装逼一步到位！GauGAN代码解读来了

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作者：游璐颖，福州大学，Datawhale成员

AI神笔马良

如何装逼一步到位？从涂鸦到栩栩如生，英伟达的神器GauGAN来了，拥有神笔马良之手，五步画马就是这么简单。下面让我们一起解析GauGAN的代码实践过程。

GauGAN简介

英伟达的“神笔马良“，可以把涂鸦变成风景画，如同下图：

这个模型可以将一张涂鸦（语义图）生成相应的一张真实图，不少原画师已经用来画背景图了，它是怎么做到的？我们今天就来解读GanGAN代码，并使用相关数据集进行实验。

代码解读

开始前，先看下模型的创新思路：作者假设，如果语义图输入单个类别，传统的归一化层（normalization layer）倾向于“抹除”语义信息，因此作者提出了SPADE（SPatially-Adaptive (DE)normalization） 方法，GauGAN直接使用语义mask对输出激活值进行建模，即提出的空间自适应层。并且其方法可以应对各种使用语义图的生成任务。

环境配置

将SPADE代码克隆至本地，考虑到一些地区的网络可能不太好，提供一个加速通道：

git clone https://github.com.cnpmjs.org/NVlabs/SPADE.git

进入目录，根据命令行安装依赖和归一化分支：

# 安装依赖
cd SPADE/
pip install -r requirements.txt
# Synchronized BatchNorm
cd models/networks/
git clone https://github.com/vacancy/Synchronized-BatchNorm-PyTorch
cp -rf Synchronized-BatchNorm-PyTorch/sync_batchnorm .
cd ../../

数据集ADE20K准备

下载地址：https://gas.graviti.cn/dataset/shannont/ADE20K?utm_medium=0728datawhale

数据规模：

训练集：25574；验证集：2K；测试集：3K
内容：365个场景；3688个类别。

ADE20K 的数据集，可用于场景感知、解析、分割、多物体识别和语义理解。

图像涵盖了SUN和Places数据集中的场景，官网可视化给出了目标、部件和注释示例的数量的列表。

树状表只展示了带有超过 250 个注解示例的目标，以及带有超过 10 个注解示例的部件。

一些类别可以既是目标，也是部件。例如，一个「门」可以是一个目标（在一张室内图片中）或者一个部件（当它是车的一个门时）。一些目标经常是部件（比如一条腿、一只手），尽管在某些情况下它们看起来与整体是相互独立的（比如车库中的汽车轮子）。

而有些目标则永远不是部件（比如一个人，一辆卡车等等）。依据于部件所属的目标，相同的名称类别（比如门）可对应于若干个视觉范畴。例如，一个汽车的门从视觉上看是不同于一个橱柜的门的。然而它们也共享一些相似的可供性（affordance）。

当目标不是另一个目标的一个部件时，其分割掩码将出现在 * _seg.png 内。

如果分类是一个部件，则分割掩码将出现在 * _seg_parts.png 内。正确检测目标需要区分目标是否表现为独立目标，或者是否是另一目标的一个部件。

代码结构

官方提供的代码结构如下：

data：实现数据加载

base_dataset.py是最底层的数据结构，它继承pytorch的data.Dataset类建立一个BaseDataset类，定义了get_params，get_transform等等一些函数，方便之后的使用。

pix2pix_dataset.py创建了一个Pix2pixDataset类，继承了BaseDataset类，这个类才是这个工程基本的数据类型，它重写了getitem()函数，这个函数返回一个input_dict的字典，索引包括label，instance，image，path

其他的.py文件都是自定义的数据集的类(ADE20K，coco等等)。
options：定义命令行参数，base_options.py定义公共的命令行参数，train_options.py和test_options.py分别定义训练和测试的命令行参数。

base_options.py中包括一些在自定义数据集中比较重要的参数：label_nc为输入标签数量，contain_dontcare_label是否包含不需要的标签。use_vae是否加入风格控制，no_instance训练过程是否加入实例。
model：该文件夹下的network定义了模型的各个部分

normalization.py文件内定义了SPADE归一化层，为了方便实用，也创建了不使用SPADE的结构，同时定义了VGG19结构。

base_network.py定义基本的网络架构，后面的所有网络类型都是继承它得到的，它的功能包括打印网络的结构，初始化各个参数。

训练新模型

如果是使用作者文档中提到的数据集，可以使用下面这行代码进行训练：

python train.py --name [experiment_name] --dataset_mode facades --dataroot [path_to_facades_dataset]python train.py --name [experiment_name] --dataset_mode coco --dataroot [path_to_coco_dataset]

其中experiment_name是自定义的名称，dataroot后接数据集的路径。

由于ade20k的数据集比较大，我也会使用小型一点的ade20k_outdoor进行训练。将ade20k_outdoor数据集存储在datasets文件夹下。

自定义数据集可以参考使用此段命令：

python train.py --name ade_outdoor --dataset_mode custom --label_dir ./datasets/ade20k_outdoor/train_label --image_dir ./datasets/ade20k_outdoor/train_img --label_nc 300 --contain_dontcare_label

完成后在checkpoints中将看到保存好的训练模型，终端打印出Training was successfully finished。

测试模型

接下来你可以使用刚刚训练好的模型进行测试，name_of_experiment是上面自定义的名称，

python test.py --name [name_of_experiment] --dataset_mode [dataset_mode] --dataroot [path_to_dataset]

自定义数据集使用下面这行：

python test.py --name [name_of_experiment] --dataset_mode custom --label_dir ./datasets/ade20k_outdoor/val_label --image_dir ./datasets/ade20k_outdoor/val_img --label_nc 300 --contain_dontcare_label

输出结果将默认保存至results文件夹。

结果分析

下面展示一下借助GauGAN由标签图生成真实图像的结果：

从生成结果来看，本文方法有更好的视觉效果，artifact也相对比较少。可以认为，SPADE的效果好主要还是更好的保留了语义图中的语义信息的。

本文为经典开源数据集实践系列。ADE20K 由 MIT 发布，是用于语义分割和场景解析的CV数据集。数据集已上传在开源数据平台Graviti，阅读原文可下载。

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