GAN模型研究綜述

劉鶴丹，趙旭磊，葉漢平，王 健

（1.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363105；2.中國船舶第七六〇研究所 海上試驗測繪中心，遼寧 大連 116000）

0 引 言

近年來，研究人員一直在努力提升計算機(jī)的自主學(xué)習(xí)能力，計算機(jī)學(xué)習(xí)逐步進(jìn)入了人工智能階段。人工智能作為一門交叉性強(qiáng)的學(xué)科，致力于使計算機(jī)可以模擬人類的學(xué)習(xí)方法。在常見的機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，大部分模型是需要監(jiān)督學(xué)習(xí)的，而監(jiān)督學(xué)習(xí)需要收集大量的數(shù)據(jù)集才能得到較好的訓(xùn)練結(jié)果，并且數(shù)據(jù)集的標(biāo)注往往是需要通過人工的手段，這無疑會提高人工成本。在2014年，生成對抗網(wǎng)絡(luò)模型GAN的出現(xiàn)為解決該類問題提出了很好的方案，GAN擁有無監(jiān)督學(xué)習(xí)和優(yōu)越的樣本輸出等優(yōu)勢，受到大批學(xué)者的喜愛，特別是在圖像生成和目標(biāo)檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

1 基本理論

1.1 理論基礎(chǔ)

GAN采用博弈論中零和博弈的思想[1]，其中包含兩個模型：生成器和判別器。生成器會生成一系列的樣本欺騙判別器，而判別器的目的是識別出這些樣本的真實性，在兩者的對抗過程中，會不斷地提升模型的效率，直到生成器可生成能夠欺騙判別器的樣本為止，此時達(dá)到納什均衡[2]。

1.2 GAN模型的兩個基本要素

GAN模型[3]包含生成式模型G和判別式模型D（以下生成器與判別器均用G和D替代），G從統(tǒng)計學(xué)的角度直觀地展示了數(shù)據(jù)分布情況，并對其進(jìn)行建模P(X|Y)，再通過貝葉斯公式進(jìn)行預(yù)測，最后根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)聯(lián)合概率分布P(X,Y)。模型對比情況見表1所列。

表1 模型對比情況

2 GAN模型的發(fā)展歷程

經(jīng)典GAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)G和D構(gòu)成了一個動態(tài)博弈的過程。G和D使用聯(lián)合損失函數(shù)，其中x表示真實數(shù)據(jù)，D(x)是每個圖像x的單個標(biāo)量值，表示此圖像x是來自數(shù)據(jù)集的真實圖像的可能性。此外，噪聲z的發(fā)生器輸出的G(z)、D(G(z))是鑒別器對假實例的真實概率的估計。EZ是G的所有輸入的預(yù)期值。生成器G試圖最小化函數(shù)，而D試圖將函數(shù)最大化。優(yōu)化目標(biāo)公式如下：

圖1 經(jīng)典GAN架構(gòu)

2.1 DCGAN：深度卷積GAN

DCGAN（Deep Convolutional Generative Adversarial Networks）[4]于2015年被提出，其架構(gòu)如圖2所示。對GAN架構(gòu)進(jìn)行了三方面改進(jìn)：（1）代替空間池化函數(shù)為步幅卷積，允許網(wǎng)絡(luò)對自身空間下采樣學(xué)習(xí)，允許D對自身空間上采樣學(xué)習(xí)；（2）最頂層的卷積后面消除全連接層；（3）批處理規(guī)范化。其中G使用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，除了最終輸出層使用了tanh，其余使用激活函數(shù)ReLu，模型目標(biāo)是最小化判別網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率。DCGAN的Generate網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。D同樣使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用的激活函數(shù)是Leaky ReLu，以實現(xiàn)最大化判別網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率。

圖2 DCGAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 DCGAN的Generate網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 CGAN：條件GAN

Mirza等人[5]提出了兩個問題：如何擴(kuò)大已有模型以適應(yīng)預(yù)測的大量輸出類別，如何實現(xiàn)GAN從一對多的映射；同時提出了CGAN（Conditional Generative Adversarial Networks）模型。該模型結(jié)構(gòu)額外為生成器和判別器增加了條件y（表示希望生成的標(biāo)簽）。D會生成符合條件y的樣本，而G會對生成的圖像進(jìn)行判斷，判斷是否符合條件y和是否具有真實性，并會對后續(xù)的優(yōu)化目標(biāo)公式進(jìn)行相對應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)。

2.3 SGAN：半監(jiān)督GAN

Denton 等人[6]在2016年提出SGAN（Semi-supervised learning GAN），訓(xùn)練時可通過少量帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)配合無標(biāo)簽數(shù)據(jù)。該模型結(jié)構(gòu)解決了一個半監(jiān)督分類任務(wù)的同時還學(xué)習(xí)一個生成模型；在數(shù)據(jù)集上學(xué)習(xí)G的同時訓(xùn)練一個圖像分類器C；共享了D和C之間的部分權(quán)重，一些權(quán)重專屬于D，一些權(quán)重專屬于C；讓GAN生成帶類別標(biāo)簽的樣本，要求D/C指派標(biāo)簽。

2.4 InfoGAN：無監(jiān)督GAN

針對傳統(tǒng)GAN使用高度混雜的模型和隨機(jī)噪聲z，但不能顯式地表示真實數(shù)據(jù)空間下的屬性或特征的問題，Chen等人[7]提出InfoGAN以無監(jiān)督方式學(xué)習(xí)隱空間下非混雜方式的真實特征表示。將隨機(jī)噪聲分成不可壓縮部分z和可解釋的隱編碼c。Generate（G）表示為G(z,c)，通過最大化c與生成數(shù)據(jù)x之間的信息來防止GAN在訓(xùn)練過程中忽略c的特征表示能力，并增加c和G(z,c)之間的互信息I(c;G(z,c))為約束。

2.5 WGAN

Arjovsky等人[8]針對訓(xùn)練梯度不穩(wěn)定、生成樣本單一、模式崩潰、梯度消失等問題提出了四點改進(jìn)措施：去除D最后一層的sigmoid，G和D的損失不再取對數(shù)，在更新D的參數(shù)后截斷其絕對值到固定常數(shù)c下，使用RMSProp、SGD等算法替代基于動量的優(yōu)化算法。

2.6 SAGAN：自我注意生成對抗網(wǎng)絡(luò)

Zhang等人[9]指出先前的模型過分使用卷積來模擬不同圖像區(qū)域之間的依賴，導(dǎo)致傳統(tǒng)卷積GAN存在一些問題，因此提出SAGAN。將self-attention機(jī)制加入傳統(tǒng)的卷積GAN，該機(jī)制在模擬遠(yuǎn)程依賴、計算和統(tǒng)計時有更加出彩的表現(xiàn)，能夠更好地處理長范圍、多層次的依賴，生成圖像時做好每一個位置的細(xì)節(jié)和遠(yuǎn)端的協(xié)調(diào)。此外，D能夠更精準(zhǔn)地對全局圖像使用幾何約束。

2.7 BigGAN：大型生成對抗網(wǎng)絡(luò)

針對GAN難以實現(xiàn)從復(fù)雜數(shù)據(jù)集中生成高分辨率、多樣化樣本的缺點，Brock等人[10]提出了BigGAN，該模型增大了BatchSize和channel number，采用“截斷技巧”等，用原有GAN的8倍batch size大小，將隱藏層變量數(shù)量擴(kuò)充到原有模型的4倍進(jìn)行訓(xùn)練，獲得了很好的效果。

2.8 StyleGAN：基于風(fēng)格的生成對抗網(wǎng)絡(luò)

2017年NVIDIA提出了ProGAN[11]，該模型采用漸進(jìn)式訓(xùn)練，解決了高分辨率圖像生成困難的問題，但控制生成圖像的特定特征能力有限。Karras等人[12]提出了StytleGAN，每一層視覺特征都可以通過修改該層的輸入來控制，且該過程并不受其他層級的影響。StytleGAN的模型結(jié)構(gòu)除了采用傳統(tǒng)的輸入，將一個可學(xué)習(xí)的常數(shù)作為生成器的初始輸入，還采用8個由全連接層所組成的映射網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)輸出的w與輸入的z大小相同；引入樣式模塊（AdalN），將w通過卷積層的AdaIN輸入到生成網(wǎng)絡(luò)中；添加尺度化噪聲到合成網(wǎng)絡(luò)的分辨率級上，然后通過輸入層輸入到G中；對G使用混合正則化，對訓(xùn)練樣本使用樣式混合的方式生成圖像，在訓(xùn)練過程中使用兩個隨機(jī)隱碼z，而不是一個，在生成圖像時會在合成網(wǎng)絡(luò)上隨機(jī)地選擇一個點，實現(xiàn)一個隱碼到另一個隱碼的切換，并且加入感知路徑長度和線性可分性兩種新的量化解耦方法。

2.9 EigenGAN

He等人[13]提出了通過明確的維度來控制特定層中語義屬性表示的EigenGAN模型，可無監(jiān)督地從不同生成器層挖掘可解釋和可控的維度。EigenGAN將一個具有正交基礎(chǔ)的線性空間嵌入到每個生成器層；在對抗訓(xùn)練中，這些子空間會在每一層中發(fā)現(xiàn)一組“特征維度”，對應(yīng)一組語義屬性或可解釋的變化。

2.10 ICGAN

GAN所生成圖像與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集密切相關(guān)，這導(dǎo)致生成的圖像存在局限性。而Casanova等人[14]提出ICGAN（Instance-Conditioned GAN）模型，可生成逼真且與訓(xùn)練集圖像不同的圖像組合。對于每個訓(xùn)練的數(shù)據(jù)點，采用參數(shù)化的混合形式對其周圍密度進(jìn)行建模處理；模型引入了一種非參數(shù)化方法對復(fù)雜數(shù)據(jù)集的分布進(jìn)行建模，使用條件實例和噪聲向量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，并且隱式地對其局部密度進(jìn)行建模。ICGAN中，G與D可以聯(lián)合訓(xùn)練，都參與了一個兩者最小-最大博弈，在博弈中找到納什均衡。

2.11 TransGAN

近年來，Transformers[15]在NLP領(lǐng)域大放異彩，TransGAN的研究者將Transformers結(jié)構(gòu)作為GAN的主結(jié)構(gòu)，并完全拋棄了CNN結(jié)構(gòu)[16]。實驗表明，采用Transformers作為GAN模型的主體結(jié)構(gòu)在其性能上幾乎能夠匹敵目前最好的GAN模型。

2.12 OUR-GAN

針對傳統(tǒng)的生成模型很難生成視覺上連貫的圖像問題，Yoon等人[17]提出了OUR-GAN模型，用低分辨率生成視覺上連貫的圖像，應(yīng)用無縫銜接的子區(qū)域超分辨率來提高分辨率，解決了邊界不連續(xù)問題，通過向特征圖添加垂直位置嵌入來提高視覺連續(xù)性和多樣性。

2.13 P2GAN

文獻(xiàn)[18]提出了P2GAN（Posterior Promoted GAN），該模型采用D生成的后驗分布的真實信息來提升G，并且通過將圖像隱射到多元高斯分布來提取出真實的信息；G則使用AdaIN后的真實信息和潛碼提升自身。

2.14 Inclusive GAN

文獻(xiàn)[19]提出了Inclusive GAN模型，通過有效融合對抗模型與重建模型提升對少數(shù)樣本群體的覆蓋能力，提升了模型的包容能力。引入IMLE重建方法調(diào)和GAN，使其成為IMLE-GAN，綜合了兩個模型的優(yōu)劣，保證了數(shù)據(jù)的覆蓋性，有效提升模型整體的覆蓋能力且更適應(yīng)了對少數(shù)群體的包容能力。

2.15 MSG-GAN：多尺度梯度生成對抗網(wǎng)絡(luò)

許多GAN及其變體模型很難適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)集，當(dāng)真實分布和生成分布的支撐集不夠重疊時，判別器反饋給生成器的梯度無法提供有益信息。文獻(xiàn)[20]提出了MSG-GAN，可多尺度地提供梯度給D和G。

3 GAN的優(yōu)劣

3.1 GAN的優(yōu)勢

GAN作為生成式模型，結(jié)構(gòu)簡單，不需要類似GSNs的馬爾科夫鏈，只是用到了反向傳播，其創(chuàng)造的數(shù)據(jù)樣本遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他的生成模型。這表明GAN可以訓(xùn)練任何形式下具有非特定目的生成網(wǎng)絡(luò)；GAN的學(xué)習(xí)方式為無監(jiān)督式學(xué)習(xí)，該方式被廣泛應(yīng)用于無監(jiān)督和半監(jiān)督學(xué)習(xí)領(lǐng)域，其訓(xùn)練方式不需要推斷隱變量；對比VAEs，GANs尚未引入決定性偏置，也沒有變分下界，因此GANs的生成實例相比于VAEs更為清晰。如果D訓(xùn)練妥善，那么G將會得到完美的訓(xùn)練樣本分布。GANs的生成過程是漸進(jìn)一致的過程，而VAE有偏差。

3.2 GAN的劣勢

GAN普遍存在評價指標(biāo)和梯度消失、模式崩潰、訓(xùn)練不穩(wěn)定等問題。對于如何實現(xiàn)GAN在訓(xùn)練中達(dá)到納什均衡，目前還沒有較好的方法。雖然可以通過梯度下降法實現(xiàn)，但會導(dǎo)致其缺乏穩(wěn)定性；GAN不適合處理文本類的離散型數(shù)據(jù)，因為通常需要將一個詞映射為一個高維向量，當(dāng)G向D輸出結(jié)果不同時，D均會返回同樣的結(jié)果，導(dǎo)致梯度信息不能很好地傳遞到D中。此外，GAN損失函數(shù)為JS散度，并不適用于衡量不相交分布之間的距離。

4 結(jié) 語

生成對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)下人工智能領(lǐng)域的前沿。越來越多的研究人員開始在這一領(lǐng)域進(jìn)行挖掘，并產(chǎn)生越來越多的高效率模型。本文從介紹GAN模型的生成器和判別器出發(fā)，闡述了GAN模型的基本原理，并通過典型的GAN變體模型展示了GAN的發(fā)展歷程。GAN目前仍面臨著許多挑戰(zhàn)，但值得期待。