diff --git a/gan/README.md b/gan/README.md index 73b0f073011db93ce80645a2b6cbc1414870b487..4ee1a1133dc9c91f6027e915ae0b3b0f483f2088 100644 --- a/gan/README.md +++ b/gan/README.md @@ -8,6 +8,10 @@ 和判别式神经元网络模型相对的一类模型是生成式模型（generative models）。它们通常是通过非监督训练（unsupervised learning）来得到的。这类模型的训练数据里只有 X，没有y。训练的目标是希望模型能蕴含训练数据的统计分布信息，从而可以从训练好的模型里产生出新的、在训练数据里没有出现过的新数据 x'。 +一些为人熟知的生成模型的例子包括受限玻尔兹曼机（Restricted Boltzmann Machine）\[[4](#参考文献)\]，深度玻尔兹曼机（Deep Boltzmann Machine）\[[5](#参考文献)\]，神经自回归分布估计（Neural Autoregressive Distribution Estimator）\[[6](#参考文献)\]等。 + +近年出现了一些专门用来生成图像的模型，一种是变分自编码器（variational autoencoder）\[[3](#参考文献)\]，它是在概率图模型（probabilistic graphical model）的框架下面搭建了一个生成模型，对数据有完整的概率描述，训练时是通过调节参数来最大化数据的概率。用这种方法产生的图片，虽然似然（likelihood）比较高，但经常看起来比较模糊。另一种是像素循环神经网络（Pixel Recurrent Neural Network）\[[7](#参考文献)\]，它是通过根据周围的像素来一个像素一个像素的生成图片，但这种方法生成的图片在全局看来会不太一致。为了解决这些问题，人们又提出了本章所要介绍的另一种生成模型，对抗式生成网络。 + 本文介绍如何训练一个产生式神经元网络模型，它的输入是一个随机生成的向量（相当于不需要任何有意义的输入），而输出是一幅图像，其中有一个数字。换句话说，我们训练一个会写字（阿拉伯数字）的神经元网络模型。它“写”的一些数字如下图：

@@ -17,11 +21,18 @@ 现实中成功使用的生成式神经元网络模型往往接受有意义的输入。比如可能接受一幅低分辨率的图像，输出对应的高分辨率图像。这样的模型被称为 conditional GAN这过程实际上是从大量数据学习得到模型，或者说归纳得到知识，然后用这些知识来补足图像的分辨率。 + ## 传统训练方式和对抗式训练 -因为神经元网络是一个有向图，总是有输入和输出的。当我们用无监督学习方式来训练一个神经元网络，用于描述训练数据分布的时候，一个通常的学习目标是估计一组参数，使得输出和输入很接近 —— 或者说输入是什么输出就是什么。很多早期的生成式神经元网络模型，包括有限制波尔茨曼机（restricted Boltzmann machine，RBM）和 autoencoder 都是这么训练的。这种情况下优化目标经常是最小化输出和输入的差别。 +因为神经元网络是一个有向图，总是有输入和输出的。当我们用无监督学习方式来训练一个神经元网络，用于描述训练数据分布的时候，一个通常的学习目标是估计一组参数，使得输出和输入很接近 —— 或者说输入是什么输出就是什么。很多早期的生成式神经元网络模型，包括受限波尔茨曼机和 autoencoder 都是这么训练的。这种情况下优化目标经常是最小化输出和输入的差别。 + +

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+ 图2. GAN模型原理示意图 + figure credit +

-对抗式训练里，我们用一个判别式模型 D 辅助构造优化目标函数，来训练一个生成式模型 G。具体训练流程是不断交替执行如下两步： +对抗式训练里，我们用一个判别式模型 D 辅助构造优化目标函数，来训练一个生成式模型 G。如图2所示。具体训练流程是不断交替执行如下两步： 1. 更新模型 D： 1. 固定G的参数不变，对于一组随机输入，得到一组（产生式）输出，$X_f$，并且将其label成“假”。 @@ -39,23 +50,28 @@ $$\min_G \max_D \frac{1}{N}\sum_{i=1}^N[\log D(x^i) + \log(1-D(G(z^i)))]$$ 其中$x$是真实数据，$z$是随机产生的输入，$N$是训练数据的数量。这个损失函数的意思是：真实数据被分类为真的概率加上伪数据被分类为假的概率。因为上述两步交替优化G生成的结果的仿真程度（看起来像x）和D分辨G的生成结果和x的能力，所以这个方法被称为对抗（adversarial）方法。 -在最早的对抗式生成网络的论文中，生成器和分类器用的都是全联接层，所以没有办法很好的生成图片数据，也没有办法做的很深。所以在随后的论文中，人们提出了深度卷积对抗式生成网络（deep convolutional generative adversarial network or DCGAN）\[[2](#参考文献)\]。在DCGAN中，生成器 G 是由多个卷积转置层（transposed convolution）组成的，这样可以用更少的参数来生成质量更高的图片。具体网络结果可参见图3。 +在最早的对抗式生成网络的论文中，生成器和分类器用的都是全联接层。在附带的代码[`gan_conf.py`](./gan_conf.py)中，我们实现了一个类似的结构。G和D是由三层全联接层构成，并且在某些全联接层后面加入了批标准化层（batch normalization）。所用网络结构在图3中给出。 + +

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+ 图3. GAN模型结构图 +

+ +由于上面的这种网络都是由全联接层组成，所以没有办法很好的生成图片数据，也没有办法做的很深。所以在随后的论文中，人们提出了深度卷积对抗式生成网络（deep convolutional generative adversarial network or DCGAN）\[[2](#参考文献)\]。在DCGAN中，生成器 G 是由多个卷积转置层（transposed convolution）组成的，这样可以用更少的参数来生成质量更高的图片。具体网络结果可参见图4。而判别器是由多个卷积层组成。


- 图3. DCGAN生成器模型结构 + 图4. DCGAN生成器模型结构 figure credit

-## 数据准备 - -### 数据介绍与下载 +## 数据 -这章会用到两种数据，一种是G的随机输入，一种是来自MNIST数据集的图片，其中一张是人类手写的一个数字。随机输入数据的生成方式如下： +这章会用到两种数据，一种是G的随机输入，另一种是来自MNIST数据集的图片，其中一张是人类手写的一个数字。随机输入数据的生成方式如下： ```python -# synthesize 2-D uniform data in gan_trainer.py:114 +# 合成2-D均匀分布数据 gan_trainer.py:114 def load_uniform_data(): data = numpy.random.rand(1000000, 2).astype('float32') return data @@ -75,10 +91,45 @@ $cd data/ $./download_cifar.sh ``` -## 模型配置说明 +## 模型配置 由于对抗式生产网络涉及到多个神经网络，所以必须用PaddlePaddle Python API来训练。下面的介绍也可以部分的拿来当作PaddlePaddle Python API的使用说明。 +### 数据定义 + +这里数据没有通过data provider提供，而是在`gan_trainer.py`里面直接产生`data_batch`并以`Arguments`的形式提供给trainer。 + +```python +def prepare_generator_data_batch(batch_size, noise): + # generator训练标签。根据前文的介绍，generator是为了让自己的生成的数据 + # 被标记为真，所以这里的标签都统一生成1，也就是真 + label = numpy.ones(batch_size, dtype='int32') + ＃ 数据是Arguments的类型，这里创建的一个有两个位置的Arguments + inputs = api.Arguments.createArguments(2) + ＃ 第一个Argument位置放noise + inputs.setSlotValue(0, api.Matrix.createDenseFromNumpy(noise)) + ＃ 第二个Argument位置放label + inputs.setSlotIds(1, api.IVector.createVectorFromNumpy(label)) + return inputs + +＃ 为generator训练创造数据 +data_batch_gen = prepare_generator_data_batch(batch_size, noise) +# 把数据data_batch_gen传递给generator trainer +gen_trainer.trainOneDataBatch(batch_size, data_batch_gen) +``` + +### 算法配置 + +在这里，我们指定了模型的训练参数, 选择learning rate和batch size。这里的`beta1`参数比默认值0.9小很多是为了使学习的过程更稳定。 + +```python +settings( + batch_size=128, + learning_rate=1e-4, + learning_method=AdamOptimizer(beta1=0.5)) + +``` + ### 模型结构 在文件`gan_conf.py`当中我们定义了三个网络, **generator_training**, **discriminator_training** and **generator**. 和前文提到的模型结构的关系是：**discriminator_training** 是分类器，**generator** 是生成器，**generator_training** 是生成器加分类器因为训练生成器时需要用到分类器提供目标函数。这个对应关系在下面这段代码中定义： @@ -86,6 +137,7 @@ $./download_cifar.sh ```python if is_generator_training: noise = data_layer(name="noise", size=noise_dim) + # 函数generator定义了生成器的结构 sample = generator(noise) if is_discriminator_training: @@ -93,6 +145,7 @@ if is_discriminator_training: if is_generator_training or is_discriminator_training: label = data_layer(name="label", size=1) + ＃ 函数discriminator定义了判别器的结构 prob = discriminator(sample) cost = cross_entropy(input=prob, label=label) classification_error_evaluator( @@ -104,7 +157,32 @@ if is_generator: outputs(generator(noise)) ``` -为了能够训练在`gan_conf.py`中定义的网络，我们需要如下几个步骤： +## 训练模型 + +用MNIST手写数字图片训练对抗式生成网络可以用如下的命令： + +```bash +$python gan_trainer.py -d mnist --use_gpu 1 +``` + +训练中打印的日志信息大致如下： + +``` +d_pos_loss is 0.681067 d_neg_loss is 0.704936 +d_loss is 0.693001151085 g_loss is 0.681496 +...........d_pos_loss is 0.64475 d_neg_loss is 0.667874 +d_loss is 0.656311988831 g_loss is 0.719081 +... +I0105 17:15:48.346783 20517 TrainerInternal.cpp:165] Batch=100 samples=12800 AvgCost=0.701575 CurrentCost=0.701575 Eval: generator_training_error=0.679219 CurrentEval: generator_training_error=0.679219 +.........d_pos_loss is 0.644203 d_neg_loss is 0.71601 +d_loss is 0.680106401443 g_loss is 0.671118 +.... +I0105 17:16:37.172737 20517 TrainerInternal.cpp:165] Batch=100 samples=12800 AvgCost=0.687359 CurrentCost=0.687359 Eval: discriminator_training_error=0.438359 CurrentEval: discriminator_training_error=0.438359 +``` + +其中`d_pos_loss`是判别器对于真实数据判别真的负对数概率，`d_neg_loss`是判别器对于伪数据判别为假的负对数概率，`d_loss`是这两者的平均值。`g_loss`是伪数据被判别器判别为真的负对数概率。对于对抗式生成网络来说，最好的训练情况是D和G的能力比较相近，也就是`d_loss`和`g_loss`在训练的前几个pass中数值比较接近（-log(0.5) = 0.693）。由于G和D是轮流训练，所以它们各自每过100个batch，都会打印各自的训练信息。 + +为了能够训练在gan_conf.py中定义的网络，我们需要如下几个步骤： 1. 初始化Paddle环境， 1. 解析设置， @@ -112,19 +190,20 @@ if is_generator: 这几步分别由下面几段代码实现： + ```python import py_paddle.swig_paddle as api -# init paddle environment +# 初始化Paddle环境 api.initPaddle('--use_gpu=' + use_gpu, '--dot_period=10', '--log_period=100', '--gpu_id=' + args.gpu_id, '--save_dir=' + "./%s_params/" % data_source) -# Parse config +# 解析设置 gen_conf = parse_config(conf, "mode=generator_training,data=" + data_source) dis_conf = parse_config(conf, "mode=discriminator_training,data=" + data_source) generator_conf = parse_config(conf, "mode=generator,data=" + data_source) -# Create GradientMachine +# 由设置创造GradientMachine dis_training_machine = api.GradientMachine.createFromConfigProto( dis_conf.model_config) gen_training_machine = api.GradientMachine.createFromConfigProto( @@ -132,7 +211,7 @@ gen_conf.model_config) generator_machine = api.GradientMachine.createFromConfigProto( generator_conf.model_config) -# Create trainer +# 由GradientMachine创造trainer dis_trainer = api.Trainer.create(dis_conf, dis_training_machine) gen_trainer = api.Trainer.create(gen_conf, gen_training_machine) ``` @@ -150,58 +229,24 @@ def get_training_loss(training_machine, inputs): 每当训练完一个网络，我们需要和其他几个网络同步互相分享的参数值。下面的代码展示了其中一个例子： ```python -# Train the gen_training +# 训练gen_training gen_trainer.trainOneDataBatch(batch_size, data_batch_gen) -# Copy the parameters from gen_training to dis_training and generator +# 把gen_training中的参数同步到dis_training和generator当中 copy_shared_parameters(gen_training_machine, dis_training_machine) copy_shared_parameters(gen_training_machine, generator_machine) ``` -### 数据定义 - -这里数据没有通过`dataprovider`提供，而是在`gan_trainer.py`里面直接产生读取minibatches，并以`Arguments`的形式提供给trainer。 - -```python -def prepare_generator_data_batch(batch_size, noise): - label = numpy.ones(batch_size, dtype='int32') - inputs = api.Arguments.createArguments(2) - inputs.setSlotValue(0, api.Matrix.createDenseFromNumpy(noise)) - inputs.setSlotIds(1, api.IVector.createVectorFromNumpy(label)) - return inputs - -＃ Create data_batch for generator -data_batch_gen = prepare_generator_data_batch(batch_size, noise) -# Feed data_batch_gen into generator trainer -gen_trainer.trainOneDataBatch(batch_size, data_batch_gen) -``` - -### 算法配置 - -在这里，我们指定了模型的训练参数, 选择learning rate和batch size。这里的`beta1`参数比默认值0.9小很多是为了使学习的过程更稳定。 - -```python -settings( - batch_size=128, - learning_rate=1e-4, - learning_method=AdamOptimizer(beta1=0.5)) - -``` - -## 训练模型 - -用MNIST手写数字图片训练对抗式生成网络可以用如下的命令： - -```bash -$python gan_trainer.py -d mnist --useGpu 1 -``` - ## 应用模型 图片由训练好的生成器生成。以下的代码将随机向量输入到模型 G，通过向前传递得到生成的图片。 ```python +# 噪音z是多维正态分布 +def get_noise(batch_size, noise_dim): + return numpy.random.normal(size=(batch_size, noise_dim)).astype('float32') + def get_fake_samples(generator_machine, batch_size, noise): gen_inputs = api.Arguments.createArguments(1) gen_inputs.setSlotValue(0, api.Matrix.createDenseFromNumpy(noise)) @@ -210,7 +255,8 @@ def get_fake_samples(generator_machine, batch_size, noise): fake_samples = gen_outputs.getSlotValue(0).copyToNumpyMat() return fake_samples -# At the end of each pass, save the generated samples/images +# 在每个pass的最后，保存生成的图片 +noise = get_noise(batch_size, noise_dim) fake_samples = get_fake_samples(generator_machine, batch_size, noise) ``` @@ -223,3 +269,8 @@ fake_samples = get_fake_samples(generator_machine, batch_size, noise) 1. Goodfellow I, Pouget-Abadie J, Mirza M, et al. [Generative adversarial nets](https://arxiv.org/pdf/1406.2661v1.pdf)[C] Advances in Neural Information Processing Systems. 2014 2. Radford A, Metz L, Chintala S. [Unsupervised Representation Learning with Deep Convolutional Generative Adversarial Networks](https://arxiv.org/pdf/1511.06434v2.pdf)[C] arXiv preprint arXiv:1511.06434. 2015 +3. Kingma D.P. and Welling M. [Auto-encoding variational bayes](https://arxiv.org/pdf/1312.6114v10.pdf)[C] arXiv preprint arXiv:1312.6114. 2013 +4. Hinton G and Salakhutdinov R. [Reducing the dimensionality of data with neural networks](https://www.cs.toronto.edu/~hinton/science.pdf) Science 313.5786. 2006 +5. Salakhutdinov R and Hinton G. [Deep Boltzmann Machines](http://www.jmlr.org/proceedings/papers/v5/salakhutdinov09a/salakhutdinov09a.pdf)[J] AISTATS. Vol. 1. 2009 +6. Larochelle H and Murray I. [The Neural Autoregressive Distribution Estimator](http://www.jmlr.org/proceedings/papers/v15/larochelle11a/larochelle11a.pdf) AISTATS. Vol. 1. 2011. +7. van den Oord A, Kalchbrenner N and Kavukcuoglu K. [Pixel Recurrent Neural Networks](https://arxiv.org/pdf/1601.06759v3.pdf) arXiv preprint arXiv:1601.06759 (2016). diff --git a/gan/gan_conf_graph.png b/gan/gan_conf_graph.png new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..48b6bdd0eeb2a90c0422a018163b5214ae3bfc42 Binary files /dev/null and b/gan/gan_conf_graph.png differ