GAN, pix2pix, CycleGAN和pix2pixHD

参考视频：CS231n 16.1 对抗样本和对抗训练   GAMES Webinar 2018-64期-朱俊彦

CS231n 16 对抗样本和对抗训练

/1 什么是对抗样本？

2013年以来，我们使用深度学习、卷积网络、梯度下降来实现分类识别等任务。

对抗样本：人们用心构造出来会被分错类的样本。

例如：我们构造一个网络参数的函数（移动所有像素的最优方向，在人们看来很像是噪声）并乘以很小的系数加在原图上，我们看来两幅图没有差别，实际上影响的只是浮点数后32位，甚至影响不了前8位的最后一位，但会导致卷积网络判断错误，将熊猫认作长臂猿。而且不仅改变了分类，还提高了置信度。

 

/2 对抗样本为什么涌现出来？为什么有用？

我们很容易破坏神经网路甚至传统的分类器，或许是因为过拟合，但我们生成一个对抗样本，就会有一个系统性效应，而不是随机效应。所以更像是欠拟合而不是过拟合。

/3 对抗样本如何构成现实世界的安全威胁？（使用对抗手段来损坏基于机器学习的系统、目前的防御手段）

/4如何使用对抗样本来提高其他机器学习算法的性能？

GAN, pix2pix, CycleGAN和pix2pixHD

0.GAN

2012年使用深度神经网络 在ImageNet的分类任务上取得了巨大成功。从此深度学习的相关研究如火如荼地展开了。在传统的图形学管线中，输出图像需要经过建模、材质贴图、光照、渲染等一系列繁琐的步骤。现在大家看到了Deep Learning的潜力，那我们自然的就有个想法：有没有可能使用Deep Learning简化计算机图形学的研究呢？

一个直接的想法是把DNN“倒过来用”。之前的DNN可能是输入一幅图像，输出一个标签，那我们能不能输入“猫”这个字，输出一张猫的照片呢？

 

GAN 网络拥有两个组成部分，一个是生成模型 G，一个是判别模型 D。在训练过程中，会把生成模型生成的样本和真实样本随机地传送一张（或者一个 batch）给判别模型 D。判别模型 D 的目标是尽可能正确地识别出真实样本（输出为“真”，或者 1），和尽可能正确地揪出生成的样本，也就是假样本（输出为“假”，或者 0）。而生成模型的目标则和判别模型相反，就是尽可能最小化判别模型揪出它的概率。这样 G 和 D 就组成了一个 min-max game，在训练过程中双方都不断优化自己，直到达到平衡——双方都无法变得更好，也就是假样本与真样本完全不可区分。

就是要在最大化D的能力的前提下，最小化D对G的判断能力，这是一个最小最大值问题，它的学习目标是：minGmaxD E[logD(G(z))+log(1−D(x))]。为了增强D的能力，我们分别考虑输入真的图像和假的图像的情况。上式中第一项的D(G(z))处理的是假图像G(z)，这时候评分D(G(z))需要尽力降低；第二项处理的是真图像x，这时候的评分要高。

GAN的局限性

1. 没有用户控制（user control）能力

在传统的GAN里，输入一个随机噪声，就会输出一幅随机图像。但用户是有想法的，我们想输出的图像是我们想要的那种图像，和我们的输入是对应的、有关联的。

2. 低分辨率（Low resolution）和低质量（Low quality）问题

尽管生成的图片看起来很不错，但如果你放大看，就会发现细节相当模糊。

那么我们的目标就是：提高GAN的用户控制能力；提高GAN生成图片的分辨率和质量。为了达到这样的目标，总共分三步：

1.pix2pix：有条件地使用用户输入，它使用成对的数据（paired data）进行训练。

2.CycleGAN：使用不成对的数据（unpaired data）的就能训练。

3.pix2pixHD：生成高分辨率、高质量的图像。

• 判别器D：PatchGAN

• 传统的GAN中判别器对整张图片判断其真实性

• 实验发现，如果判别器对图片中的每一个片（patch）给出一个预测分类，能达到更

好的生成效果

• 文章中使用的patch大小为70 × 70

pix2pix对传统的GAN做了个小改动，它不再输入随机噪声，而是输入用户给的图片。但这也就产生了新的问题：我们怎样建立输入和输出的对应关系。为了体现这种对应关系，我们把G的输入和输出一起作为D的输入。

2.CycleGAN

pix2pix必须使用成对的数据进行训练。但很多情况下成对数据是很难获取到的，比如说，我们想把马变成斑马，现实生活中是不存在对应的真实照片的。现在我们就用Cycle-constraint Adversarial Network也就是CycleGAN解决这个问题。这种网络不需要成对的数据，只需要输入数据的一个集合和输出数据的一个集合就可以了。但是，直接使用不成对的数据是不奏效的。网络会直接忽略输入，随机产生输出！所以，我们还得对网络增加限制才行。

那怎么加限制呢？例如如果我们把马变成斑马，然后再变回马，那么最后的马和开始输入的马应该是一样的。

除了之前提到的把马变成斑马的网络G，我们还需要一个把斑马变回马的网络F。那么，一匹马x用G变成斑马s=G(x)，然后再用F把它变回马F(s)，得到的马和一开始的马应该是一样的，也就是x=F(G(x))。

反过来，斑马变马再变回斑马也要满足要求，注意这一步最好不要省略。虽然理论上只用一个条件是可以的，但是现实实现中，有很多因素，比如计算的准备度、优化的问题，应用中都是把所有约束都加上。

我们同时优化G和F，最后就能拿到一个想要的网络G。CycleGAN成功的原因在于它分离了风格（Style）和内容（content）。人工设计这种分离的算法是很难的，但有了神经网络，我们很容易让它学习者去自动保持内容而改变风格。

不过CycleGAN只能输出256p/512p的低分辨率图像，且学习容易过拟合。

3.pix2pixHD

分辨率和图像质量。假设我们输入一张高分辨率的草图，使用pix2pix，结果很差，因为网络产生高维数据输出很难。

pix2pixHD采取了金字塔式的方法：

1.先输出低分辨率的图片。

2.将之前输出的低分辨率图片作为另一个网络的输入，然后生成分辨率更高的图片。