图像对抗生成网络 GAN学习01：从头搭建最简单的GAN网络，利用神经网络生成手写体数字数据（tensorflow）

文章目录

图像对抗生成网络 GAN学习01：从头搭建最简单的GAN网络，利用神经网络生成手写体数字数据（tensorflow）
- 1.前言
- 2.GAN网络主体架构介绍
- 3.模型搭建
- - 3.1 生成器的搭建
  - 3.2 判别器模型的搭建
- 4.数据预处理
- 5.定义训练各项参数以及训练步骤
- 6.训练以及效果可视化评估
- 结语

1.前言

深度学习，中有一个较为成熟并且非常重要的方向，GAN图像对抗生成网络，该网络在图像生成，图像增强，风格化领域，以及在艺术的图像创造（博主也是在看到一个关于中国山水画的GAN生成上，有了学习GAN的兴趣）有重要的作用。

那么正所谓柿子要挑软的捏，学习从最简单的开始，在GAN方面完全是萌新的博主，今天介绍的自然也不是什么太难的架构，在本篇博客中，我会介绍GAN的大致架构，并用较为简单的方式从头到尾（模型搭建，定义训练参数，训练步骤）实现他，如果本篇博客对你有帮助的话，别忘记点个赞。

(￣▽￣)～■干杯□～(￣▽￣)

2.GAN网络主体架构介绍

GAN的网络总体架构其实非常简单，他的中文名字对抗生成网络，意思是在他模型中包含两个网络，生成网络，对抗网络，总体结构如下图：

我们可以看到这张图上包含了两个网络Generator图像生成器和Discriminator图像分辨器，他的工作原理简单来说是这样的：我们的目标是想要一个生成图片那么我们如何去训练这个呢，这里GAN的开发者提出了这么一个想法，我们训练一个判别器，训练一个生成器，输入噪声(也就是我们提前规定好形状的随机初始化的向量）然后产生了图片，然后我们将真实的图片与虚假图片一起输入判别器，判别图片是否是真实的，利用在这里产生的损失去训练生成器，与判别器。那么我们可以想想如果这样的话我们最终产生的理想结果就是，判别器最终无法判别生成器生成的图片是真是假，最终预测的概率只有0.5（真假二分类随机乱猜的概率）。

当刚看懂网络工作方式的时候，我简直惊呆了，这是多么神奇的思维啊，生成器在训练中由于损失控制会努力希望生成的图片被判别为真，而判别器是希望能完全给出正确的判断（给生成的图片的判断全为0，真的图片判断全为1），那么在这两个模型的训练之间，他们在互相对抗，我们最终得到的将会是一个非常好的图像生成器，和自编码器相比，（直接计算生成图与原图的差距）效果会更好(这里我会在之后的mnist数据生成展示中展示编码器与GAN网络的差别)。

3.模型搭建

那么在介绍完模型之后，我们趁热打铁，直接开始模型的搭建，在上文中，我提到了两个模型负责生成图片的生成器，负责判别图片真假的判别器，接下来我开始分别搭建这两个模型。

3.1 生成器的搭建

这里我们要搭建的是一个能够接收我们产生的随机初始化的向量，然后产生图片（这里我们产生的数据是mnist的手写体数字）的模型，这里我为了简单化全部采用全连接层来写模型

import tensorflow as tf
keras=tf.keras
layers=keras.layers
def generator_model():model=keras.Sequential()#model.add(layers.Dense(256,input_shape=(100,),use_bias=False))#输入形状100是我输入噪声的形状,生成器一般都不使用BIASmodel.add(layers.BatchNormalization())model.add(layers.LeakyReLU())#GAN中一般使用LeakyRelu函数来激活model.add(layers.Dense(512,use_bias=False))#生成器一般都不使用BIASmodel.add(layers.BatchNormalization())model.add(layers.LeakyReLU())model.add(layers.Dense(28*28*1,use_bias=False,activation='tanh'))#生成能够调整成我们想要的图片形状的向量model.add(layers.BatchNormalization())model.add(layers.Reshape((28,28,1)))#这里进行修改向量的形状，可以直接使用layers的reshapereturn model

可以看到经过全连接层的这样处理，我们输出的会是一个形状大小为(28,28,1)的图片，那么生成器的任务就是判断输入图片是否是生成的，也就是输入图片，输出0,1一个非常简单的二分类问题，那么我们就按照这个思路搭建我们的判别器网络。

3.2 判别器模型的搭建

判别器这里我也使用最基础的全连接层来创建（一方面是减少计算量，一方面是测试一下Dense层的效果）

def discriminator_model():model=keras.Sequential()model.add(layers.Flatten())#图片是一个三维数据，要输入到全连接层之前，先使用flatten层压平为一维的model.add(layers.Dense(512,use_bias=False))model.add(layers.BatchNormalization())model.add(layers.LeakyReLU())model.add(layers.Dense(256,use_bias=False))model.add(layers.BatchNormalization())model.add(layers.LeakyReLU())model.add(layers.Dense(1))#最后输出为0,1只需要一层return model

那么定义完组成模型的两个重要架构之后，我们为了接下来的训练需要准备处理好的数据，所以这里我们开始处理数据。

4.数据预处理

在本篇最简单的实战中，我采用深度学习中使用次数最多，入门级Hello World数据集，mnist手写体数据集，由数万张手写体数字组成

这里的数字都是手写之后，经过特殊处理最终保存下来的。可以看到这样生成的图片是非常带有个人风格的（这写的也不太整齐。。），那么利用GAN生成网络去生成能类似人写的数据，达到可以欺骗人眼的效果，就是我此次的目的，那么废话少说，就开始我们此次的数据准备。

(x_train,y_train),_=keras.datasets.mnist.load_data()
x_train=tf.expand_dims(x_train,axis=-1)#这里由于输入的手写体是只有两个维度的，所以这里我扩展最后一个维度
x_train.shape
TensorShape([60000, 28, 28, 1])

扩展完维度后，为了方便模型运算，我们需要将数据进行归一化，规定数据集的BATCH_SIZE

x_train=tf.cast(x_train,tf.float32)
x_train=x_train/255.0
x_train=x_train*2-1#将图片数据规范到[-1,1]
BATCH_SIZE=256
BUFFER_SIZE=60000#每次训练弄乱的大小
dataset=tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x_train)
dataset=dataset.shuffle(BUFFER_SIZE).batch(BATCH_SIZE)

5.定义训练各项参数以及训练步骤

在搭建完模型，预处理好数据之后，接下来就需要定义模型所需优化器，损失计算函数，以及训练步骤

loss_object=keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True)#损失这里使用二分类交叉熵损失，没有激活是logits
def discriminator_loss(real_out,fake_out):     real_loss=loss_object(tf.ones_like(real_out),  real_out)fake_loss=loss_object(tf.zeros_like(fake_out),fake_out)return real_loss+fake_loss
#这里判别器使用的损失是计算我们人为制造的0,1标签与判别器模型输出的做计算，最终返回二者相加
def generator_loss(fake_out):fake_loss=loss_object(tf.ones_like(fake_out),fake_out)return fake_loss
#生成器计算损失当然是希望判别器都把他当真，所以是与1做计算generator_opt=keras.optimizers.Adam(1e-4)
discriminator_opt=keras.optimizers.Adam(1e-4)#定义两个模型的优化器

定义完了在训练吗中需要用到的优化器损失函数，我们这里接下来定义模型，训练步骤并开始训练（这里我们会在每次训练后绘画随机生成的图片，来观察我们图像生成模型的效果，所以这里我会提前制作一个随机种子）

EPOCHS=100
noise_dim=100 #输入噪声的维度
num=16 #每次随机绘画16张图
seed=tf.random.normal(shape=([num,noise_dim])) #制作用于生成图片的向量
gen_model=generator_model()
dis_model=discriminator_model()
#初始化这两个模型
#定义训练步骤
@tf.function
def train_step(images):noise=tf.random.normal([BATCH_SIZE,noise_dim])with tf.GradientTape() as gentape, tf.GradientTape() as disctape:real_output=dis_model(images,training=True)fake_image=gen_model(noise,training=True)fake_output=dis_model(fake_image,training=True)gen_loss=generator_loss(fake_output)dis_loss=discriminator_loss(real_output,fake_output)grad_gen=gentape.gradient(gen_loss,gen_model.trainable_variables)grad_dis=disctape.gradient(dis_loss,dis_model.trainable_variables)generator_opt.apply_gradients(zip(grad_gen,gen_model.trainable_variables))discriminator_opt.apply_gradients(zip(grad_dis,dis_model.trainable_variables))#在每次训练后绘图
def generate_plot_img(gen_model,test_noise):pre_img=gen_model(test_noise,training=False)fig=plt.figure(figsize=(4,4))for i in range(pre_img.shape[0]):plt.subplot(4,4,i+1)plt.imshow((pre_img[i, :, :, 0]+1)/2,cmap='gray')#这里cmap限定绘图的颜色空间，灰度图plt.axis('off')plt.show()#将16张图片一起显示出来

6.训练以及效果可视化评估

那么我们开始训练

def train(dataset, epochs):for epoch in range(epochs):for img in dataset:train_step(img)print('-',end='')generate_plot_img(gen_model,seed)#绘制图片
train(dataset,EPOCHS)#这里EPOCHS我设置为100

那么由于我的随机数种子是固定的，所以这里我们随机生成的图片每次都是固定的数字，所以我们是可以看到效果在不断变好，如下

这是第一次训练结束后生成的一团浆糊

这是第五次训练产生的图像，可以看到已经渐渐产生了有数字的轮廓，

在经过100次训练后最终我们看到我们的图像生成器，最后产生的图片已经非常有手写数字的轮廓。

虽然效果仍然不是很好，但其实是由于我这里完全使用了全连接层，在图像处理领域使用卷积神经网络会更好的效果，下图是我使用了卷积神经网络后的效果：

结语

在本篇博客中，我完成了一个非常简单的GAN生成对抗网络，并训练该模型使得他可以生成非常接近的手写体的真实数据，对本篇博客有疑问或者建议的同学欢迎评论区交流。