《python深度学习》笔记---8.5、生成式对抗网络简介
一、总结
一句话总结：
【gan可以替代VAE来学习图像的潜在空间，它能够迫使生成图像与真实图像在统计上几乎无法区分】：生成式对抗网络（GAN，generative adversarial network）由Goodfellow 等人于2014 年提 出 a，它可以替代VAE 来学习图像的潜在空间。它能够迫使生成图像与真实图像在统计上几乎无 法区分，从而生成相当逼真的合成图像。
1、GAN 的工作原理？
【打败彼此】：GAN有一个伪造者网络和一个专家网络，二者训练的目的都是为了打败彼此。因此，GAN 由以下两部分组成。
【生成器网络（generator network）】：它以一个随机向量（潜在空间中的一个随机点）作 为输入，并将其解码为一张合成图像。
【判别器网络（discriminator network）或对手（adversary）】：以一张图像（真实的或合成的 均可）作为输入，并预测该图像是来自训练集还是由生成器网络创建。
2、值得注意的是，GAN 这个系统与本书中其他任何训练方法都不同，它的优化最小值是不固 定的？
【对于GAN而言，每下山一步，都会对整个地形造成一点改变】：通常来说，梯度下降是沿着静态的损失地形滚下山坡。但对于GAN 而言，每下山一步， 都会对整个地形造成一点改变。
【寻求两股力量之间的平衡】：它是一个动态的系统，其最优化过程寻找的不是一个最小值， 而是两股力量之间的平衡。
【GAN的训练极其困难】：因此，GAN的训练极其困难，想要让GAN 正常运行，需要对模型 架构和训练参数进行大量的仔细调整。
3、DCGAN？
【生成器和判别器都是深度卷积神经网络的GAN】：深度卷积生成式对抗网络（DCGAN，deep convolutional GAN），即生成器和判别器都是深度卷积神经网络的GAN。
【生成器中使用Conv2DTranspose层进行图像上采样】：特别地，它在生成器中 使用 Conv2DTranspose 层进行图像上采样。
4、GAN 的简要实现流程？
(1) generator网络将形状为(latent_dim,)的向量映射到形状为(32, 32, 3)的图像。 (2) discriminator 网络将形状为 (32, 32, 3) 的图像映射到一个二进制分数，用于评 估图像为真的概率。
(3) gan 网络将 generator 网络和 discriminator 网络连接在一起：gan(x) = discriminator (generator(x))。生成器将潜在空间向量解码为图像，判别器对这些图像的真实性进 行评估，因此这个 gan 网络是将这些潜在向量映射到判别器的评估结果。
(4) 我们使用带有“真”/“假”标签的真假图像样本来训练判别器，就和训练普通的图像 分类模型一样。
(5) 为了训练生成器，我们要使用 gan 模型的损失相对于生成器权重的梯度。这意味着， 在每一步都要移动生成器的权重，其移动方向是让判别器更有可能将生成器解码的图像 划分为“真”。换句话说，我们训练生成器来欺骗判别器。
5、gan的随机性能够提高稳健性，那么如何在gan中加入随机性？
【一种是在判别器中使用dropout，另一种是向判别器的标签添加随机噪声】：训练GAN得到的是一个动态平衡，所以GAN可能以各种方式“卡 住”。在训练过程中引入随机性有助于防止出现这种情况。我们通过两种方式引入随机性： 一种是在判别器中使用 dropout，另一种是向判别器的标签添加随机噪声
6、稀疏性在深度学习中的使用情况？
在深度学习中，稀疏性通常是我们需要的属性，但在 GAN 中并非如此。
7、深度学习中可能导致梯度稀疏的两种情况？
最大池化运算和 ReLU 激活
8、为什么gan中使用步进卷积代替最大池化来进行下采样？
【在深度学习中，稀疏性通常是我们需要的属性，但在 GAN 中并非如此】：有两件事情可能导致梯度稀疏：最大池化运算和 ReLU 激活。我们推 荐使用步进卷积代替最大池化来进行下采样，还推荐使用 LeakyReLU 层来代替 ReLU 激 活。LeakyReLU 和 ReLU 类似，但它允许较小的负数激活值，从而放宽了稀疏性限制。
9、为什么gan中使用 LeakyReLU 层来代替 ReLU 激 活？
【在深度学习中，稀疏性通常是我们需要的属性，但在 GAN 中并非如此】：有两件事情可能导致梯度稀疏：最大池化运算和 ReLU 激活。我们推 荐使用步进卷积代替最大池化来进行下采样，还推荐使用 LeakyReLU 层来代替 ReLU 激 活。LeakyReLU 和 ReLU 类似，但它允许较小的负数激活值，从而放宽了稀疏性限制。
10、GAN 训练的大量技巧？
【tanh激活函数和正态分布】：我们使用 tanh 作为生成器最后一层的激活，而不用 sigmoid，后者在其他类型的模型中 更加常见。我们使用正态分布（高斯分布）对潜在空间中的点进行采样，而不用均匀分布。
【随机性能够提高稳健性】：训练GAN得到的是一个动态平衡，所以GAN可能以各种方式“卡 住”。在训练过程中引入随机性有助于防止出现这种情况。我们通过两种方式引入随机性： 一种是在判别器中使用 dropout，另一种是向判别器的标签添加随机噪声。
【稀疏的梯度会妨碍GAN的训练】：在深度学习中，稀疏性通常是我们需要的属性，但在 GAN 中并非如此。有两件事情可能导致梯度稀疏：最大池化运算和 ReLU 激活。我们推 荐使用步进卷积代替最大池化来进行下采样，还推荐使用 LeakyReLU 层来代替 ReLU 激 活。LeakyReLU 和 ReLU 类似，但它允许较小的负数激活值，从而放宽了稀疏性限制。
【棋盘状伪影是由生成器中像素空间的不均匀覆盖导致的】：在生成的图像中，经常会见到棋盘状伪影，这是由生成器中像素空间的不均匀覆盖导致的。为了解决这个问题，每当在生成器和判别器中都使用步进的 Conv2DTranpose 或 Conv2D 时，使用的内核大小要能够被步幅大小整除。
11、gan的生成器 和 判别器？
【将一个向量转换为一张候选图像】：首先，我们来开发 generator 模型，它将一个向量（来自潜在空间，训练过程中对其随机 采样）转换为一张候选图像。
【判别器和生成器中都使用dropout】：GAN 常见的诸多问题之一，就是生成器“卡在”看似噪声的生成 图像上。一种可行的解决方案是在判别器和生成器中都使用 dropout。
【判别器将图片划分到两个分类】：接下来，我们来开发 discriminator 模型，它接收一张候选图像（真实的或合成的）作 为输入，并将其划分到这两个类别之一：“生成图像”或“来自训练集的真实图像”。
12、生成器训练时要将判别器冻结？
请注意，有一点很重要，就是在 训练过程中需要将判别器设置为冻结（即不可训练），这样在训练 gan 时它的权重才不会更新。
13、DCGAN每轮循环的大致流程？
(1) 从潜在空间中抽取随机的点（随机噪声）。 (2) 利用这个随机噪声用 generator 生成图像。 (3) 将生成图像与真实图像混合。
(4) 使用这些混合后的图像以及相应的标签（真实图像为“真”，生成图像为“假”）来训练 discriminator
(5) 在潜在空间中随机抽取新的点。
(6) 使用这些随机向量以及全部是“真实图像”的标签来训练 gan。这会更新生成器的权重 （只更新生成器的权重，因为判别器在 gan 中被冻结），其更新方向是使得判别器能够 将生成图像预测为“真实图像”。这个过程是训练生成器去欺骗判别器。
14、gan训练的时候，如果出现 对抗损失开始大幅增加，而判别损失则趋向于零，即判别器最终支配了生成器，该怎么办？
【减小判别器的学习率，并增大判别器的dropout比率】：如果出现了这种情况，你可以尝试减小判别器的学习率，并增大判别器的 dropout 比率。
15、gan 小结？
【GAN 由一个生成器网络和一个判别器网络组成】：判别器的训练目的是能够区分生成器的 输出与来自训练集的真实图像，生成器的训练目的是欺骗判别器。值得注意的是，生成 器从未直接见过训练集中的图像，它所知道的关于数据的信息都来自于判别器。
【GAN 很难训练，因为训练GAN 是一个动态过程】：而不是具有固定损失的简单梯度下降 过程。想要正确地训练 GAN，需要使用一些启发式技巧，还需要大量的调节。
【GAN 可能会生成非常逼真的图像】：但与VAE 不同，GAN 学习的潜在空间没有整齐的连 续结构，因此可能不适用于某些实际应用，比如通过潜在空间概念向量进行图像编辑。
二、内容在总结中
博客对应课程的视频位置：