使用Jittor实现Conditional GAN

2020/05/13 Tutorial

使用Jittor实现Conditional GAN

Generative Adversarial Nets（GAN）[1]提出了一种新的方法来训练生成模型。然而，GAN对于要生成的图片缺少控制。Conditional GAN（CGAN）[2]通过添加显式的条件或标签，来控制生成的图像。本教程讲解了CGAN的网络结构、损失函数设计、使用CGAN生成一串数字、从头训练CGAN、以及在mnist手写数字数据集上的训练结果。

CGAN网络架构

通过在生成器generator和判别器discriminator中添加相同的额外信息y，GAN就可以扩展为一个conditional模型。y可以是任何形式的辅助信息，例如类别标签或者其他形式的数据。我们可以通过将y作为额外输入层，添加到生成器和判别器来完成条件控制。

在生成器generator中，除了y之外，还额外输入随机一维噪声z，为结果生成提供更多灵活性。

损失函数

GAN的损失函数

在解释CGAN的损失函数之前，首先介绍GAN的损失函数。下面是GAN的损失函数设计。

对于判别器D，我们要训练最大化这个loss。如果D的输入是来自真实样本的数据x,则D的输出D(x)要尽可能地大，log(D(x))也会尽可能大。如果D的输入是来自G生成的假图片G(z)，则D的输出D(G(z))应尽可能地小，从而log(1-D(G(z))会尽可能地大。这样可以达到max D的目的。

对于生成器G，我们要训练最小化这个loss。对于G生成的假图片G(z)，我们希望尽可能地骗过D，让它觉得我们生成的图片就是真的图片，这样就达到了G“以假乱真”的目的。那么D的输出D(G(z))应尽可能地大，从而log(1-D(G(z))会尽可能地小。这样可以达到min G的目的。

D和G以这样的方式联合训练，最终达到G的生成能力越来越强，D的判别能力越来越强的目的。

CGAN的损失函数

下面是CGAN的损失函数设计。

很明显，CGAN的loss跟GAN的loss的区别就是多了条件限定y。D(x/y)代表在条件y下，x为真的概率。D(G(z/y))表示在条件y下，G生成的图片被D判别为真的概率。

Jittor代码数字生成

首先，我们导入需要的包，并且设置好所需的超参数：

import jittor as jt
from jittor import nn
import numpy as np
import pylab as pl

%matplotlib inline

# 隐空间向量长度
latent_dim = 100
# 类别数量
n_classes = 10
# 图片大小
img_size = 32
# 图片通道数量
channels = 1
# 图片张量的形状
img_shape = (channels, img_size, img_size)

第一步，定义生成器G。该生成器输入两个一维向量y和noise，生成一张图片。

class Generator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Generator, self).__init__()
        self.label_emb = nn.Embedding(n_classes, n_classes)

        def block(in_feat, out_feat, normalize=True):
            layers = [nn.Linear(in_feat, out_feat)]
            if normalize:
                layers.append(nn.BatchNorm1d(out_feat, 0.8))
            layers.append(nn.LeakyReLU(0.2))
            return layers
        self.model = nn.Sequential(
            *block((latent_dim + n_classes), 128, normalize=False), 
            *block(128, 256), 
            *block(256, 512), 
            *block(512, 1024), 
            nn.Linear(1024, int(np.prod(img_shape))), 
            nn.Tanh())

    def execute(self, noise, labels):
        gen_input = jt.contrib.concat((self.label_emb(labels), noise), dim=1)
        img = self.model(gen_input)
        img = img.view((img.shape[0], *img_shape))
        return img

第二步，定义判别器D。D输入一张图片和对应的y，输出是真图片的概率。

class Discriminator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Discriminator, self).__init__()
        self.label_embedding = nn.Embedding(n_classes, n_classes)
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear((n_classes + int(np.prod(img_shape))), 512), 
            nn.LeakyReLU(0.2), 
            nn.Linear(512, 512), 
            nn.Dropout(0.4), 
            nn.LeakyReLU(0.2), 
            nn.Linear(512, 512), 
            nn.Dropout(0.4), 
            nn.LeakyReLU(0.2), 
            nn.Linear(512, 1))

    def execute(self, img, labels):
        d_in = jt.contrib.concat((img.view((img.shape[0], (- 1))), self.label_embedding(labels)), dim=1)
        validity = self.model(d_in)
        return validity

第三步，使用CGAN生成一串数字。

代码如下。您可以使用您训练好的模型来生成图片，也可以使用我们提供的预训练参数： 模型预训练参数下载：https://cloud.tsinghua.edu.cn/d/fbe30ae0967942f6991c/。

# 下载提供的预训练参数
!wget https://cg.cs.tsinghua.edu.cn/jittor/assets/build/generator_last.pkl
!wget https://cg.cs.tsinghua.edu.cn/jittor/assets/build/discriminator_last.pkl

生成自定义的数字：

# 定义模型
generator = Generator()
discriminator = Discriminator()
generator.eval()
discriminator.eval()

# 加载参数
generator.load('./generator_last.pkl')
discriminator.load('./discriminator_last.pkl')

# 定义一串数字
number = "201962517"
n_row = len(number)
z = jt.array(np.random.normal(0, 1, (n_row, latent_dim))).float32().stop_grad()
labels = jt.array(np.array([int(number[num]) for num in range(n_row)])).float32().stop_grad()
gen_imgs = generator(z,labels)

pl.imshow(gen_imgs.numpy().transpose((1,2,0,3))[0].reshape((gen_imgs.shape[2], -1)))

生成结果如下,测试的完整代码在https://github.com/Jittor/gan-jittor/blob/master/models/cgan/test.py。

从头训练Condition GAN

从头训练 Condition GAN 的完整代码在https://github.com/Jittor/gan-jittor/blob/master/models/cgan/cgan.py， 让我们把他下载下来看看！

!wget https://raw.githubusercontent.com/Jittor/gan-jittor/master/models/cgan/cgan.py
!python3.7 ./cgan.py --help

# 选择合适的batch size，运行试试
# 运行命令： !python3.7 ./cgan.py --batch_size 8

下载下来的代码里面定义损失函数、数据集、优化器。损失函数采用MSELoss、数据集采用MNIST、优化器采用Adam 如下(此段代码仅仅用于解释意图，不能运行，需要运行请运行完整文件cgan.py)：

# 此段代码仅仅用于解释意图，不能运行，需要运行请运行完整文件cgan.py
# Define Loss
adversarial_loss = nn.MSELoss()

# Define Model
generator = Generator()
discriminator = Discriminator()

# Define Dataloader
from jittor.dataset.mnist import MNIST
import jittor.transform as transform
transform = transform.Compose([
    transform.Resize(opt.img_size),
    transform.Gray(),
    transform.ImageNormalize(mean=[0.5], std=[0.5]),
])
dataloader = MNIST(train=True, transform=transform).set_attrs(batch_size=opt.batch_size, shuffle=True)

optimizer_G = nn.Adam(generator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))
optimizer_D = nn.Adam(discriminator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))

模型训练的代码如下(此段代码仅仅用于解释意图，不能运行，需要运行请运行完整文件cgan.py)：

# 此段代码仅仅用于解释意图，不能运行，需要运行请运行完整文件cgan.py
# valid表示真，fake表示假
valid = jt.ones([batch_size, 1]).float32().stop_grad()
fake = jt.zeros([batch_size, 1]).float32().stop_grad()

# 真实图像和对应的标签
real_imgs = jt.array(imgs)
labels = jt.array(labels)

#########################################################
#   训练生成器G
#       - 希望生成的图片尽可能地让D觉得是valid
#########################################################

# 随机向量z和随机生成的标签
z = jt.array(np.random.normal(0, 1, (batch_size, opt.latent_dim))).float32()
gen_labels = jt.array(np.random.randint(0, opt.n_classes, batch_size)).float32()

# 随机向量z和随机生成的标签经过生成器G生成的图片，希望判别器能够认为生成的图片和生成的标签是一致的，以此优化生成器G的生成能力。
gen_imgs = generator(z, gen_labels)
validity = discriminator(gen_imgs, gen_labels)
g_loss = adversarial_loss(validity, valid)
g_loss.sync()
optimizer_G.step(g_loss)

#########################################################
#   训练判别器D
#       - 尽可能识别real_imgs为valid
#       - 尽可能识别gen_imgs为fake
#########################################################

# 真实的图片和标签经过判别器的结果，要尽可能接近valid。
validity_real = discriminator(real_imgs, labels)
d_real_loss = adversarial_loss(validity_real, valid)

# G生成的图片和对应的标签经过判别器的结果，要尽可能接近fake。
validity_fake = discriminator(gen_imgs.stop_grad(), gen_labels)
d_fake_loss = adversarial_loss(validity_fake, fake)

d_loss = (d_real_loss + d_fake_loss) / 2
d_loss.sync()
optimizer_D.step(d_loss)

MNIST数据集训练结果

下面展示了Jittor版CGAN在MNIST数据集的训练结果。下面分别是训练0 epoch和90 epoches的结果。

参考文献

[1] Goodfellow, Ian, et al. “Generative adversarial nets.” Advances in neural information processing systems. 2014.

[2] Mirza, Mehdi, and Simon Osindero. “Conditional generative adversarial nets.” arXiv preprint arXiv:1411.1784 (2014).

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