Paddle 实现DCGAN

传统GAN

传统的GAN可以看我的这篇文章：Paddle 基于ANN（全连接神经网络）的GAN（生成对抗网络）实现-CSDN博客

DCGAN

DCGAN是适用于图像生成的GAN，它的特点是：

只采用卷积层和转置卷积层，而不采用全连接层
在每个卷积层或转置卷积层之间，插入一个批归一化层和ReLU激活函数

转置卷积层

转置卷积层执行的是转置卷积或反卷积的操作，即它是常规卷积层的反向操作。它接收一个低分辨率的输入，然后将其通过转置滤波器升采样到更高的分辨率。

对于一个卷积层，它的输出大小公式是：

$o = \frac{i + 2p - k}{s} + 1$

其中，o表示输出大小，i表示输入大小，p表示填充（padding），k表示卷积核大小（kernel_size），s表示步长（stride）。也就是说：输出大小 = (输入大小 - 卷积核大小 + 2 × 填充数) ÷ 步长 + 1

而对于一个转置卷积层，它的输出大小公式是：

$o = s(i-1)-2p+k+u$

其中，o表示输出大小，i表示输入大小，p表示填充（padding），k表示反卷积核大小（kernel_size），s表示步长（stride），u表示输出填充（output padding）。也就是说：输出大小 = （输入大小 - 1） * 步长 - 2*填充 + 反卷积大小 + 输出填充

在paddle中，转置卷积层可以这么定义：

paddle.nn.Conv2DTranspose(in_channels, out_channels, kernel_size, stride, padding)

像卷积层一样，反卷积层的in_channels表示输入通道数（如形如(3, 32, 32)的图片张量的通道数就是3），out_channels表示输出通道数（如把(64, 32, 32)变成3通道的彩色图像(3, 32, 32)）。

代码实现

这里我们采用NWPU-RESISC45数据集，从中选择“freeway”（高速公路）作为训练数据，让机器生成高速公路的图片。这个训练数据内有700张256x256的图片，但由于我的电脑显存不足，因此将图片大小设置为64x64.

先写dataset.py：

import paddle
import numpy as np
from PIL import Image
import os


def getAllPath(path):
    return [os.path.join(path, f) for f in os.listdir(path)]


class FreewayDataset(paddle.io.Dataset):

    def __init__(self, transform=None):
        super().__init__()
        self.data = []
        for path in getAllPath('./freeway'):
            img = Image.open(path)
            img = img.resize((64, 64))
            img = np.array(img, dtype=np.float32).transpose((2, 1, 0))
            if transform is not None:
                img = transform(img)
            self.data.append(img)
        self.data = np.array(self.data, dtype=np.float32)

    def __getitem__(self, idx):
        return self.data[idx]

    def __len__(self):
        return len(self.data)

然后写训练脚本：

from dataset import FreewayDataset
import paddle
from models import Generator, Discriminator
import numpy as np

dataset = FreewayDataset()
dataloader = paddle.io.DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)

netG = Generator()
netD = Discriminator()

if 1:
    try:
        mydict = paddle.load('generator.params')
        netG.set_dict(mydict)
        mydict = paddle.load('discriminator.params')
        netD.set_dict(mydict)
    except:
        print('fail to load model')

loss = paddle.nn.BCELoss()

optimizerD = paddle.optimizer.Adam(parameters=netD.parameters(), learning_rate=0.0002, beta1=0.5, beta2=0.999)
optimizerG = paddle.optimizer.Adam(parameters=netG.parameters(), learning_rate=0.0002, beta1=0.5, beta2=0.999)

# 最大迭代epoch
max_epoch = 1000

for epoch in range(max_epoch):
    now_step = 0
    for step, data in enumerate(dataloader):
        ############################
        # (1) 更新鉴别器
        ###########################

        # 清除D的梯度
        optimizerD.clear_grad()

        # 传入正样本，并更新梯度
        pos_img = data
        label = paddle.full([pos_img.shape[0], 1, 1, 1], 1, dtype='float32')
        pre = netD(pos_img)
        loss_D_1 = loss(pre, label)
        loss_D_1.backward()

        # 通过randn构造随机数，制造负样本，并传入D，更新梯度
        noise = paddle.randn([pos_img.shape[0], 100, 1, 1], 'float32')
        neg_img = netG(noise)
        label = paddle.full([pos_img.shape[0], 1, 1, 1], 0, dtype='float32')
        pre = netD(neg_img.detach())  # 通过detach阻断网络梯度传播，不影响G的梯度计算
        loss_D_2 = loss(pre, label)
        loss_D_2.backward()

        # 更新D网络参数
        optimizerD.step()
        optimizerD.clear_grad()

        loss_D = loss_D_1 + loss_D_2

        ############################
        # (2) 更新生成器
        ###########################

        # 清除D的梯度
        optimizerG.clear_grad()

        noise = paddle.randn([pos_img.shape[0], 100, 1, 1], 'float32')
        fake = netG(noise)
        label = paddle.full((pos_img.shape[0], 1, 1, 1), 1, dtype=np.float32, )
        output = netD(fake)
        # 这个写法没有问题，因为这个loss既会影响到netG（output=netD(netG(noise))）的梯度，也会影响到netD的梯度，但是之后的代码并没有更新netD的参数，而循环开头就清除了netD的梯度
        loss_G = loss(output, label)
        loss_G.backward()

        # 更新G网络参数
        optimizerG.step()
        optimizerG.clear_grad()

        now_step += 1

        ###########################
        # 输出日志
        ###########################
        if now_step % 10 == 0:
            print(f'Epoch ID={epoch} Batch ID={now_step} \n\n D-Loss={float(loss_D)} G-Loss={float(loss_G)}')

paddle.save(netG.state_dict(), "generator.params")
paddle.save(netD.state_dict(), "discriminator.params")

最后编写图片生成脚本：

import paddle
from models import Generator
import matplotlib.pyplot as plt

# 加载模型
netG = Generator()
mydict = paddle.load('generator.params')
netG.set_dict(mydict)

# 设置matplotlib的显示环境
fig, axs = plt.subplots(nrows=2, ncols=5, figsize=(15, 6))  # 创建一个2x5的子图网格

# 生成10个噪声向量
for i, ax in enumerate(axs.flatten()):
    noise = paddle.randn([1, 100, 1, 1], 'float32')
    img = netG(noise)
    img = img.numpy()[0].transpose((2, 1, 0))  # img.numpy()：张量转np数组
    img[img < 0] = 0  # 将img中所有小于0的元素赋值为0

    # 显示图片
    ax.imshow(img)
    ax.axis('off')  # 不显示坐标轴

# 显示图像
plt.show()

经过数次训练，最终的效果如下：