 绿色实线代表了生成网络学习到的分布 ， 蓝色虚线代表了判别器的决策边界曲线， 图中(a)(b)(c)(d)分别代表了生成网络的学习轨迹。在初始状态，如图 (a)所示， 分布与 差异较大，判别器可以很轻松地学习到决策边界，即图(a)中的蓝色虚线，将来自 的采样点判定为 0， 中的采样点判定为 1。 随着生成网络的分布 越来越逼近真实分布 ，判别器越来越困难将真假样本区分开，如图 (b)(c)所示。 最后，生成网络性能达到最佳，学习到的分布 ，此时从生成网络中采样的样本非常逼真， 判别器无法区分，即判定为真假样本的概率均等，如图(d)所示。

固定生成器G的参数 ，判别器D最佳能达到的状态：

证明： 对于给定的生成器G，要让判别器D达到最优，我们的目标是最大化损失函数，其积分形式为：

对于给定的 ，真实分布始终是固定的，所以 和 都是定值，于是对于判别器D，要找出

的最大值，其中 是判别器网络参数，对于函数 ，不难得到 在 处取得极大值且是最大值。因此可得 的极值点也为

故判别器 能达到的最佳状态为定理中给出的式子。

现在考虑第二个问题。
JS 散度(Jensen–Shannon divergence)

对于KL散度， ，是不对称的。但JS散度是对称的。

当 达到 时，考虑此时 和 的 散度：

考虑到判别网络到达 时，此时的损失函数为：

于是我们可以得到：

对于生成网络 而言，目标是最小化损失函数，由于 ，因此 取得最小值仅在 时(此时 )， 取得最小值:

此时生成网络达到 状态是：

即 的学到的分布 与真实分布 一致，网络达到纳什均衡点，此时：

即对于生成器生成的图像有0.5的概率被判定为真，也有0.5的概率被判定为假。

生成对抗网络GAN

详解一：GAN完整理论推导和实现

详解二：详解生成对抗网络(GAN)原理