Large scale GAN training for high fidelity natural image synthesis解读

《Large scale GANtraining for high fidelity natural image synthesis》这篇文章对训练大规模生成对抗网络进行了实验和理论分析，通过使用之前提出的一些技巧，如数据截断、正交正则化等，保证了大型生成对抗网络训练过程的稳定性。本文训练出的模型在生成数据的质量方面达到了前所未有的高度，远超之前的方法。作者对生成对抗网络训练时的稳定性进行了分析，借助于矩阵的奇异值分析。此外，还在生成数据的多样性与真实性之间做了折中。总体来说，本文的工作相当扎实，虽然没有大的方法上的创新，但却取得了非常好的效果，对稳定性的分析也有说服力。

摘要

尽管最近几年在生成式图像建模上取得了进步，但从ImageNet这样的复杂数据集生成高分辨率、多样化的图像仍然是一个具有挑战性的工作。为了达到这一目标，本文作者训练了到目前为止最大规模的生成对抗网络（BigGAN），并对这种规模下的网络在训练时的不稳定性进行了研究。作者发现，将正交正则化用于生成器网络能够起到很好的效果，通过对隐变量的空间进行截断处理，能够在样本的真实性与多样性之间进行精细的平衡控制。本文提出的方法在类别控制的图像生成问题上取得了新高。如果用ImageNet的128x128分辨率图像进行训练，BigGAN模型生成图像的Inception得分达到了166.3，FID为9.6。

整体简介

得益于生成对抗网络的出现，生成式图像建模算法在最近几年取得了大的进步，可以生成真实的、多样性的图像。这些算法直接从样本数据进行学习，然后在预测阶段输出生成的图像。GAN的训练是动态的，并且对算法设置的几乎每个方面都很敏感，从神经网络的结构到优化算法的参数。对于这一问题，人们进行了大量的持续的研究，从经验到理论层面，以确保训练算法在各种设置下的稳定性。尽管如此，之前最好的算法在条件式ImageNet数据建模上的Inception得分为52.5，而真实数据的得分为233，还有很大的差距。

本文的工作致力于减小GAN生成的图像与ImageNet数据集中的图像在真实性与多样性之间的差距。为了解决此问题，本文提出了如下几个主要的创新：

证实了增大GAN的规模能够显著的提升建模的效果，在这里，模型的参数比之前增大了2-4倍，训练时的batch尺寸增加了8倍。文章提出了两种简单而又具有一般性的框架改进，可以提高模型的伸缩性，并且改进了一种正则化策略来提升条件作用，证明了这些方法能够提升性能。

作为这些修改策略的副产品，本文提出的模型变得更服从截断技巧。截断技巧是一种简单的采样方法，能够在样本的逼真性、多样性之间做显式的、细粒度的控制。

发现了使大规模GAN不稳定的原因，对它们进行了经验性的分析，更进一步的，作者发现将已有的和新的技巧的组合使用能够降低这种不稳定性。但是完全的训练稳定性只有在巨大的性能代价下才能获得。对稳定性的分析通过对生成器和判别器权重矩阵的奇异值分析而实现。

文章提出的这些修改技巧显著的提升了class-conditional GAN的性能。实现时，用128x128的ImageNet数据集进行训练， Inception得分和Frechet Inception距离在之前最好的方法上有了显著的提升。另外，还在256x256和512x512的分辨率下训练了模型。此外，还在自己的样本集上进行了训练，证明了本文提出的方法具有通用性。

下图为本文的算法所生成的图像，达到了以假乱真的地步：

背景知识

生成对抗网络由一个生成器G和一个判别器D组成，前者的作用是根据随机噪声数据生成逼真的随机样本，后者的作用是鉴别样本是真实的还是生成器生成的。在最早的版本中，GAN训练时的优化目标为达到如下极大值-极小值问题的纳什均衡：

其中Z∈Rdz为隐变量，是一个随机向量，从概率分布p(z)产生，如正态分布N(0,1)或均匀分布U(-1,1)。当用于图像类任务时，G和D一般是卷积神经网络。如果不使用一些辅助性的增加稳定性技巧，训练过程非常脆弱，收敛效果差，需要精细设计的超参数和网络结构的选择以保证效果。

之前的相关工作

近期的研究工作集中在修改初始的GAN算法，使得它更稳定。这些方法中，既有经验性的分析，也有理论性的分析。其中一种思路是修改训练时的目标函数以确保收敛。另外一种思路是通过梯度惩罚或归一化技术对D进行限定，这两种方法都是在抵抗对无界的目标函数的使用，确保对任意的G，D都能提供梯度。

与文本的方法非常相关的是谱归一化（Spectral Normalization），它强制D的Lipschitz 连续性，这通过对它们的最大奇异值进行运行时动态估计，以此对D的参数进行归一化而实现。另外还包括逆向动力学，对主奇异值方向进行自适应正则化。文献[1]分析了G的雅克比矩阵的条件数，发现GAN的表现依赖于此条件数。文献[2]发现将谱归一化作用于G能够提高稳定性，使得训练算法每次迭代时能够减小D的迭代次数。本文对这些方法进行了进一步分析，以弄清GAN训练的机理。

另外一些工作聚焦在网络结构的选择上。SA-GAN增加了一种称为self-attention的模块来增强G和D的能力。ProGAN通过使用逐步增加的分辨率的图像训练单个模型。

条件GAN为GAN增加了类信息，作为生成器和判别器的输入。类信息可以采用one hot编码，和随机噪声拼接起来，作为G的输入。另外，可以在批量归一化层中加入。另外，在D中也加入了类别信息。

最后要说的是评价指标，这和数据生成一样困难，目前常用的是IS和FID，本文对算法的比较采用了这两个指标。

Inception Score 使用了如下两种评判标准来检验模型的表现：

生成图片的质量
生成图片的多样性

其计算方式如下：

其中y为类别标签，x为样本向量，pg为生成器生成的样本所服从的概率分布，DKL为KL散度。IS的值越大越好。p(y)是生成图片的类别y关于生成器G(z)的边缘概率分布：

如果生成图片的类别只有一种，那么生成图像的IS依然会很高，这是IS显著的缺点。而Fréchet Inception Distance(FID)相较于IS更加适合用于图片生成质量的评价，与IS不同，越小的值意味着更好的生成图片的质量以及更丰富的图片的多样性。在所有生成的图像仅为一种类别时，其取值将会很高。FID的计算方式是使用Inception网络中的某一层的特征，并使用多元高斯分布对提取的特征进行建模。假设训练样本对应的特征featx ~N(μx,∑x)，生成图片对应的特征featg ~N(μg,∑g)则：

tr为矩阵主对角线元素之和，即矩阵的迹。

增大GAN的规模

本文的重点是探讨增大模型的规模，训练样本的batch尺寸来获得性能上的提升。作为基础模型，选用了SA-GAN，使用hinge loss目标函数。通过class-conditional BatchNorm为G提供类信息，通过projection为D提供类信息。优化器的设置与文献[4]相同，对G使用了谱归一化，但学习率减半，G每迭代一次，D迭代两次。另外，使用了正交初始化和 Xavier初始化。每个模型按照输出图像分辨率来选用对应数量核数的TPU进行训练，如输出128x128分辨率的图像就使用128个核TPU进行训练。值得注意的是，G的批量归一化是在对所有设备一起进行的，而不是每个设备单独做自己的归一化。

首先做的是增大batch的尺寸，并立刻发现这种做法所带来的效果。下表的前面4行列出了不同batch尺寸时的得分：

从上表中的第二行和第五行记录了在不使用任何其他文中提到的改进措施情况下，batch size 分别为256 和2048时的实验结果。可以看出，在batch size增大8倍之后，IS就获得了46%的提升。作者推断这是因为batch size增大之后，每个batch中的数据覆盖到的模式更多，一场能为生成器和判别器提供更好的梯度。但是，单纯的增加batch size带来了非常明显的副作用：在迭代次数较少的情况下，效果反而更好，如果继续训练，训练过程不再稳定，并出现训练坍塌的现象。关于这个现象的原因将在下文的分析部分详细剖析。

接下来所做的是增加网络的宽度，即通道数，每一个层增加50%，网络的参数因此增加了一倍。这样做带来了21%的IS提升。增加网络的深度则没有带来这样的性能改善，反而，在ImageNet数据集上导致了性能的下降。作者认为这是因为在参数增加的情况下，模型的能力相对于数据集的复杂度过剩导致的。与增加batch size不同的是，增加宽度并不会导致训练坍塌的情况出现，只会带来性能的下降。

由于G的条件BatchNorm层有大量的参数，本文没有采用这种做法。本文选择了共享的类嵌入，线性投影到各个层的gains和biases，在减小了计算需求和内存需求的情况下，训练速度提升了37%。另外，还使用了层次隐变量空间，具体做法是将噪声向量送人到G的多个层中，而不只是输入层。使用这种方法可以是的不同分辨率不同层级的特征被噪声向量直接影响。

用截断技巧在真实性和多样性之间做折中

生成器的随机噪声输入一般使用正态分布或者均匀分布的随机数。本文采用了截断技术，对正态分布的随机数进行截断处理，实验发现这种方法的结果最好。对此的直观解释是，如果网络的随机噪声输入的随机数变动范围越大，生成的样本在标准模板上的变动就越大，因此样本的多样性就越强，但真实性可能会降低。首先用截断的正态分布N(0,1)随机数产生噪声向量Z，具体做法是如果随机数超出一定范围，则重新采样，使得其落在这个区间里。这种做法称为截断技巧：将向量Z进行截断，模超过某一指定阈值的随机数进行重采样，这样可以提高单个样本的质量，但代价是降低了样本的多样性。下图证明了这一点：

通过这种截断处理，可以在生成的数据的真实性和多样性之间进行折中。

另外还对生成器使用了正交性条件，这种正则化定义为：

其中W是权重矩阵，β是超参数。这种正则化限定性太强，本文实现时做了一些修改，保证在放松约束的同时模型又具有光滑性。实验中发现效果最好的是：

其中，1是元素值全为1的矩阵。这种简单的正则化旨在最小化filter之间的余弦相似度，对性能有显著的提升。

总结

实验结果发现，现有的GAN技巧已经足以训练处大规模的、分布式的、大批量的模型。尽管这样，训练时还是容易坍塌，实现时需要提前终止。

分析

这一段对GAN的稳定性进行了分析，着重探索了影响稳定性的因素，并给出了一些解决方案。对稳定性的分析通过对权重矩阵的奇异值进行分析而实现。作者对生成器和判别器的稳定性分别进行了分析。

生成器的不稳定性

对于GAN的稳定性，之前已经有一些探索，从分析的角度。本文着重对小规模时稳定，大规模时不稳定的问题进行分析。实验中发现，权重矩阵的前3个奇异值σ0，σ1，σ2蕴含的信息最丰富。

在训练中，G的大部分层的谱范数都是正常的，但有一些是病态的，这些谱范数随着训练的进行不断的增长，最后爆炸，导致训练坍塌。如下图所示：

为了确定上面的结论纠结是导致训练坍塌的原因，还是仅仅只是一个现象，在这里对G使用了正交正则化方法，抵抗谱爆炸问题。首先，对各个权重的最大奇异值直接进行正则化。其次，用部分奇异值分解对最大特征值进行截断处理。给定权重矩阵W，它的第一个奇异向量u0以及v0，σclamp为σ0为截断后的值。权重的更新公式为：

在实验中发现，无论是否做谱归一化，上面这种技巧都可以防止奇异值的逐步增长和爆炸。这也证明了光使用这种技巧无法保证训练的稳定性，因此还需要考虑判别器D。

判别器的不稳定性

和生成器G一样，这里也通过分析判别器D的权重矩阵的谱来揭示其行为，然后通过添加一些额外的约束条件来稳定其训练过程。通过观察D的σ0发现，和G不同的是，D的谱有很多噪声，σ0/σ1的表现很正常，奇异值在整个训练过程中会增长，在崩溃时会发生跳跃，而不是爆炸。

D的谱的峰值表明，它周期性的接收大的梯度，但Frobenius范数却是光滑的。意味着这种作用主要集中在最大的几个奇异方向。作者设想，这种噪声是最优化算法在对抗训练过程中产生的，因为G会周期性的产生强烈扰动D的批次样本。如果这种谱噪声与不稳定性有因果关系，那么一个很自然的解决办法是使用梯度惩罚，显式的对D的雅克比矩阵的变化进行正则化。实验中使用了下面的惩罚项：

其中γ的值设置为10。结果训练变得稳定，并且提高了G和D的谱的光滑性和有界性。但性能却严重退化，IS值降低了45%。降低惩罚值部分的缓解了这种退化，但增加了病态谱。用各种不同强度的正交正则化，dropout，L2正则化重复这种实验，揭示了类似的行为。即加大惩罚项，训练变得稳定，但性能变差。

另外，在实验中还观察到在训练中D的损失函数降到了0，但在崩溃发生时会发生尖锐的反弹即向上的跳跃。对这一现象的一种解释是D发生了过拟合，记住了之前的训练样本，而不是学习生成的样本和真实样本之间的有意义的分类边界。为了测试D的记忆，用ImageNet的训练和测试集对没有崩溃的判别器进行了性能测试，并统计多少比例的样本被判定为真实的或生成的。结果是，对训练样本集的准确率是98%，对测试样本集的准确率是50-55%，和随机猜测没有什么区别。这证明D确实记住了训练样本，作者认为这与D的角色一致，不是显式的进行泛化，而是提取训练样本集，为G提供有用的训练信号。

总结

作者得出的结论是，稳定性不单单来源于G或者D，而是两者在对抗训练过程中相互作用的结果。它们病态条件的症状可以用来跟踪和鉴别不稳定性，确保合理的条件被证明对于训练是必须的但对防止训练崩溃时不充分的，即必要不充分。对D进行严格的限制能确保稳定性，但会严重损失最终生成的数据的质量。以现有的技术，可以放宽这个条件并允许崩溃在训练出一个好的结果之后发生和达到更好的数据生成效果。

实验

在实验中，作者使用了ImageNet和自己的数据集作为评测，与之前的方法进行了比较。下面分别进行介绍。

ImageNet上的结果

作者用ImageNet ILSVRC 2012数据集对模型进行了验证，包括128x128，256x256，以及512x512三种分辨率。生成器和判别器的网络结构如下图所示：

参数设置为下表第8行：

对于128X128分辨率的模型，生成器和判别器的网络结构如下图所示：

最后的结果如下表所示：

本文提出的方法能够在生成的样本的质量和多样性之间组折中，不同的IS下，可以得到不同的FID。IS-FID曲线如下图所示：

内部数据集上的结果

为了验证本文提出的方法对更复杂、更大规模、更多样性的数据集也有效，作者在自己内部的数据集上也进行了测试。这个数据集有292M张图像，包括8.5K个类。比ImageNet大两个数量级。有些图像有多个标签，即输入多个类，对这种情况，作者随机从这些标签中选择一个使用。为了计算在这个样本集上训练的GAN的IS和FID，作者使用了在这个样本集上训练的Inception v2分类器。实验结果如下表所示：

所有模型在训练时的batch尺寸都是2048。

总结

本文证明了将GAN用于多类自然图像生成任务时，加大模型的规模可以显著的提高生成的图像的质量，对生成的样本的真实性和多样性都是如此。通过使用一些技巧，本文提出的方法的性能较之前的方法有了大幅度的提高。另外，还分析了大规模GAN在训练时的机制，用它们的权重矩阵的奇异值来刻画它们的稳定性。讨论了稳定性和性能即生成的图像的质量之间的相互作用和影响。

参考文献

[1] Ian Goodfellow, Jean Pouget-Abadie, Mehdi Mirza, Bing Xu, David Warde-Farley, Sherjil Ozair,

and Aaron Courville Yoshua Bengio. Generative adversarial nets. In NIPS, 2014.

[2] Tim Salimans, Ian Goodfellow, Wojciech Zaremba, Vicki Cheung, Alec Radford, and Xi Chen. Improved techniques for training GANs. In NIPS, 2016.

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