GAN 简介

GAN

原理：

​GAN 的主要灵感来源于博弈论中零和博弈的思想，应用到深度学习神经网络上来说，就是通过生成网络 G（Generator）和判别网络 D（Discriminator）不断博弈，进而使 G 学习到数据的分布，如果用到图片生成上，则训练完成后，G 可以从一段随机数中生成逼真的图像。

• G 是一个生成网络，其输入为一个随机噪音，在训练中捕获真实数据的分布，从而生成尽可能真实的数据并让 D 犯错
• D 是一个判别网络，判别生成的数据是不是“真实的”。它的输入参数是 x，输出 D(x) 代表 x 为真实数据的概率，如果为 1，就代表 100% 是真实的数据，而输出为 0，就代表不可能是真实的数据

为了从数据 x 中学习到生成器的分布 \(p_g\)，我们定义一个输入噪音变量 \(p_z(z)\)，然后将其映射到数据空间得到 \(G(z;\theta_g)\)。\(D(x; \theta_d)\) 输出是一个数，代表 \(x\) 来自真实数据而不是 \(p_g\) 的概率。

\[\begin{aligned}
&\min_G \max_D V(D,G) = E_{x∼p_{data}(x)}[log(D(x))]+E_{z∼p_{z}(z)}[log(1−D(G(z)))] \qquad ①\\
&训练 D 来最大化辨别能力：\quad \max_D V(D,G)=E_{x∼p_{data}(x)}[log(D(x))]+E_{z∼p_z(z)}[log(1−D(G(z)))]\qquad② \\
&训练 G 来最小化log(1−D(G(z)))：\quad \min_G V(D,G)=E_{z∼p_z(z)}[log(1−D(G(z)))]\qquad③ \\
\end{aligned}
\]

注：\(\max_D\) 表示令 \(D(x)\) 尽可能大以便找出真实数据，而令 \(D(G(z))\) 尽可能小以便区分出伪造数据，最后导致 ② 式尽可能大；\(\min_G\) 表示令 \(D(G(z))\) 尽可能大从而混淆判别器，最后导致 ③ 式尽可能小。训练早期，G 的拟合程度很低，D 可以被训练得很好，导致 log(1-D(G(z))) 趋于 0，进而使回传梯度很小，导致训练效果不行。因此，比起 minimize log(1-D(G(z)))，maximize log(D(G(z))) 会更好。

注：将随机噪音 z 映射到 x 上（x = G(z)），使 x 尽可能拟合真实数据 data 的分布。绿色实线为生成的数据 p_g，黑色点为真实数据 p_data，蓝色虚线为判别器 D。每次训练 G 都使 p_g 尽可能拟合 p_data，而判别器 D 则会调整从而尽可能将 p_g 和 p_data 区分开。当 D(x) = 0.5 时，判别器将无法区分真假。

算法：

小结：

命题1：当 G 被固定住时，最优的辨别器 D 如下

\[D_G^*(x) = \frac{p_{data}(x)}{p_{data}(x)+p_g(x)} = \frac{1}{2} \in [0, 1]
\]

证明：

\[\begin{aligned}
&E_{x∼p}f(x) = \int_xp(x)f(x)dx \qquad x = g(z) \\
&V(G, D) = \int_x p_{data}(x)\log{(D(x))}dx + \int_zp_z(z)\log{(1-D(g(z)))}dz = \int_x p_{data}(x)\log{(D(x))} + p_g(x)\log{(1-D(x))}dx\\
&记：V(G, D) = \int_x a \cdot \log(y) + b \cdot \log{(1-y)} dx\qquad \\
&则函数 \quad y \rightarrow a \cdot \log(y) + b \cdot \log{(1-y)} 在 [0, 1]里最大值为：\quad \frac{a}{a+b} = \frac{p_{data}(x)}{p_{data}(x)+p_g(x)}
\end{aligned}
\]

定理1：当且仅当 \(p_g\) = \(p_{data}\) 时， C(G) 取得全局最小值，为 -log4

\[\begin{aligned}
C(G) &= \max_DV(G, D) = E_{x∼p_{data}}[log(D_G^*(x))]+E_{z∼p_z}[log(1−D_G^*(G(z)))]\\
&= E_{x∼p_{data}}[log(D_G^*(x))]+E_{x∼p_g}[log(1−D_G^*(x)] = E_{x∼p_{data}}[log\frac{p_{data}(x)}{p_{data}(x)+ p_g(x)}]+E_{x∼p_g}[log\frac{p_g(x)}{p_{data}(x)+ p_g(x)}]\\
\end{aligned}
\]

KL 散度：KL(p||q) = \(E_{x∼p}\log{\frac{p(x)}{q(x)}}\)

证明：

\[\begin{aligned}
&E_{x∼p_{data}}[-\log2] + E_{x∼p_g}[-\log2] = -\log4，则 \\
&C(G) = -\log(4) + KL(p_{data} || \frac{p_{data} + p_g}{2}) + KL(p_g || \frac{p_{data} + p_g}{2})
= -\log(4) + 2 \cdot JSD(p_{data} || p_g) \\
&由于 JSD 非负，且仅当其两个参数相等时才为 0，故，当 p_{data} = p_g 时 C(G) 取最小值为 -\log(4)
\end{aligned}
\]

命题2：当 G 和 D 有足够容量，且算法 1 中我们允许每一步 D 是可以达到他的最优解。那么如果我们对 G 的优化是去迭代下面这一步骤，则 p_g 会收敛到 p_{data}

\[E_{x∼p_{data}}[\log{D_G^*(x)}] + E_{x∼p_g}[\log{(1 - D_G^*(x))}]
\]

优缺点：

特点：

• 相比较传统的模型，GAN 存在两个不同的网络，而不是单一的网络，并且训练方式采用的是对抗训练方式
• GAN 中 G 的梯度更新信息来自判别器 D，而不是来自数据样本

优点：

• GAN 是一种生成式模型，相比较其他生成模型（玻尔兹曼机和GSNs）只用到了反向传播，而不需要复杂的马尔科夫链
• 相比其他所有模型, GAN 可以产生更加清晰、真实的样本

对 f 期望的求导等价于对 f 自己求导 => 通过误差的反向传递对 GAN 进行求解：\(\lim_{\sigma\rightarrow0}\nabla_xE_{\epsilon∼N(0, \sigma^2I)}f(x+\epsilon) = \nabla_xf(x)\)

• GAN 采用的是一种无监督学习方式训练，可以被广泛用在无监督学习和半监督学习领域。但却用一个有监督学习的损失函数来做无监督学习，在训练上会高效很多
• 相比于变分自编码器(VAE)，GANs 没有引入任何决定性偏置( deterministic bias)，变分方法引入决定性偏置。因为他们优化对数似然的下界，而不是似然度本身，这导致了 VAEs 生成的实例比 GANs 更模糊
• 相比 VAE，GANs 没有变分下界，如果鉴别器训练良好，那么生成器可以完美的学习到训练样本的分布。换句话说，GANs 是渐进一致的，而 VAE 是有偏差的

由于 GAN 的无监督，在生成过程中，G 就会按照自己的意思天马行空生成一些“诡异”的图片，可怕的是 D 还可能给一个很高的分数。这就是无监督目的性不强所导致的，所以在同年的NIPS大会上，有一篇论文 conditional GAN 就加入了监督性进去，将可控性增强，表现效果也好很多

缺点：

• 训练GAN需要达到纳什均衡，有时候可以用梯度下降法做到，但有时候做不到。我们还没有找到很好的达到纳什均衡的方法，所以训练 GAN 相比 VAE 或者 PixelRNN 是不稳定的，但我认为在实践中它还是比训练玻尔兹曼机稳定的多
• GAN 不适合处理离散形式的数据，比如文本
• GAN 存在训练不稳定、梯度消失、模式崩溃的问题（目前已解决）

GAN 的目的是在高维非凸的参数空间中找到纳什均衡点，GAN 的纳什均衡点是一个鞍点，但是 SGD 只会找到局部极小值，因为 SGD 解决的是一个寻找最小值的问题，GAN 是一个博弈问题。同时，SGD容易震荡，容易使GAN训练不稳定。因此，GAN 中的优化器不常用 SGD

补充：Generative Adversarial Net、GAN（生成对抗神经网络）原理解析、简单理解与实验生成对抗网络GAN、blogs from CSDN