好玩的人工智能
快乐的深度学习

GAN原理优缺点

GAN的主要灵感来源于博弈论中零和博弈的思想,应用到深度学习神经网络上来说,就是通过生成网络G(Generator)和判别网络D(Discriminator)不断博弈,进而使G学习到数据的分布,如果用到图片生成上,则训练完成后,G可以从一段随机数中生成逼真的图像。G, D的主要功能是:

●  G是一个生成式的网络,它接收一个随机的噪声z(随机数),通过这个噪声生成图像

●  D是一个判别网络,判别一张图片是不是“真实的”。它的输入参数是x,x代表一张图片,输出D(x)代表x为真实图片的概率,如果为1,就代表100%是真实的图片,而输出为0,就代表不可能是真实的图片

训练过程中,生成网络G的目标就是尽量生成真实的图片去欺骗判别网络D。而D的目标就是尽量辨别出G生成的假图像和真实的图像。这样,G和D构成了一个动态的“博弈过程”,最终的平衡点即纳什均衡点.

3. GAN的特点:

●  相比较传统的模型,他存在两个不同的网络,而不是单一的网络,并且训练方式采用的是对抗训练方式

●  GAN中G的梯度更新信息来自判别器D,而不是来自数据样本

4. GAN 的优点:

(以下部分摘自ian goodfellow 在Quora的问答)

●  GAN是一种生成式模型,相比较其他生成模型(玻尔兹曼机和GSNs)只用到了反向传播,而不需要复杂的马尔科夫链

●  相比其他所有模型, GAN可以产生更加清晰,真实的样本

●  GAN采用的是一种无监督的学习方式训练,可以被广泛用在无监督学习和半监督学习领域

●  相比于变分自编码器, GANs没有引入任何决定性偏置( deterministic bias),变分方法引入决定性偏置,因为他们优化对数似然的下界,而不是似然度本身,这看起来导致了VAEs生成的实例比GANs更模糊

●  相比VAE, GANs没有变分下界,如果鉴别器训练良好,那么生成器可以完美的学习到训练样本的分布.换句话说,GANs是渐进一致的,但是VAE是有偏差的

●  GAN应用到一些场景上,比如图片风格迁移,超分辨率,图像补全,去噪,避免了损失函数设计的困难,不管三七二十一,只要有一个的基准,直接上判别器,剩下的就交给对抗训练了。

5. GAN的缺点:

●  训练GAN需要达到纳什均衡,有时候可以用梯度下降法做到,有时候做不到.我们还没有找到很好的达到纳什均衡的方法,所以训练GAN相比VAE或者PixelRNN是不稳定的,但我认为在实践中它还是比训练玻尔兹曼机稳定的多

●  GAN不适合处理离散形式的数据,比如文本

●  GAN存在训练不稳定、梯度消失、模式崩溃的问题(目前已解决)

模式崩溃(model collapse)原因

一般出现在GAN训练不稳定的时候,具体表现为生成出来的结果非常差,但是即使加长训练时间后也无法得到很好的改善。

具体原因可以解释如下:GAN采用的是对抗训练的方式,G的梯度更新来自D,所以G生成的好不好,得看D怎么说。具体就是G生成一个样本,交给D去评判,D会输出生成的假样本是真样本的概率(0-1),相当于告诉G生成的样本有多大的真实性,G就会根据这个反馈不断改善自己,提高D输出的概率值。但是如果某一次G生成的样本可能并不是很真实,但是D给出了正确的评价,或者是G生成的结果中一些特征得到了D的认可,这时候G就会认为我输出的正确的,那么接下来我就这样输出肯定D还会给出比较高的评价,实际上G生成的并不怎么样,但是他们两个就这样自我欺骗下去了,导致最终生成结果缺失一些信息,特征不全。

关于梯度消失的问题可以参考郑华滨的令人拍案叫绝的wassertein GAN,里面给出了详细的解释,不过多重复。

局部极小值点

 

鞍点

为什么GAN中的优化器不常用SGD

1. SGD容易震荡,容易使GAN训练不稳定,

2. GAN的目的是在高维非凸的参数空间中找到纳什均衡点,GAN的纳什均衡点是一个鞍点,但是SGD只会找到局部极小值,因为SGD解决的是一个寻找最小值的问题,GAN是一个博弈问题。

为什么GAN不适合处理文本数据

1. 文本数据相比较图片数据来说是离散的,因为对于文本来说,通常需要将一个词映射为一个高维的向量,最终预测的输出是一个one-hot向量,假设softmax的输出是(0.2, 0.3, 0.1,0.2,0.15,0.05)那么变为onehot是(0,1,0,0,0,0),如果softmax输出是(0.2, 0.25, 0.2, 0.1,0.15,0.1 ),one-hot仍然是(0, 1, 0, 0, 0, 0),所以对于生成器来说,G输出了不同的结果但是D给出了同样的判别结果,并不能将梯度更新信息很好的传递到G中去,所以D最终输出的判别没有意义。

2. 另外就是GAN的损失函数是JS散度,JS散度不适合衡量不想交分布之间的距离。

(WGAN虽然使用wassertein距离代替了JS散度,但是在生成文本上能力还是有限,GAN在生成文本上的应用有seq-GAN,和强化学习结合的产物)

训练GAN的一些技巧

1. 输入规范化到(-1,1)之间,最后一层的激活函数使用tanh(BEGAN除外)

2. 使用wassertein GAN的损失函数,

3. 如果有标签数据的话,尽量使用标签,也有人提出使用反转标签效果很好,另外使用标签平滑,单边标签平滑或者双边标签平滑

4. 使用mini-batch norm, 如果不用batch norm 可以使用instance norm 或者weight norm

5. 避免使用RELU和pooling层,减少稀疏梯度的可能性,可以使用leakrelu激活函数

6. 优化器尽量选择ADAM,学习率不要设置太大,初始1e-4可以参考,另外可以随着训练进行不断缩小学习率,

7. 给D的网络层增加高斯噪声,相当于是一种正则

GAN的变种

自从GAN出世后,得到了广泛研究,先后几百篇不同的GANpaper横空出世,国外有大神整理了一个GAN zoo(GAN动物园),链接如下,感兴趣的可以参考一下:

https://github.com/hindupuravinash/the-gan-zoo

GitHub上已经1200+star了,顺便附上一张GAN的成果图,可见GAN的研究火热程度:

由于GAN的变种实在太多,这里我只简单介绍几种比较常常用的成果,包括DCGAN,, WGAN, improved-WGAN,BEGAN,并附有详细的代码github链接。

GAN的广泛应用

1. GAN本身是一种生成式模型,所以在数据生成上用的是最普遍的,最常见的是图片生成,常用的有DCGAN WGAN,BEGAN,个人感觉在BEGAN的效果最好而且最简单。

2. GAN本身也是一种无监督学习的典范,因此它在无监督学习,半监督学习领域都有广泛的应用,比较好的论文有

Improved Techniques for Training GANs

Bayesian GAN(最新)

Good Semi-supervised Learning

3. 不仅在生成领域,GAN在分类领域也占有一席之地,简单来说,就是替换判别器为一个分类器,做多分类任务,而生成器仍然做生成任务,辅助分类器训练。

4. GAN可以和强化学习结合,目前一个比较好的例子就是seq-GAN

5. 目前比较有意思的应用就是GAN用在图像风格迁移,图像降噪修复,图像超分辨率了,都有比较好的结果,详见pix-2-pix GAN 和cycle GAN。但是GAN目前在视频生成上和预测上还不是很好。

6. 目前也有研究者将GAN用在对抗性攻击上,具体就是训练GAN生成对抗文本,有针对或者无针对的欺骗分类器或者检测系统等等,但是目前没有见到很典范的文章。

注:配图来自网络

参考文献:

https://www.zhihu.com/question/56171002/answer/148593584

http://www.inference.vc/instance-noise-a-trick-for-stabilising-gan-training/

https://github.com/soumith/ganhacks

https://github.com/hindupuravinash/the-gan-zoo

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25071913

未经允许不得转载:零点智能 » GAN原理优缺点
分享到: 更多 (0)

评论 抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址

零点智能 人工智能社区,加Q群:469331966

投稿&建议&加Q群