在这个系列中,我们尝试从能量的视角理解GAN。我们会发现这个视角如此美妙和直观,甚至让人拍案叫绝。

上一篇文章里,我们给出了一个直白而用力的能量图景,这个图景可以让我们轻松理解GAN的很多内容,换句话说,通俗的解释已经能让我们完成大部分的理解了,并且把最终的结论都已经写了出来。在这篇文章中,我们继续从能量的视角理解GAN,这一次,我们争取把前面简单直白的描述,用相对严密的数学语言推导一遍

跟第一篇文章一样,对于笔者来说,这个推导过程依然直接受启发于Benjio团队的新作《Maximum Entropy Generators for Energy-Based Models》

原作者的开源实现:https://github.com/ritheshkumar95/energy_based_generative_models

本文的大致内容如下:

1、推导了能量分布下的正负相对抗的更新公式;

2、比较了理论分析与实验采样的区别,而将两者结合便得到了GAN框架;

3、导出了生成器的补充loss,理论上可以防止mode collapse;

4、简单提及了基于能量函数的MCMC采样。

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30 Jan

“看那挖坑的人,有啥不一样~”

“看那挖坑的人,有啥不一样~”

在这个系列中,我们尝试从能量的视角理解GAN。我们会发现这个视角如此美妙和直观,甚至让人拍案叫绝。

本视角直接受启发于Benjio团队的新作《Maximum Entropy Generators for Energy-Based Models》,这篇文章前几天出现在arxiv上。当然,能量模型与GAN的联系由来已久,并不是这篇文章的独创,只不过这篇文章做得仔细和完善一些。另外本文还补充了自己的一些理解和思考上去,力求更为易懂和完整。

作为第一篇文章,我们先来给出一个直白的类比推导:GAN实际上就是一场前仆后继(前挖后跳?)的“挖坑”与“跳坑”之旅~

总的来说,本文的大致内容如下:

1、给出了GAN/WGAN的清晰直观的能量图像;

2、讨论了判别器(能量函数)的训练情况和策略;

3、指出了梯度惩罚一个非常漂亮而直观的能量解释;

4、讨论了GAN中优化器的选择问题。

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20 Jan

从Wasserstein距离、对偶理论到WGAN

推土机哪家强?成本最低找Wasserstein

推土机哪家强?成本最低找Wasserstein

2017年的时候笔者曾写过博文《互怼的艺术:从零直达WGAN-GP》,从一个相对通俗的角度来介绍了WGAN,在那篇文章中,WGAN更像是一个天马行空的结果,而实际上跟Wasserstein距离没有多大关系。

在本篇文章中,我们再从更数学化的视角来讨论一下WGAN。当然,本文并不是纯粹地讨论GAN,而主要侧重于Wasserstein距离及其对偶理论的理解。本文受启发于著名的国外博文《Wasserstein GAN and the Kantorovich-Rubinstein Duality》,内容跟它大体上相同,但是删除了一些冗余的部分,对不够充分或者含糊不清的地方作了补充。不管怎样,在此先对前辈及前辈的文章表示致敬。

注:完整理解本文,应该需要多元微积分、概率论以及线性代数等基础知识。还有,本文确实长,数学公式确实多,但是,真的不复杂、不难懂,大家不要看到公式就吓怕了~)

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26 Dec

【学习清单】最近比较重要的GAN进展论文

这篇文章简单列举一下我认为最近这段时间中比较重要的GAN进展论文,这基本也是我在学习GAN的过程中主要去研究的论文清单。

生成模型之味

GAN是一个大坑,尤其像我这样的业余玩家,一头扎进去很久也很难有什么产出,尤其是各个大公司拼算力搞出来一个个大模型,个人几乎都没法玩了。但我总觉得,真的去碰了生成模型,才觉得自己碰到了真正的机器学习。这一点,不管在图像中还是文本中都是如此。所以,我还是愿意去关注生成模型。

当然,GAN不是生成模型的唯一选择,却是一个非常有趣的选择。在图像中至少有GAN、flow、pixelrnn/pixelcnn这几种选择,但要说潜力,我还是觉得GAN才是最具前景的,不单是因为效果,主要是因为它那对抗的思想。而在文本中,事实上seq2seq机制就是一个概率生成模型了,而pixelrnn这类模型,实际上就是模仿着seq2seq来做的,当然也有用GAN做文本生成的研究(不过基本上都涉及到了强化学习)。也就是说,其实在NLP中,生成模型也有很多成果,哪怕你主要是研究NLP的,也终将碰到生成模型。

好了,话不多说,还是赶紧把清单列一列,供大家参考,也作为自己的备忘。

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10 Dec

BiGAN-QP:简单清晰的编码&生成模型

前不久笔者通过直接在对偶空间中分析的思路,提出了一个称为GAN-QP的对抗模型框架,它的特点是可以从理论上证明既不会梯度消失,又不需要L约束,使得生成模型的搭建和训练都得到简化。

GAN-QP是一个对抗框架,所以理论上原来所有的GAN任务都可以往上面试试。前面《不用L约束又不会梯度消失的GAN,了解一下?》一文中我们只尝试了标准的随机生成任务,而这篇文章中我们尝试既有生成器、又有编码器的情况:BiGAN-QP。

BiGAN与BiGAN-QP

注意这是BiGAN,不是前段时间很火的BigGAN,BiGAN是双向GAN(Bidirectional GAN),提出于《Adversarial feature learning》一文,同期还有一篇非常相似的文章叫做《Adversarially Learned Inference》,提出了叫做ALI的模型,跟BiGAN差不多。总的来说,它们都是往普通的GAN模型中加入了编码器,使得模型既能够具有普通GAN的随机生成功能,又具有编码器的功能,可以用来提取有效的特征。把GAN-QP这种对抗模式用到BiGAN中,就得到了BiGAN-QP。

话不多说,先来上效果图(左边是原图,右边是重构):

BiGAN-QP重构效果图

BiGAN-QP重构效果图

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20 Nov

不用L约束又不会梯度消失的GAN,了解一下?

不知道从什么时候开始,我发现我也掉到了GAN的大坑里边了,唉,争取早日能跳出来...

这篇博客介绍的是我最近提交到arxiv的一个关于GAN的新框架,里边主要介绍了一种对概率散度的新理解,并且基于这种理解推导出了一个新的GAN。整篇文章比较偏理论,对这个GAN的相关性质都做了完整的论证,自认为是一个理论完备的结果。

文章链接:https://arxiv.org/abs/1811.07296

先摆结论:

1、论文提供了一种分析和构造概率散度的直接思路,从而简化了构建新GAN框架的过程。

2、推导出了一个称为GAN-QP的GAN框架$\eqref{eq:gan-gp-gd}$,这个GAN不需要像WGAN那样的L约束,又不会有SGAN的梯度消失问题,实验表明它至少有不逊色于、甚至优于WGAN的表现。

GAN-QP效果图

GAN-QP效果图

论文的实验最大做到了512x512的人脸生成(CelebA HQ),充分表明了模型的有效性(效果不算完美,但是模型特别简单)。有兴趣的朋友,欢迎继续阅读下去。

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7 Nov

WGAN-div:一个默默无闻的WGAN填坑者

今天我们来谈一下Wasserstein散度,简称“W散度”。注意,这跟Wasserstein距离(Wasserstein distance,简称“W距离”,又叫Wasserstein度量、Wasserstein metric)是不同的两个东西。

本文源于论文《Wasserstein Divergence for GANs》,论文中提出了称为WGAN-div的GAN训练方案。这是一篇我很是欣赏却默默无闻的paper,我只是找文献时偶然碰到了它。不管英文还是中文界,它似乎都没有流行起来,但是我感觉它是一个相当漂亮的结果。

WGAN-div的部分样本(2w iter)

WGAN-div的部分样本(2w iter)

如果读者需要入门一下WGAN的相关知识,不妨请阅读拙作《互怼的艺术:从零直达WGAN-GP》

WGAN

我们知道原始的GAN(SGAN)会有可能存在梯度消失的问题,因此WGAN横空出世了。

W距离

WGAN引入了最优传输里边的W距离来度量两个分布的距离:
\begin{equation}W_c[\tilde{p}(x), q(x)] = \inf_{\gamma\in \Pi(\tilde{p}(x), q(x))} \mathbb{E}_{(x,y)\sim \gamma}[c(x,y)] \end{equation}
这里的$\tilde{p}(x)$是真实样本的分布,$q(x)$是伪造分布,$c(x,y)$是传输成本,论文中用的是$c(x,y)=\Vert x-y\Vert$;而$\gamma\in \Pi(\tilde{p}(x), q(x))$的意思是说:$\gamma$是任意关于$x, y$的二元分布,其边缘分布则为$\tilde{p}(x)$和$q(y)$。直观来看,$\gamma$描述了一个运输方案,而$c(x,y)$则是运输成本,$W_c[\tilde{p}(x), q(x)]$就是说要找到成本最低的那个运输方案所对应的成本作为分布度量。

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22 Oct

RSGAN:对抗模型中的“图灵测试”思想

这两天无意间发现一个非常有意义的工作,称为“相对GAN”,简称RSGAN,来自文章《The relativistic discriminator: a key element missing from standard GAN》,据说该文章还得到了GAN创始人Goodfellow的点赞。这篇文章提出了用相对的判别器来取代标准GAN原有的判别器,使得生成器的收敛更为迅速,训练更为稳定。

可惜的是,这篇文章仅仅从训练和实验角度对结果进行了论述,并没有进行更深入的分析,以至于不少人觉得这只是GAN训练的一个trick。但是在笔者来看,RSGAN具有更为深刻的含义,甚至可以看成它已经开创了一个新的GAN流派。所以,笔者决定对RSGAN模型及其背后的内涵做一个基本的介绍。不过需要指出的是,除了结果一样之外,本文的介绍过程跟原论文相比几乎没有重合之处。

“图灵测试”思想

SGAN

SGAN就是标准的GAN(Standard GAN)。就算没有做过GAN研究的读者,相信也从各种渠道了解到GAN的大概原理:“造假者”不断地进行造假,试图愚弄“鉴别者”;“鉴别者”不断提高鉴别技术,以分辨出真品和赝品。两者相互竞争,共同进步,直到“鉴别者”无法分辨出真、赝品了,“造假者”就功成身退了。

在建模时,通过交替训练实现这个过程:固定生成器,训练一个判别器(二分类模型),将真实样本输出1,将伪造样本输出0;然后固定判别器,训练生成器让伪造样本尽可能输出1,后面这一步不需要真实样本参与。

问题所在

然而,这个建模过程似乎对判别器的要求过于苛刻了,因为判别器是孤立运作的:训练生成器时,真实样本没有参与,所以判别器必须把关于真实样本的所有属性记住,这样才能指导生成器生成更真实的样本。

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