生成式對抗網絡（GAN）是近年來大熱的深度學習模型。最近正好有空看了這方面的一些論文，跑了一個GAN的代碼，於是寫了這篇文章來介紹一下GAN。
本文主要分爲三個部分：
- 介紹原始的GAN的原理
- 同樣非常重要的DCGAN的原理
- 如何在Tensorflow跑DCGAN的代碼，生成如題圖所示的動漫頭像，附送數據集哦 :-)
一、GAN原理介紹
說到GAN第一篇要看的paper當然是Ian Goodfellow大牛的Generative Adversarial Networks（arxiv：https://arxiv.org/abs/1406.2661），這篇paper算是這個領域的開山之作。
GAN的基本原理其實非常簡單，這裏以生成圖片爲例進行說明。假設我們有兩個網絡，G（Generator）和D（Discriminator）。正如它的名字所暗示的那樣，它們的功能分別是：
- G是一個生成圖片的網絡，它接收一個隨機的噪聲z，通過這個噪聲生成圖片，記做G(z)。
- D是一個判別網絡，判別一張圖片是不是“真實的”。它的輸入參數是x，x代表一張圖片，輸出D（x）代表x爲真實圖片的概率，如果爲1，就代表100%是真實的圖片，而輸出爲0，就代表不可能是真實的圖片。
在訓練過程中，生成網絡G的目標就是儘量生成真實的圖片去欺騙判別網絡D。而D的目標就是儘量把G生成的圖片和真實的圖片分別開來。這樣，G和D構成了一個動態的“博弈過程”。
最後博弈的結果是什麼？在最理想的狀態下，G可以生成足以“以假亂真”的圖片G(z)。對於D來說，它難以判定G生成的圖片究竟是不是真實的，因此D(G(z)) = 0.5。
這樣我們的目的就達成了：我們得到了一個生成式的模型G，它可以用來生成圖片。
以上只是大致說了一下GAN的核心原理，如何用數學語言描述呢？這裏直接摘錄論文裏的公式：
簡單分析一下這個公式：
- 整個式子由兩項構成。x表示真實圖片，z表示輸入G網絡的噪聲，而G(z)表示G網絡生成的圖片。
- D(x)表示D網絡判斷真實圖片是否真實的概率（因爲x就是真實的，所以對於D來說，這個值越接近1越好）。而D(G(z))是D網絡判斷G生成的圖片的是否真實的概率。
- G的目的：上面提到過，D(G(z))是D網絡判斷G生成的圖片是否真實的概率，G應該希望自己生成的圖片“越接近真實越好”。也就是說，G希望D(G(z))儘可能得大，這時V(D, G)會變小。因此我們看到式子的最前面的記號是min_G。
- D的目的：D的能力越強，D(x)應該越大，D(G(x))應該越小。這時V(D,G)會變大。因此式子對於D來說是求最大(max_D)
下面這幅圖片很好地描述了這個過程：
那麼如何用隨機梯度下降法訓練D和G？論文中也給出了算法：
這裏紅框圈出的部分是我們要額外注意的。第一步我們訓練D，D是希望V(G, D)越大越好，所以是加上梯度(ascending)。第二步訓練G時，V(G, D)越小越好，所以是減去梯度(descending)。整個訓練過程交替進行。
二、DCGAN原理介紹
我們知道深度學習中對圖像處理應用最好的模型是CNN，那麼如何把CNN與GAN結合？DCGAN是這方面最好的嘗試之一（論文地址：[1511.06434] Unsupervised Representation Learning with Deep Convolutional Generative Adversarial Networks）
DCGAN的原理和GAN是一樣的，這裏就不在贅述。它只是把上述的G和D換成了兩個卷積神經網絡（CNN）。但不是直接換就可以了，DCGAN對卷積神經網絡的結構做了一些改變，以提高樣本的質量和收斂的速度，這些改變有：
- 取消所有pooling層。G網絡中使用轉置卷積（transposed convolutional layer）進行上採樣，D網絡中用加入stride的卷積代替pooling。
- 在D和G中均使用batch normalization
- 去掉FC層，使網絡變爲全卷積網絡
- G網絡中使用ReLU作爲激活函數，最後一層使用tanh
- D網絡中使用LeakyReLU作爲激活函數
DCGAN中的G網絡示意：
三、DCGAN in Tensorflow
好了，上面說了一通原理，下面說點有意思的實踐部分的內容。
DCGAN的原作者用DCGAN生成LSUN的臥室圖片，這並不是特別有意思。之前在網上看到一篇文章 Chainerで顔イラストの自動生成 - Qiita ，是用DCGAN生成動漫人物頭像的，效果如下：
這是個很有趣的實踐內容。可惜原文是用Chainer做的，這個框架使用的人不多。下面我們就在Tensorflow中復現這個結果。
1. 原始數據集的蒐集
首先我們需要用爬蟲爬取大量的動漫圖片，原文是在這個網站：http://safebooru.donmai.us/中爬取的。我嘗試的時候，發現在我的網絡環境下無法訪問這個網站，於是我就寫了一個簡單的爬蟲爬了另外一個著名的動漫圖庫網站：konachan.net - Konachan.com Anime Wallpapers。
爬蟲代碼如下：
import requests
from bs4 import BeautifulSoup
import os
import traceback
def download(url, filename):
if os.path.exists(filename):
print('file exists!')
return
try:
r = requests.get(url, stream=True, timeout=60)
r.raise_for_status()
with open(filename, 'wb') as f:
for chunk in r.iter_content(chunk_size=1024):
if chunk: # filter out keep-alive new chunks
f.write(chunk)
f.flush()
return filename
except KeyboardInterrupt:
if os.path.exists(filename):
os.remove(filename)
raise KeyboardInterrupt
except Exception:
traceback.print_exc()
if os.path.exists(filename):
os.remove(filename)
if os.path.exists('imgs') is False:
os.makedirs('imgs')
start = 1
end = 8000
for i in range(start, end + 1):
url = 'http://konachan.net/post?page=%d&tags=' % i
html = requests.get(url).text
soup = BeautifulSoup(html, 'html.parser')
for img in soup.find_all('img', class_="preview"):
target_url = 'http:' + img['src']
filename = os.path.join('imgs', target_url.split('/')[-1])
download(target_url, filename)
print('%d / %d' % (i, end))
這個爬蟲大概跑了一天，爬下來12萬張圖片，大概是這樣的：
可以看到這裏面的圖片大多數比較雜亂，還不能直接作爲數據訓練，我們需要用合適的工具，截取人物的頭像進行訓練。
2. 頭像截取
截取頭像和原文一樣，直接使用github上一個基於opencv的工具：nagadomi/lbpcascade_animeface。
簡單包裝下代碼：
import cv2
import sys
import os.path
from glob import glob
def detect(filename, cascade_file="lbpcascade_animeface.xml"):
if not os.path.isfile(cascade_file):
raise RuntimeError("%s: not found" % cascade_file)
cascade = cv2.CascadeClassifier(cascade_file)
image = cv2.imread(filename)
gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
gray = cv2.equalizeHist(gray)
faces = cascade.detectMultiScale(gray,
# detector options
scaleFactor=1.1,
minNeighbors=5,
minSize=(48, 48))
for i, (x, y, w, h) in enumerate(faces):
face = image[y: y + h, x:x + w, :]
face = cv2.resize(face, (96, 96))
save_filename = '%s-%d.jpg' % (os.path.basename(filename).split('.')[0], i)
cv2.imwrite("faces/" + save_filename, face)
if __name__ == '__main__':
if os.path.exists('faces') is False:
os.makedirs('faces')
file_list = glob('imgs/*.jpg')
for filename in file_list:
detect(filename)
截取頭像後的人物數據：
這樣就可以用來訓練了！
如果你不想從頭開始爬圖片，可以直接使用我爬好的頭像數據（275M，約5萬多張圖片）：https://pan.baidu.com/s/1eSifHcA 提取碼：g5qa
3. 訓練
DCGAN在Tensorflow中已經有人造好了輪子：carpedm20/DCGAN-tensorflow，我們直接使用這個代碼就可以了。
不過原始代碼中只提供了有限的幾個數據庫，如何訓練自己的數據？在model.py中我們找到讀數據的幾行代碼：
if config.dataset == 'mnist':
data_X, data_y = self.load_mnist()
else:
data = glob(os.path.join("./data", config.dataset, "*.jpg"))
這樣讀數據的邏輯就很清楚了，我們在data文件夾中再新建一個anime文件夾，把圖片直接放到這個文件夾裏，運行時指定--dataset anime即可。
運行指令（參數含義：指定生成的圖片的尺寸爲48x48，我們圖片的大小是96x96，跑300個epoch）：
python main.py --image_size 96 --output_size 48 --dataset anime --is_crop True --is_train True --epoch 300 --input_fname_pattern "*.jpg"
4. 結果
第1個epoch跑完（只有一點點輪廓）：
第5個epoch之後的結果：
第10個epoch：
200個epoch，仔細看有些圖片確實是足以以假亂真的：
題圖是我從第300個epoch生成的。
四、總結和後續
簡單介紹了一下GAN和DCGAN的原理。以及如何使用Tensorflow做一個簡單的生成圖片的demo。
一些後續閱讀：
- Ian Goodfellow對GAN一系列工作總結的ppt，確實精彩，推薦：獨家 | GAN之父NIPS 2016演講現場直擊：全方位解讀生成對抗網絡的原理及未來（附PPT）
- GAN論文彙總，包含code：zhangqianhui/AdversarialNetsPapers