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。

本文主要分為三個部分：

• 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 :-)

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，這裏以生成圖片為例進行說明。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為真實圖片的概率，如果為1，就代表100%是真實的圖片，而輸出為0，就代表不可能是真實的圖片。

在訓練過程中，生成網絡G的目標就是盡量生成真實的圖片去欺騙判別網絡D。而D的目標就是盡量把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麽？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（因為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))盡可能得大，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：

那麽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註意的。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。

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，那麽如何把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）進行上采樣，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，使網絡變為全卷積網絡
• G網絡中使用ReLU作為激活函數，最後一層使用tanh
• D網絡中使用LeakyReLU作為激活函數

DCGAN中的G網絡示意：

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。

原始數據集的搜集

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，還不能直接作為數據訓練，我們需要用合適的工具，截取人物的頭像進行訓練。

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：

作者：何之源
鏈接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/24767059
來源：知乎
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。

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

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為48x48，我們圖片的大小是96x96，跑300個epoch）：

https://github.com/carpedm20/DCGAN-tensorflow/issues/178

錯的 python main.py --image_size 96 --output_size 48 --dataset anime --is_crop True --is_train True --epoch 300 
提示：

ValueError: Trying to share variable discriminator/d_h3_lin/Matrix, but specified shape (8192, 1) and found shape (25088, 1).

python main.py --input_height 96 --input_width 96 --output_height 48 --output_width 48 --dataset faces --crop --train --epoch 300 --input_fname_pattern "*.jpg"

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。

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。

GAN 轉