StackGAN
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参考
StackGAN: Text to Photo-realistic Image Synthesis with Stacked Generative Adversarial Networkshanzhanggit/StackGAN-Pytorchgithub.com
引入
行业现状
根据文字描述，人工生成高质量图片的任务是计算机视觉领域一个挑战，并且有很多应用场景。现有的文字转图像方式很难表现文字的含义，并且细节部分缺失严重，不够生动具体。
现有的模型（如 Vanilla GAN）只是简单的添加 upsampling 层来生成高分辨率的图，这会导致训练不稳定，且生成无用的图片，如图一 (c) 所示。
图 1 ：StackGAN 与 Vanilla GAN 的输出对比
GAN 生成高维图片的主要问题在于，自然图像分布与模型分布在高维空间上几乎不交叠。当要生成的图像分辨率增大时，该问题更加明显。（这里参考 令人拍案叫绝的Wasserstein GAN）
本文工作
提出 StackGAN 分段式结构
本文提出了 Stacked Generative Adversarial Networks (StackGAN) 结构，用于根据文字描述，生成对应的 256 * 256 的真实图像（首次这么高的分辨率）。我们将该问题分解为可处理的子问题。
首先是 Stage-I，根据给定的文字描述，勾勒初始的形状和色彩，生成低分辨率的图像，如图一 (a) 所示。
然后 Stage-II 根据 Stage-I 生成的低分辨率图像以及原始文字描述，生成具有更多细节的高分辨率图像。这个阶段可以重新捕获被 Stage-I 忽略的文字描述细节，修正 Stage-I 的的结果的缺陷，并添加改良的细节，如图一 (b) 所示。
从低分辨率图像生成的模型分布与自然图像分布相交叠的概率更好。这就是 Stage-II 能够生成高分辨率图像的根本原因。
提出 Conditioning Augmentation 技术
对于 text-to-image 生成任务，text-image 训练数据对（image + text）数量有限，这将导致文本条件多样性的稀疏性(sparsity in the text conditioning manifold)，而这种稀疏性使得 GAN 很难训练。
因此，我们提出了一种新颖的条件增强技术(Conditioning Augmentation technique) 来改善生成图像的多样性，并稳定 conditional-GAN 的训练过程，这使得隐含条件分布更加平滑 (encourages smoothness in the latent conditioning manifold)。
大量实验
在基准数据集上，与一些先进的模型进行比对，结果表明，性能提升很大。
模型解析
StackGAN 的模型结构如下图所示：
图 2 ：StackGAN 的模型结构
Conditioning Augmentation
如图 2 所示，描述文字首先被预训练好的编码器编码为词嵌入向量 。
在前人的研究中，词嵌入向量被非线性的转换为生成条件隐含变量，并作为生成器的输入。然而，词嵌入的隐含空间维度维度一般很高（> 100）。当输入数据量很少的时候，通常会导致隐含变量分布空间不连续(大部分值为 0，太过稀疏)，这对生成器的训练不利。
因此，我们引入条件增强 (Conditioning Augmentation) 来产生额外的条件变量 。我们不是选定固定的
，而是从独立高斯分布
中随机采样。其中，均值
和对角方差矩阵
是关于词嵌入向量
的函数（全连接层子网络）。
上面一段话，换言之就是，将原始词向量分布映射到一个高斯分布中，均值和方差不变。
给定较少的 text-image 对，通过该手段，也能够生成更多的训练样本，并且对于条件空间的微小扰动，其稳健型也更好。为了进一步增强条件分布的平滑性，以及避免过拟合(引入噪声相当于数据增强)，我们使用 KL 散度对其正则化：
上面的即标准高斯分布与条件高斯分布之间的 KL 散度(Kullback-Leibler divergence)。条件增强过程中引入的随机性有助于 text-image 转换，因为同样的文字描述可能对应着不同的目标姿势，外观等等，这种随机性有助于增加多样性。
Stage-I GAN
理论基础
Stage-I 阶段主要用于生成粗略的形状和颜色等。先从 中随机采样出
，并随机采样的高斯噪声
z，将它们进行 concatenate ，然后作为 Stage-I 的输入，来训练判别器 和
，分别对应如下目标函数：
其中，真实图像 和文本描述 t 源自于实际数据分布
。
z 表示从高斯分布分布 中随机提取的噪声向量。
为正则化参数，用于平衡公式
(3) 中的两项。
我们的实验中，设置为 。其中，
是与网络剩余部分一起学习。
模型结构
Conditioning Augmentation
对于生成器 ，为了获取文本条件变量
，词嵌入向量
首先通过全连接层来生成高斯分布
中的
。
然后，从中随机采样出 。其中，
表示对应元素相乘，且
。
随后将获取的 与
维噪声向量进行拼接（
concatenate），作为 的输入，通过一组上采样
up-sampling 生成 的图像。
对于判别器 ，首先用全连接层将词向量
压缩到
，随后进行空间性重复，得到
。同时，将图像输入到一系列下采样
down-sampling ，从而得到 尺寸的
tensor。
随后，将文本 tensor 和图像 tensor 进行拼接，然后输入到一个 的卷积层，从而同时综合文本和图像的信息。最后，用一个只有一个节点的全连接层来生成置信度得分。
Stage-II GAN
理论基础
Stage-I 阶段生成的低分辨率图像通常缺乏鲜明的目标特征，并且可能包含一些变形。同时，文本描述中的部分信息可能也未体现出来。所以，通过 Stage-II 可以在 Stage-I 生成的低分辨率图像和文本描述的基础上，生成高分辨率图片，其修正了 Stage-I的缺陷，并完善了被忽略的文本信息细节。
Stage-II 以高斯隐含变量 以及 `Stage-I` 的生成器的输出
为输入，来训练生成器
G 和判别器 D，其目标函数分别为：
模型结构
Conditioning Augmentation
首先就是通过词向量 来获取
，其过程与
Stage-I 一样。
G
首先 通过空间重复，变成
的
tensor（这里的空间上重复使之，将原来的 在
的维度上，进行重复，得到
）。
同时，将 Stage-I 的输出通过下采样网络，变成尺寸为 的
tensor，并与上面的文本 的
tensor 在通道的维度上进行拼接。
接着，将上面的 tensor 送入一系列的残差块，从而习得综合文本描述和图像信息的特征。
最后，用上采样网络进行处理，从而生成 的图像。
D
判别器部分与 Stage-I 别无二致，除了输入尺寸的变化导致的下采样层不同。
此外，在训练阶段，判别器的输入中，正类样本为真实图像及其对应的文本描述；而负类样本包含两种，分别为：真实图像和不匹配的文本描述，以及生成的图像和其对应的文本描述。
实现细节（网络实现，参数和训练）
上采样网络由 nearest-neighbor 上采样组成(如下图所示)。上采样后，接一个 ，步长为
1 的卷积层。除了最后一层卷积层之外，其余各卷积层后面均接上 batch normalization 层以及 ReLU 层激活函数。
nearest-neighbor
残差块由尺寸为 ，步长为
1 的卷积层，以及 BN 层和 ReLU 层构成。对于 的模型，需要
2 个残差块；对于 的模型，需要
4 个残差块。
下采样网络由尺寸为 ，步长为
2 的卷积层，以及 BN 和 LeakyReLU 组成，除了第一层外，没有加 BN。
默认情况下， 。
训练过程如下：首先固定 Stage-II，训练 Stage-I 的 和
600 个 epoch。然后固定 Stage-I，再训练 Stage-II 的 D 和 G 600 个 epoch。
所有的网络用 Adam 优化器，batch size 为 64，初始的学习速率为 0.0002，且每 100 个 epoch，学习速率减小为之前的 。
实验结果
Datasets and evaluation metrics
CUB 数据集包含 200 种鸟类，共 11788 张图片。其中，80% 的图片目标尺寸只占据图像的面积不到 0.5。所以，需要进行 crop 预处理，使之大于 0.75。
Oxford-102 包含 8189 张图片，共 102 类花。同时为了保证泛化性能，还尝试了 MS COCO 数据集，其包含多目标以及不同背景。MS COCO 有 40K 的图像。其中，每张图片对应 5 个描述信息。而 CUB 和 Oxford-102 数据集每张图片对应 10 个信息。
Evaluation metrics
用如下公式进行算法评估：
其中，x 表示生成的样本，y 表示模型预测的标签。其表示，好的模型应该生成多样但是有意义的图像。因此，边缘分布 (marginal distribution) 和条件分布
(conditional distribution) 之间的
KL 散度应该较大。
在我们的实现中，直接使用 COCO 数据集对 Inception 进行预训练，然后分别用 CUB 和 Oxford-102 进行 fine-tune（得到两个模型）。
尽管 Inception 得分一定程度上表征生成图像的质量，但是不能表征是否按照文字描述生成的图像。因此，对于 CUB 和 Oxford-102 测试集，随机选择 50 个文本描述；而对于 COCO 数据集，随机选取 4K 个文本描述来进行验证。对于每条描述，生成 5 张图像。对于每个给定的文字描述，选 10 名用户来评判不同模型的结果，分别取均值作为各模型的结果。
Quantitative and qualitative results
表 1：Inception scores and average human ranks
图 3：不同 GAN 模型在 CUB 上的生成结果
图 4：Oxford-102 数据集上的 GANs 生成结果
Component analysis
表 2：不同基准下的 StackGAN 生成的 Inception score
The design of StackGAN
如表 2 第一行所示，如果不使用 CA (Conditioning Augmentation)，则 inception score 明显下降。这表明， CA 是有必要的。如图 5 所示，第一行没有用 CA，生成结果并不理想，且形式单一（mode collapse）。而用 CA 之后，生成结果较好，且具备多样性。
表 2：不同基准下的 StackGAN 生成的 Inception score
此外，将输出从 减小到
，
inception score 会从 3.7 降到 3.35。所有的图像在计算 inception score 之前会首先缩放到 。
而如果仅增加图像尺寸，而不添加更多信息，则 inception score 不会随着输出分辨率而改变。所以 的输出会包含更多信息。
对于 的
StakeGAN，如果文本信息( )只在一个阶段添加，而在
Stage-II 中不添加，则得分会从 3.7 将为 3.45。这表明，Stage-II 会根据文本信息，改善 Stage-I 的结果。
【代码】StackGAN
Paper：StackGAN: Text to Photo-realistic Image Synthesis with Stacked GAN
TensorFLow code：hanzhanggit/StackGAN
论文笔记：【论文阅读】StackGAN: Text to Photo-realistic Image Synthesis with Stacked GAN
这篇学习代码↓↓↓
按照图片序号顺序分析代码
1.![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cvarphi+_%7Bt%7D)
的处理
stackGAN 没有直接将 embedding 作为 condition ，而是用 embedding 接了一个 FC 层从得到的独立的高斯分布中随机采样得到隐含变量（
,
）。其中
和
是关于
的函数。之所以这样做的原因是，embedding 通常比较高维，而相对这个维度来说， text 的数量其实很少，如果将 embedding 直接作为 condition，那么这个 latent variable 在 latent space 里就比较稀疏，这对训练不利。
StageI/model.py
def generate_condition(self, c_var):
conditions =
(pt.wrap(c_var).
flatten().
custom_fully_connected(self.ef_dim * 2).
apply(leaky_rectify, leakiness=0.2))
mean = conditions[:, :self.ef_dim]
log_sigma = conditions[:, self.ef_dim:]
return [mean, log_sigma]StageI/train.py
def sample_encoded_context(self, embeddings):
'''Helper function for init_opt'''
c_mean_logsigma = self.model.generate_condition(embeddings)
mean = c_mean_logsigma[0]
if cfg.TRAIN.COND_AUGMENTATION:
# epsilon = tf.random_normal(tf.shape(mean))
epsilon = tf.truncated_normal(tf.shape(mean))
stddev = tf.exp(c_mean_logsigma[1])
c = mean + stddev * epsilon
kl_loss = KL_loss(c_mean_logsigma[0], c_mean_logsigma[1])
else:
c = mean
kl_loss = 0
return c, cfg.TRAIN.COEFF.KL * kl_loss上述代码出现了KL损失，目的是正则化：为了防止过拟合或者方差太大的情况，generator 的 loss 里面加入了对这个分布的正则化： 。
StageI/model.py
# reduce_mean normalize also the dimension of the embeddings
def KL_loss(mu, log_sigma):
with tf.name_scope("KL_divergence"):
loss = -log_sigma + .5 * (-1 + tf.exp(2. * log_sigma) + tf.square(mu))
loss = tf.reduce_mean(loss)
return loss2.生成器 ![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=G_0)
StageI/model.py
def generator(self, z_var):
node1_0 =
(pt.wrap(z_var).
flatten().
custom_fully_connected(self.s16 * self.s16 * self.gf_dim * 8).
fc_batch_norm().
reshape([-1, self.s16, self.s16, self.gf_dim * 8]))
node1_1 =
(node1_0.
custom_conv2d(self.gf_dim * 2, k_h=1, k_w=1, d_h=1, d_w=1).
conv_batch_norm().
apply(tf.nn.relu).
custom_conv2d(self.gf_dim * 2, k_h=3, k_w=3, d_h=1, d_w=1).
conv_batch_norm().
apply(tf.nn.relu).
custom_conv2d(self.gf_dim * 8, k_h=3, k_w=3, d_h=1, d_w=1).
conv_batch_norm())
node1 =
(node1_0.
apply(tf.add, node1_1).
apply(tf.nn.relu))
node2_0 =
(node1.
# custom_deconv2d([0, self.s8, self.s8, self.gf_dim * 4], k_h=4, k_w=4).
apply(tf.image.resize_nearest_neighbor, [self.s8, self.s8]).
custom_conv2d(self.gf_dim * 4, k_h=3, k_w=3, d_h=1, d_w=1).
conv_batch_norm())
node2_1 =