G7 - Semi-Supervised GAN 理论与实战

  • 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营 中的学习记录博客
  • 🍖 原作者:K同学啊

目录

  • 理论知识
  • 模型实现
    • 引用、配置参数
    • 初始化权重
    • 定义算法模型
    • 模型配置
    • 模型训练
    • 训练模型
  • 模型效果
  • 总结与心得体会


理论知识

在条件GAN中,判别器只用来判断图像的真和假,到了条件GAN中,图像本身其实是有标签的,这时候我们可能会想,为什么不直接让判别器输出图像的标签呢?本节要探究的SGAN就实现了这样一个GAN网络。

SGAN将GAN拓展到半监督学习,通过强制判别器D来输出类别标签来实现。

SGAN在一个数据集上训练一个生成器G和一个判别器D,输入是N类中的一个,在训练的时候,判别器D也被用于预测输入是属于N+1类中的哪一个,这个N+1是对应了生成器G的输出,这里的判别器D同时也充当起了分类器C的效果。

经过实验发现,这种方法可以用于训练效果更好的判别器D,并且可以比普通的GAN产生更加高质量的样本。

Semi-Supervised GAN有如下成果:

  • 作者对GANs做了一个新的扩展,允许它同时学习一个生成模型和一个分类器,我们把这个拓展称为半监督GAN或者SGAN
  • 实验结果表明,SGAN在有限数据集上比没有生成部分的基准分类器提升了分类性能
  • 实验结果表明,SGAN可以显著地提升生成样本的质量并降低生成器的训练时间
    模型判别器工作示意
    效果对比
    对比生成效果发现,SGAN比普通的DCGAN算法的结果更好。

模型实现

引用、配置参数

import argparse
import os
import numpy as np
import math

from torchvision import datasets, transforms
from torchvision.utils import save_image

from torch.utils.data import DataLoader
from torch.autograd import Variable

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch

# 创建结果输出目录,没有就新增,有就跳过
os.makedirs('images', exist_ok=True)

# 参数
n_epochs = 50 # 训练轮数
batch_size = 64 # 每个批次的样本数量
lr = 0.0002 # 学习率
b1 = 0.5 # Adam优化器的第一个动量衰减参数
b2 = 0.999 # Adam 优化器的第二个动量衰减参数
n_cpu = 8 # 用于批次生成的CPU线程数
latent_dim = 100 # 潜在空间的维度
num_classes = 10 # 数据集的类别数
img_size = 32 # 每个图像的尺寸(高度和宽度相等)
channels = 1 # 图像的通道数(灰度图像通道数为1)
sample_interval = 400 # 图像采样间隔

# 全局设备
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

初始化权重

def weights_init_normal(m):
    classname = m.__class__.__name__
    if classname.find('Conv')!= -1:
        torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 0.0, 0.02)
    elif classname.find('BatchNorm') != -1:
        torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 1.0, 0.02)
        torch.nn.init.normal_(m.bias.data, 0.0)

定义算法模型

# 生成器
class Generator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        
        # 创建一个标签嵌入层,用于将条件标签映射到潜在空间
        self.label_emb = nn.Embedding(num_classes, latent_dim)

        # 初始化图像尺寸, 用于上采样之前
        self.init_size = img_size //4

        # 第一个全连接层,将随机噪声映射到合适的维度
        self.l1 = nn.Sequential(nn.Linear(latent_dim, 128*self.init_size**2))

        # 生成器的卷积块
        self.conv_blocks = nn.Sequential(
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.Upsample(scale_factor=2),
            nn.Conv2d(128, 128, 3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(128, 0.8),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Upsample(scale_factor=2),
            nn.Conv2d(128, 64, 3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(64, 0.8),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Conv2d(64, channels, 3, stride=1, padding=1),
            nn.Tanh(),
        )

    def forward(self, noise):
        out = self.l1(noise)
        out = out.view(out.shape[0], 128, self.init_size, self.init_size)
        img = self.conv_blocks(out)
        return img
# 判别器,一个分类网络
class Discriminator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        def discriminator_block(in_filters, out_filters, bn=True):
            """返回每个鉴别器块的层"""
            block = [nn.Conv2d(in_filters, out_filters, 3, 2, 1), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Dropout2d(0.25)]
            if bn:
                block.append(nn.BatchNorm2d(out_filters, 0.8))
            return block
            
        # 鉴别器的卷积块
        self.conv_blocks = nn.Sequential(
            *discriminator_block(channels, 16, bn=False),
            *discriminator_block(16, 32),
            *discriminator_block(32, 64),
            *discriminator_block(64, 128),
        )

        # 下采样图像的高度和宽度
        ds_size = img_size // 2 ** 4

        # 输出层
        self.adv_layer = nn.Sequential(nn.Linear(128*ds_size**2, 1),nn.Sigmoid())
        self.aux_layer = nn.Sequential(nn.Linear(128*ds_size**2, num_classes + 1), nn.Softmax())

    def forward(self, img):
        out = self.conv_blocks(img)
        out = out.view(out.shape[0], -1)
        validity = self.adv_layer(out)
        label = self.aux_layer(out)
        return validity, label

模型配置

# 定义损失函数

# 二元交叉熵损失,用于对抗训练
adversarial_loss = nn.BCELoss().to(device)
# 交叉熵损失,用于辅助分类
auxiliary_loss = nn.CrossEntropyLoss().to(device)

# 初始化生成器和鉴别器
generator = Generator().to(device)
discriminator = Discriminator().to(device)

# 初始化模型权重
generator.apply(weights_init_normal)
discriminator.apply(weights_init_normal)

# 配置数据加载器
os.makedirs('data/mnist', exist_ok=True)

dataloader = DataLoader(
    datasets.MNIST(
        'data/mnist',
        train=True,
        download=True,
        transform=transforms.Compose([
            transforms.Resize(img_size),
            transforms.ToTensor(),
            transforms.Normalize([0.5], [0.5])
        ]),
    ),
    batch_size=batch_size,
    shuffle=True)

# 创建优化器
optimizer_G = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=lr, betas=(b1, b2))
optimizer_D = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=lr, betas=(b1, b2))

模型训练

for epoch in range(opt._epochs):
	for i, (imgs, labels) in enumerate(dataloader):
		batch_size = imgs.shape[0]
		# 生成对抗训练的标签
		valid = Variable(FloatTensor(batch_size, 1).fill_(1.0), requires_grad=False
		fake = Variable(FloatTensor(batch_size, 2).fill_(0,0)
		fake_aux_gt = Variable(LongTensor(batch_size).fill_(opt.num_classes, requires_grad)

训练模型

for epoch in range(n_epochs):
    for i, (imgs, labels) in enumerate(dataloader):
        batch_size = imgs.shape[0]

        # 定义对抗训练的标签
        valid = torch.ones((batch_size, 1), requires_grad=False, device=device)
        fake = torch.zeros((batch_size, 1), requires_grad=False, device=device)
        fake_aux_gt= torch.ones((batch_size), dtype=torch.int64, device=device, requires_grad=False)*num_classes

        # 配置输入数据
        real_imgs = imgs.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # ** 训练生成器 **

        optimizer_G.zero_grad()

        # 采样噪声和类别标签作为生成器的输入
        z = torch.rand([batch_size, latent_dim], device=device)
        
        # 生成一批图像
        gen_imgs = generator(z)

        # 计算生成器的损失衡量生成器欺骗鉴别器的能力
        validity, _ = discriminator(gen_imgs)
        g_loss = adversarial_loss(validity, valid)
        
        g_loss.backward()
        optimizer_G.step()

        # ** 训练鉴别器 **
        optimizer_D.zero_grad()

        # 真实图像的损失
        real_pred, real_aux = discriminator(real_imgs)
        d_real_loss = (adversarial_loss(real_pred, valid) + auxiliary_loss(real_aux, labels)) / 2

        # 生成图像的损失
        fake_pred, fake_aux = discriminator(gen_imgs.detach())
        d_fake_loss = (adversarial_loss(fake_pred, fake) + auxiliary_loss(fake_aux, fake_aux_gt)) /2

        # 总的鉴别器损失
        d_loss = (d_real_loss + d_fake_loss) / 2

        # 计算鉴别器准确率
        pred = np.concatenate([real_aux.data.cpu().numpy(), fake_aux.data.cpu().numpy()], axis=0)
        gt = np.concatenate([labels.data.cpu().numpy(), fake_aux_gt.data.cpu().numpy()], axis=0)
        d_acc = np.mean(np.argmax(pred, axis=1) == gt)

        d_loss.backward()
        optimizer_D.step()

        batches_done = epoch*len(dataloader) + i
        if batches_done % sample_interval == 0:
            save_image(gen_imgs.data[:25], 'images/%d.png' % batches_done, nrow=5, normalize=True)

    print('[Epoch %d/%d] [Batch %d/%d] [D loss: %f, acc: %d%%] [G loss: %f]' % (epoch, n_epochs, i, len(dataloader), d_loss.item(), 100*d_acc, g_loss.item()))

训练过程

[Epoch 0/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.361139, acc: 50%] [G loss: 0.692496]
[Epoch 1/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.339481, acc: 50%] [G loss: 0.743710]
[Epoch 2/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.324114, acc: 50%] [G loss: 0.876165]
[Epoch 3/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.163164, acc: 50%] [G loss: 1.803553]
[Epoch 4/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.115438, acc: 50%] [G loss: 3.103937]
[Epoch 5/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.045782, acc: 50%] [G loss: 4.149418]
[Epoch 6/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.996207, acc: 56%] [G loss: 5.366407]
[Epoch 7/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.944309, acc: 67%] [G loss: 5.629416]
[Epoch 8/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.923516, acc: 71%] [G loss: 5.145832]
[Epoch 9/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.941332, acc: 78%] [G loss: 3.469946]
[Epoch 10/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.945412, acc: 75%] [G loss: 3.282685]
[Epoch 11/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.862699, acc: 84%] [G loss: 3.509322]
[Epoch 12/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.880701, acc: 87%] [G loss: 2.907838]
[Epoch 13/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.853650, acc: 92%] [G loss: 4.008491]
[Epoch 14/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.814380, acc: 93%] [G loss: 4.354833]
[Epoch 15/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.907486, acc: 89%] [G loss: 4.128651]
[Epoch 16/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.839670, acc: 87%] [G loss: 3.847980]
[Epoch 17/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.118082, acc: 75%] [G loss: 3.573672]
[Epoch 18/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.877845, acc: 87%] [G loss: 3.234770]
[Epoch 19/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.176042, acc: 75%] [G loss: 4.499653]
[Epoch 20/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.942495, acc: 84%] [G loss: 4.823555]
[Epoch 21/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.874024, acc: 93%] [G loss: 3.880158]
[Epoch 22/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.887224, acc: 90%] [G loss: 3.924105]
[Epoch 23/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.876955, acc: 89%] [G loss: 4.332885]
[Epoch 24/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.164700, acc: 79%] [G loss: 5.855463]
[Epoch 25/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.824182, acc: 100%] [G loss: 3.745309]
[Epoch 26/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.991236, acc: 87%] [G loss: 4.963309]
[Epoch 27/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.906700, acc: 92%] [G loss: 5.675440]
[Epoch 28/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.864558, acc: 93%] [G loss: 5.964598]
[Epoch 29/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.788707, acc: 96%] [G loss: 7.074716]
[Epoch 30/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.044333, acc: 84%] [G loss: 4.304685]
[Epoch 31/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.797054, acc: 100%] [G loss: 5.197765]
[Epoch 32/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.824380, acc: 100%] [G loss: 5.913801]
[Epoch 33/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.978360, acc: 87%] [G loss: 3.314190]
[Epoch 34/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.014248, acc: 78%] [G loss: 8.149563]
[Epoch 35/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.352330, acc: 68%] [G loss: 8.068608]
[Epoch 36/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.906131, acc: 89%] [G loss: 7.385222]
[Epoch 37/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.813954, acc: 98%] [G loss: 5.816649]
[Epoch 38/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.840815, acc: 98%] [G loss: 6.768866]
[Epoch 39/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.864865, acc: 90%] [G loss: 2.277655]
[Epoch 40/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.810660, acc: 93%] [G loss: 6.076533]
[Epoch 41/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.189352, acc: 78%] [G loss: 4.746247]
[Epoch 42/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.823831, acc: 90%] [G loss: 9.117917]
[Epoch 43/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.975088, acc: 85%] [G loss: 2.690667]
[Epoch 44/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.911645, acc: 89%] [G loss: 6.431296]
[Epoch 45/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.214794, acc: 65%] [G loss: 5.860756]
[Epoch 46/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.849733, acc: 98%] [G loss: 4.305855]
[Epoch 47/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.910819, acc: 90%] [G loss: 6.148373]
[Epoch 48/50] [Batch 937/938] [D loss: 0.828892, acc: 96%] [G loss: 9.507065]
[Epoch 49/50] [Batch 937/938] [D loss: 1.086049, acc: 84%] [G loss: 5.026798]

模型效果

第一次输出的图像
第一次输出图像
25轮输出的图像
25轮输出的图像
最后输出的图像
最后输出的图像
通过图像可以发现,不同类型的数字间有很大区别,SGAN可以生成的很好

总结与心得体会

SGAN对于GAN的改进,更像是一个拥有着部分共同权重的一组小模型,可以让每个分类的图像生成的更加精确,避免生成的图像同时拥有着几种手势的特点,有点不伦不类。
目前的判别器中,无法对生成的图像打上准确的标签,这样应该会影响生成的精度,如果可以结合CGAN,直接让生成器也学习不同分类的特点,然后让判别器精确的区分,应该可以得到一个更精确的条件生成网络。

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在调试和分析网络流量时,您是否曾为无法深入了解请求和响应的数据而感到困惑?如果有一种工具可以帮助您轻松抓取和分析网络流量,您的工作效率将大大提升。Fiddler正是这样一款功能强大的抓包工具,广受开发者和测试人员的青睐。 Fi…

【日常开发之Windows共享文件】Java实现Windows共享文件上传下载

文章目录 Windows 配置代码部分Maven代码 Windows 配置 首先开启服务,打开控制面板点击程序 点击启用或关闭Windows功能 SMB1.0选中红框内的 我这边是专门创建了一个用户 创建一个文件夹然后点击属性界面,点击共享 下拉框选择你选择的用户点击添加…

CSS规则——font-face

font-face 什么是font-face? 想要让网页文字千变万化,仅靠font-family还不够,还要借助font-face(是一个 CSS 规则,它允许你在网页上使用自定义字体,而不仅仅是用户系统中预装的字体。这意味着你可以通过提…

Vue父组件mounted执行完后再执行子组件mounted

// 创建地图实例 this.map new BMap.Map(‘map’) } } ... 现在这样可能会报错,因为父组件中的 map 还没创建成功。必须确保父组件的 map 创建完成,才能使用 this.$parent.map 的方法。 那么,现在的问题是:如何保证父组件 mo…

全空间数据处理

高精度三维数据往往因为体量巨大、数据标准不一、高保密性要求等,给数据的后期储存、处理、分析及展示造成巨大困扰。多源异构数据的客观存在性与数据无缝融合的困难性,为空间信息数据和业务过程中其他文件的有效管理与共享制造了诸多障碍。 随着数字孪…

数据库断言-数据库更新

数据库更新的步骤和查询sql的步骤一致 1、连接数据库 驱动管理器调用连接数据库方法(传入url,user,password),赋值给变量 2、操作数据库 connection调用参数化方法,对sql语法进行检查,存储s…