GAN應(yīng)用缺陷的解決方法分享

盡管 GAN 領(lǐng)域的進(jìn)步令人印象深刻，但其在應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一些困難。本文梳理了 GAN 在應(yīng)用過(guò)程中存在的一些難題，并提出了最新的解決方法。

使用 GAN 的缺陷

眾所周知，GAN 是由 Generator 生成網(wǎng)絡(luò)和 Discriminator 判別網(wǎng)絡(luò)組成的。

1. Modecollapse（模型奔潰）

注：Mode collapse 是指 GAN 生成的樣本單一，其認(rèn)為滿(mǎn)足某一分布的結(jié)果為 true，其他為 False，導(dǎo)致以上結(jié)果。

自然數(shù)據(jù)分布是非常復(fù)雜，且是多峰值的（multimodal）。也就是說(shuō)數(shù)據(jù)分布有很多的峰值（peak）或眾數(shù)（mode）。每個(gè) mode 都表示相似數(shù)據(jù)樣本的聚集，但與其他 mode 是不同的。

在 modecollapse 過(guò)程中，生成網(wǎng)絡(luò) G 會(huì)生成屬于有限集 mode 的樣本。當(dāng) G 認(rèn)為可以在單個(gè) mode 上欺騙判別網(wǎng)絡(luò) D 時(shí)，G 就會(huì)生成該 mode 外的樣本。

上圖表示 GAN 的輸出沒(méi)有 mode collapse. 下圖則出現(xiàn)了 mode collapse。

判別網(wǎng)絡(luò)最后會(huì)判別來(lái)自該 mode 的樣本是假的。最后，生成網(wǎng)絡(luò) G 會(huì)簡(jiǎn)單地鎖定到另一個(gè) mode。該循環(huán)會(huì)無(wú)限進(jìn)行，就會(huì)限制生成樣本的多樣性。

2. Convergence（收斂）

GAN 訓(xùn)練過(guò)程中遇到的一個(gè)問(wèn)題是什么時(shí)候停止訓(xùn)練？因?yàn)榕袆e網(wǎng)絡(luò) D 損失降級(jí)會(huì)改善生成網(wǎng)絡(luò) G 的損失（反之亦然），因此無(wú)法根據(jù)損失函數(shù)的值來(lái)判斷收斂，如下圖所示：

典型的GAN損失函數(shù)圖。注意該如何從這個(gè)圖中解釋收斂性。

3. Quality（質(zhì)量）

與前面提到的收斂問(wèn)題一樣，很難量化地判斷生成網(wǎng)絡(luò) G 什么時(shí)候會(huì)生成高質(zhì)量的樣本。另外，在損失函數(shù)中加入感知正則化則在一定程度上可緩解該問(wèn)題。

4. Metrics（度量）

GAN 的目標(biāo)函數(shù)解釋了生成網(wǎng)絡(luò) G 或 判別網(wǎng)絡(luò) D 如何根據(jù)組件來(lái)執(zhí)行，但它卻不表示輸出的質(zhì)量和多樣性。因此，需要許多不同的度量指標(biāo)來(lái)進(jìn)行衡量。

改善性能的技術(shù)

下面總結(jié)了一些可以使 GAN 更加穩(wěn)定使用的技術(shù)。

1. Alternative Loss Functions （替代損失函數(shù)）

修復(fù) GAN 缺陷的最流行的補(bǔ)丁是 Wasserstein GAN （https://arxiv.org/pdf/1701.07875.pdf）。該 GAN 用 Earth Mover distance( Wasserstein-1 distance 或 EM distance) 來(lái)替換傳統(tǒng) GAN 的 Jensen Shannon divergence ( J-S 散度)。EM 距離的原始形式很難理解，因此使用了雙重形式。這需要判別網(wǎng)絡(luò)是 1-Lipschitz，通過(guò)修改判別網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重來(lái)維護(hù)。

使用 Earth Mover distance 的優(yōu)勢(shì)在于即使真實(shí)的生成數(shù)據(jù)分布是不相交的，它也是連續(xù)的。同時(shí)，在生成的圖像質(zhì)量和損失值之間存在一定關(guān)系。使用 Earth Mover distance 的劣勢(shì)在于對(duì)于每個(gè)生成模型 G 都要執(zhí)行許多判別網(wǎng)絡(luò) D 的更新。而且，研究人員認(rèn)為權(quán)重修改是確保 1-Lipschitz 限制的極端方式。

左圖中 earth mover distance 是連續(xù)的, 即便其分布并不連續(xù), 這不同于優(yōu)圖中的 the Jensen Shannon divergence。

另一個(gè)解決方案是使用均方損失（ mean squared loss ）替代對(duì)數(shù)損失（ log loss ）。LSGAN （https://arxiv.org/abs/1611.04076）的作者認(rèn)為傳統(tǒng) GAN 損失函數(shù)并不會(huì)使收集的數(shù)據(jù)分布接近于真實(shí)數(shù)據(jù)分布。

原來(lái) GAN 損失函數(shù)中的對(duì)數(shù)損失并不影響生成數(shù)據(jù)與決策邊界（decision boundary）的距離。另一方面，LSGAN 也會(huì)對(duì)距離決策邊界較遠(yuǎn)的樣本進(jìn)行懲罰，使生成的數(shù)據(jù)分布與真實(shí)數(shù)據(jù)分布更加靠近，這是通過(guò)將均方損失替換為對(duì)數(shù)損失來(lái)完成的。

2. Two Timescale Update Rule(TTUR)

在 TTUR 方法中，研究人員對(duì)判別網(wǎng)絡(luò) D 和生成網(wǎng)絡(luò) G 使用不同的學(xué)習(xí)速度。低速更新規(guī)則用于生成網(wǎng)絡(luò) G ，判別網(wǎng)絡(luò) D使用 高速更新規(guī)則。使用 TTUR 方法，研究人員可以讓生成網(wǎng)絡(luò) G 和判別網(wǎng)絡(luò) D 以 1:1 的速度更新。 SAGAN （https://arxiv.org/abs/1805.08318） 就使用了 TTUR 方法。

3. GradientPenalty （梯度懲罰）

論文Improved Training of WGANs（https://arxiv.org/abs/1704.00028）中，作者稱(chēng)權(quán)重修改會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化問(wèn)題。權(quán)重修改會(huì)迫使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)更簡(jiǎn)單的相似（simpler approximations）達(dá)到最優(yōu)數(shù)據(jù)分布，導(dǎo)致結(jié)果質(zhì)量不高。同時(shí)如果 WGAN 超參數(shù)設(shè)置不合理，權(quán)重修改可能會(huì)出現(xiàn)梯度消失或梯度爆炸的問(wèn)題，論文作者在損失函數(shù)中加入了一個(gè)簡(jiǎn)單的梯度懲罰機(jī)制以緩解該問(wèn)題。

加入 GradientPenalty 作為正則化器

DRAGAN （https://arxiv.org/abs/1705.07215）的作者稱(chēng)，當(dāng) GAN 的博弈達(dá)到一個(gè)局部平衡態(tài)（local equilibrium state），就會(huì)出現(xiàn) mode collapse 的問(wèn)題。而且判別網(wǎng)絡(luò) D 在這種狀態(tài)下產(chǎn)生的梯度是非常陡（sharp）的。一般來(lái)說(shuō)，使用梯度懲罰機(jī)制可以幫助避免這種狀態(tài)的產(chǎn)生，極大增強(qiáng) GAN 的穩(wěn)定性，盡可能減少 mode collapse 問(wèn)題的產(chǎn)生。

4. Spectral Normalization（譜歸一化）

Spectral normalization 是用在判別網(wǎng)絡(luò) D 來(lái)增強(qiáng)訓(xùn)練過(guò)程的權(quán)重正態(tài)化技術(shù) （weight normalization technique），可以確保判別網(wǎng)絡(luò) D 是 K-Lipschitz 連續(xù)的。SAGAN(https://arxiv.org/abs/1805.08318)這樣的實(shí)現(xiàn)也在判別網(wǎng)絡(luò) D 上使用了譜正則化。而且該方法在計(jì)算上要比梯度懲罰方法更加高效。

5. Unrolling andPacking (展開(kāi)和打包)

文章 Mode collapse in GANs（http://aiden.nibali.org/blog/2017-01-18-mode-collapse-gans/）中提到一種預(yù)防 mode hopping 的方法就是在更新參數(shù)時(shí)進(jìn)行預(yù)期對(duì)抗（anticipate counterplay）。展開(kāi)的 GAN ( Unrolled GANs ）可以使用生成網(wǎng)絡(luò) G 欺騙判別網(wǎng)絡(luò) D，然后判別網(wǎng)絡(luò) D 就有機(jī)會(huì)進(jìn)行響應(yīng)。

另一種預(yù)防 mode collapse 的方式就是把多個(gè)屬于同一類(lèi)的樣本進(jìn)行打包，然后傳遞給判別網(wǎng)絡(luò) D 。PacGAN （https://arxiv.org/abs/1712.04086）就融入了該方法，并證明可以減少 mode collapse 的發(fā)生。

6. 多個(gè) GAN

一個(gè) GAN 可能不足以有效地處理任務(wù)，因此研究人員提出使用多個(gè)連續(xù)的 GAN ，每個(gè) GAN 解決任務(wù)中的一些簡(jiǎn)單問(wèn)題。比如，F(xiàn)ashionGAN（https://www.cs.toronto.edu/~urtasun/publications/zhu_etal_iccv17.pdf）就使用 2 個(gè) GAN 來(lái)執(zhí)行圖像定位翻譯。

FashionGAN 使用兩個(gè) GANs 進(jìn)行圖像定位翻譯。

因此，可以讓 GAN 慢慢地解決更難的問(wèn)題。比如 Progressive GANs (ProGANs，https://arxiv.org/abs/1710.10196) 就可以生成分辨率極高的高質(zhì)量圖像。

7. Relativistic GANs（相對(duì)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)）

傳統(tǒng)的 GAN 會(huì)測(cè)量生成數(shù)據(jù)為真的可能性。Relativistic GANs 則會(huì)測(cè)量生成數(shù)據(jù)“逼真”的可能性。研究人員可以使用相對(duì)距離測(cè)量方法（appropriate distance measure）來(lái)測(cè)量相對(duì)真實(shí)性（relative realism），相關(guān)論文鏈接：https://arxiv.org/abs/1807.00734。

圖 A 表示 JS 散度的最優(yōu)解，圖 B 表示使用標(biāo)準(zhǔn) GAN 損失時(shí)判別網(wǎng)絡(luò) D 的輸出，圖 C 表示輸出曲線的實(shí)際圖。

在論文中，作者提到判別網(wǎng)絡(luò) D 達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，D 的輸出應(yīng)該聚集到 0.5。但傳統(tǒng)的 GAN 訓(xùn)練算法會(huì)讓判別網(wǎng)絡(luò) D 對(duì)圖像輸出“真實(shí)”（real，1）的可能性，這會(huì)限制判別網(wǎng)絡(luò) D 達(dá)到最優(yōu)性能。不過(guò)這種方法可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，并得到不錯(cuò)的結(jié)果。

經(jīng)過(guò) 5000 次迭代后，標(biāo)準(zhǔn) GAN (左)和相對(duì) GAN (右)的輸出。

8. Self Attention Mechanism（自注意力機(jī)制）

Self Attention GANs（https://arxiv.org/abs/1805.08318）作者稱(chēng)用于生成圖像的卷積會(huì)關(guān)注本地傳播的信息。也就是說(shuō)，由于限制性接收域這會(huì)錯(cuò)過(guò)廣泛傳播關(guān)系。

將 attention map (在黃色框中計(jì)算)添加到標(biāo)準(zhǔn)卷積操作中。

Self-Attention Generative Adversarial Network 允許圖像生成任務(wù)中使用注意力驅(qū)動(dòng)的、長(zhǎng)距依賴(lài)的模型。自注意力機(jī)制是對(duì)正常卷積操作的補(bǔ)充，全局信息（長(zhǎng)距依賴(lài)）會(huì)用于生成更高質(zhì)量的圖像，而用來(lái)忽略注意力機(jī)制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)考慮注意力機(jī)制和正常的卷積。（相關(guān)論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1805.08318.pdf）。

使用紅點(diǎn)標(biāo)記的可視化 attention map。

9. 其他技術(shù)

其他可以用來(lái)改善 GAN 訓(xùn)練過(guò)程的技術(shù)包括：

特征匹配

Mini Batch Discrimination（小批量判別）

歷史平均值

One-sided Label Smoothing（單側(cè)標(biāo)簽平滑）

Virtual Batch Normalization（虛擬批量正態(tài)化）