深度学习训练营之CGAN生成手势图像

原文链接

• 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营 中的学习记录博客
• 🍦 参考文章：365天深度学习训练营-第G3周：实现mnist手写数字识别
• 🍖 原作者：K同学啊|接辅导、项目定制

CGAN简单介绍

和前面所提及的文章一样,在 CGAN 中，生成器(Generator) 和 判别器（Discriminato都接收条件信息。生成器的目标是生成与条件信息相关的合成样本，而判别器的目标是将生成的样本与真实样本区分开来。二者之间通过不断的学习,不断提高自身的判别能力以及生成能力
当生成器和判别器通过反馈循环不断地进行训练时，生成器会逐渐学会如何生成符合条件信息的样本，而判别器则会逐渐变得更加准确。在二者达到一个平衡点时就能停止训练

根据网络结构可知，条件信息$y$作为额外的输入被引入对抗网络中，与生成器$G$中的噪声$z$合并作为隐含层表达；
而在判别器$D$中，条件信息y则与原始数据x合并作为判别函数的输入。

环境介绍

• 语言环境：Python3.9.12
• 编译器：jupyter notebook
• 深度学习环境：TensorFlow2

前置工作

数据

百度网盘:https://pan.baidu.com/s/1thsYtu_1bzd2yel0K97hYA?pwd=7e3q
将下载的数据集放到运行文件所在目录的data文件夹当中,data文件夹当中设置rps文件夹来放置图片
,同时设置文件夹images_GAN3为后续的训练做准备

运行文件生成手势图像.ipynb的目录下创建一个training_weights的文件夹

导入所需的包

import torch
import numpy as np
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.autograd import Variable
from torchvision.utils import save_image
from torchvision.utils import make_grid
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchsummary import summary
import matplotlib.pyplot as plt

加载数据

dataroot = "./data/rps"  # 数据路径
batch_size = 128  # 训练过程中的批次大小
image_size = 128   # 图像的尺寸（宽度和高度）
image_shape = (3, 128, 128)
image_dim = int(np.prod(image_shape))
latent_dim = 100
n_classes = 3     # 条件标签的总数
embedding_dim = 100

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

创建数据集

生成训练所用的数据集,并且创建数据加载器

train_dataset = datasets.ImageFolder(root=dataroot,
                           transform=transforms.Compose([
                           transforms.Resize(image_size),        # 调整图像大小
                           transforms.ToTensor(),                # 将图像转换为张量
                           transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), # 标准化图像张量
                                                (0.5, 0.5, 0.5)),
                           ]))

# 创建数据加载器
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, 
                                         batch_size=batch_size,  # 批量大小
                                         shuffle=True,           # 是否打乱数据集
                                         num_workers=6 # 使用多个线程加载数据的工作进程数
                                        )

查看数据集

def show_images(images):
    fig, ax = plt.subplots(figsize=(20, 20))
    ax.set_xticks([]); ax.set_yticks([])
    ax.imshow(make_grid(images.detach(), nrow=22).permute(1, 2, 0))

def show_batch(dl):
    for images, _ in dl:
        show_images(images)
        break
        
show_batch(train_loader)

模型设置

初始化模型的权重

# 自定义权重初始化函数，用于初始化生成器和判别器的权重
def weights_init(m):
    # 获取当前层的类名
    classname = m.__class__.__name__

    # 如果当前层是卷积层（类名中包含 'Conv' ）
    if classname.find('Conv') != -1:
        # 使用正态分布随机初始化权重，均值为0，标准差为0.02
        torch.nn.init.normal_(m.weight, 0.0, 0.02)
    
    # 如果当前层是批归一化层（类名中包含 'BatchNorm' ）
    elif classname.find('BatchNorm') != -1:
        # 使用正态分布随机初始化权重，均值为1，标准差为0.02
        torch.nn.init.normal_(m.weight, 1.0, 0.02)
        # 将偏置项初始化为全零
        torch.nn.init.zeros_(m.bias)

定义生成器

class Generator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Generator, self).__init__()

        # 定义条件标签的生成器部分，用于将标签映射到嵌入空间中
        # n_classes：条件标签的总数
        # embedding_dim：嵌入空间的维度
        self.label_conditioned_generator = nn.Sequential(
            nn.Embedding(n_classes, embedding_dim),  # 使用Embedding层将条件标签映射为稠密向量
            nn.Linear(embedding_dim, 16)             # 使用线性层将稠密向量转换为更高维度
        )

        # 定义潜在向量的生成器部分，用于将噪声向量映射到图像空间中
        # latent_dim：潜在向量的维度
        self.latent = nn.Sequential(
            nn.Linear(latent_dim, 4*4*512),  # 使用线性层将潜在向量转换为更高维度
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True)  # 使用LeakyReLU激活函数进行非线性映射
        )

        # 定义生成器的主要结构，将条件标签和潜在向量合并成生成的图像
        self.model = nn.Sequential(
            # 反卷积层1：将合并后的向量映射为64x8x8的特征图
            nn.ConvTranspose2d(513, 64*8, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(64*8, momentum=0.1, eps=0.8),  # 批标准化
            nn.ReLU(True),  # ReLU激活函数
            # 反卷积层2：将64x8x8的特征图映射为64x4x4的特征图
            nn.ConvTranspose2d(64*8, 64*4, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(64*4, momentum=0.1, eps=0.8),
            nn.ReLU(True),
            # 反卷积层3：将64x4x4的特征图映射为64x2x2的特征图
            nn.ConvTranspose2d(64*4, 64*2, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(64*2, momentum=0.1, eps=0.8),
            nn.ReLU(True),
            # 反卷积层4：将64x2x2的特征图映射为64x1x1的特征图
            nn.ConvTranspose2d(64*2, 64*1, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(64*1, momentum=0.1, eps=0.8),
            nn.ReLU(True),
            # 反卷积层5：将64x1x1的特征图映射为3x64x64的RGB图像
            nn.ConvTranspose2d(64*1, 3, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.Tanh()  # 使用Tanh激活函数将生成的图像像素值映射到[-1, 1]范围内
        )

    def forward(self, inputs):
        noise_vector, label = inputs
        # 通过条件标签生成器将标签映射为嵌入向量
        label_output = self.label_conditioned_generator(label)
        # 将嵌入向量的形状变为（batch_size, 1, 4, 4），以便与潜在向量进行合并
        label_output = label_output.view(-1, 1, 4, 4)
        # 通过潜在向量生成器将噪声向量映射为潜在向量
        latent_output = self.latent(noise_vector)
        # 将潜在向量的形状变为（batch_size, 512, 4, 4），以便与条件标签进行合并
        latent_output = latent_output.view(-1, 512, 4, 4)
        
        # 将条件标签和潜在向量在通道维度上进行合并，得到合并后的特征图
        concat = torch.cat((latent_output, label_output), dim=1)
        # 通过生成器的主要结构将合并后的特征图生成为RGB图像
        image = self.model(concat)
        return image
    
generator = Generator().to(device)
generator.apply(weights_init)
print(generator)

Clipping input data to the valid range for imshow with RGB data ([0..1] for floats or [0..255] for integers).

Generator(
  (label_conditioned_generator): Sequential(
    (0): Embedding(3, 100)
    (1): Linear(in_features=100, out_features=16, bias=True)
  )
  (latent): Sequential(
    (0): Linear(in_features=100, out_features=8192, bias=True)
    (1): LeakyReLU(negative_slope=0.2, inplace=True)
  )
  (model): Sequential(
    (0): ConvTranspose2d(513, 512, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
    (1): BatchNorm2d(512, eps=0.8, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (2): ReLU(inplace=True)
    (3): ConvTranspose2d(512, 256, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
    (4): BatchNorm2d(256, eps=0.8, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (5): ReLU(inplace=True)
    (6): ConvTranspose2d(256, 128, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
    (7): BatchNorm2d(128, eps=0.8, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (8): ReLU(inplace=True)
    (9): ConvTranspose2d(128, 64, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
    (10): BatchNorm2d(64, eps=0.8, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (11): ReLU(inplace=True)
    (12): ConvTranspose2d(64, 3, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
    (13): Tanh()
  )
)

构造判别器

class Discriminator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Discriminator, self).__init__()

        # 定义一个条件标签的嵌入层，用于将类别标签转换为特征向量
        self.label_condition_disc = nn.Sequential(
            nn.Embedding(n_classes, embedding_dim),     # 嵌入层将类别标签编码为固定长度的向量
            nn.Linear(embedding_dim, 3*128*128)         # 线性层将嵌入的向量转换为与图像尺寸相匹配的特征张量
        )
        
        # 定义主要的鉴别器模型
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(6, 64, 4, 2, 1, bias=False),       # 输入通道为6（包含图像和标签的通道数），输出通道为64，4x4的卷积核，步长为2，padding为1
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),             # LeakyReLU激活函数，带有负斜率，增加模型对输入中的负值的感知能力
            nn.Conv2d(64, 64*2, 4, 3, 2, bias=False),    # 输入通道为64，输出通道为64*2，4x4的卷积核，步长为3，padding为2
            nn.BatchNorm2d(64*2, momentum=0.1, eps=0.8),  # 批量归一化层，有利于训练稳定性和收敛速度
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Conv2d(64*2, 64*4, 4, 3, 2, bias=False),  # 输入通道为64*2，输出通道为64*4，4x4的卷积核，步长为3，padding为2
            nn.BatchNorm2d(64*4, momentum=0.1, eps=0.8),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Conv2d(64*4, 64*8, 4, 3, 2, bias=False),  # 输入通道为64*4，输出通道为64*8，4x4的卷积核，步长为3，padding为2
            nn.BatchNorm2d(64*8, momentum=0.1, eps=0.8),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Flatten(),                               # 将特征图展平为一维向量，用于后续全连接层处理
            nn.Dropout(0.4),                            # 随机失活层，用于减少过拟合风险
            nn.Linear(4608, 1),                         # 全连接层，将特征向量映射到输出维度为1的向量
            nn.Sigmoid()                                # Sigmoid激活函数，用于输出范围限制在0到1之间的概率值
        )

    def forward(self, inputs):
        img, label = inputs
        
        # 将类别标签转换为特征向量
        label_output = self.label_condition_disc(label)
        # 重塑特征向量为与图像尺寸相匹配的特征张量
        label_output = label_output.view(-1, 3, 128, 128)
        
        # 将图像特征和标签特征拼接在一起作为鉴别器的输入
        concat = torch.cat((img, label_output), dim=1)
        
        # 将拼接后的输入通过鉴别器模型进行前向传播，得到输出结果
        output = self.model(concat)
        return output
    
discriminator = Discriminator().to(device)
discriminator.apply(weights_init)
print(discriminator)

模型训练

定义损失函数

使用的是BCELoss()
$$Loss=-w\ast [p\ast log(q)+(1-p)\ast log(1-q)]$$，其中$p$、$q$分别为理论标签、实际预测值，$w$为权重。这里的$log$对应数学上的$ln$。

torch.nn.BCELoss(weight=None, size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)
计算目标值和预测值之间的二进制交叉熵损失函数。

有四个可选参数：weight、size_average、reduce、reduction

adversarial_loss = nn.BCELoss() 

def generator_loss(fake_output, label):
    gen_loss = adversarial_loss(fake_output, label)
    return gen_loss

def discriminator_loss(output, label):
    disc_loss = adversarial_loss(output, label)
    return disc_loss

设置超参数

设置学习率以及优化器

learning_rate = 0.0002

G_optimizer = optim.Adam(generator.parameters(),     lr = learning_rate, betas=(0.5, 0.999))
D_optimizer = optim.Adam(discriminator.parameters(), lr = learning_rate, betas=(0.5, 0.999))

正式开始训练

每10轮就进行对生成图像的保存

# 设置训练的总轮数
num_epochs = 100
# 初始化用于存储每轮训练中判别器和生成器损失的列表
D_loss_plot, G_loss_plot = [], []

# 循环进行训练
for epoch in range(1, num_epochs + 1):
    
    # 初始化每轮训练中判别器和生成器损失的临时列表
    D_loss_list, G_loss_list = [], []
    
    # 遍历训练数据加载器中的数据
    for index, (real_images, labels) in enumerate(train_loader):
        # 清空判别器的梯度缓存
        D_optimizer.zero_grad()
        # 将真实图像数据和标签转移到GPU（如果可用）
        real_images = real_images.to(device)
        labels      = labels.to(device)
        
        # 将标签的形状从一维向量转换为二维张量（用于后续计算）
        labels = labels.unsqueeze(1).long()
        # 创建真实目标和虚假目标的张量（用于判别器损失函数）
        real_target = Variable(torch.ones(real_images.size(0), 1).to(device))
        fake_target = Variable(torch.zeros(real_images.size(0), 1).to(device))

        # 计算判别器对真实图像的损失
        D_real_loss = discriminator_loss(discriminator((real_images, labels)), real_target)
        
        # 从噪声向量中生成假图像（生成器的输入）
        noise_vector = torch.randn(real_images.size(0), latent_dim, device=device)
        noise_vector = noise_vector.to(device)
        generated_image = generator((noise_vector, labels))
        
        # 计算判别器对假图像的损失（注意detach()函数用于分离生成器梯度计算图）
        output = discriminator((generated_image.detach(), labels))
        D_fake_loss = discriminator_loss(output, fake_target)

        # 计算判别器总体损失（真实图像损失和假图像损失的平均值）
        D_total_loss = (D_real_loss + D_fake_loss) / 2
        D_loss_list.append(D_total_loss)

        # 反向传播更新判别器的参数
        D_total_loss.backward()
        D_optimizer.step()

        # 清空生成器的梯度缓存
        G_optimizer.zero_grad()
        # 计算生成器的损失
        G_loss = generator_loss(discriminator((generated_image, labels)), real_target)
        G_loss_list.append(G_loss)

        # 反向传播更新生成器的参数
        G_loss.backward()
        G_optimizer.step()

    # 打印当前轮次的判别器和生成器的平均损失
    print('Epoch: [%d/%d]: D_loss: %.3f, G_loss: %.3f' % (
            (epoch), num_epochs, torch.mean(torch.FloatTensor(D_loss_list)), 
            torch.mean(torch.FloatTensor(G_loss_list))))
    
    # 将当前轮次的判别器和生成器的平均损失保存到列表中
    D_loss_plot.append(torch.mean(torch.FloatTensor(D_loss_list)))
    G_loss_plot.append(torch.mean(torch.FloatTensor(G_loss_list)))

    if epoch%10 == 0:
        # 将生成的假图像保存为图片文件
        save_image(generated_image.data[:50], './data/images_GAN3/sample_%d' % epoch + '.png', nrow=5, normalize=True)
        # 将当前轮次的生成器和判别器的权重保存到文件
        torch.save(generator.state_dict(), './training_weights/generator_epoch_%d.pth' % (epoch))
        torch.save(discriminator.state_dict(), './training_weights/discriminator_epoch_%d.pth' % (epoch))

结果可视化

plt.figure(figsize=(10,5))
plt.title("Generator and Discriminator Loss During Training")
plt.plot(G_loss_plot,label="G")
plt.plot(D_loss_plot,label="D")
plt.xlabel("iterations")
plt.ylabel("Loss")
plt.legend()
plt.show()

这是我训练出来的结果