生成对抗网络（Generative Adversarial Networks，简称GANs）是一类基于博弈论的学习生成模型的方法[1]。GANs的目标是训练一个生成器网络 G ( z ; θ ( G ) ) G(z; \pmb{θ}^{(G)}) G(z;θ(G))，通过将噪声向量 z z z 转换为样本 x = G ( z ; θ ( G ) ) x = G(z; \pmb{θ}^{(G)}) x=G(z;θ(G))，从数据分布 p d a t a ( x ) p_{data}(x) pdata(x) 中生成样本。生成器 G G G 的训练信号来自一个判别器网络 D ( x ) D(x) D(x)，该网络被训练用于区分生成器分布 p m o d e l ( x ) p_{model}(x) pmodel(x) 的样本和真实数据。生成器网络 G G G 反过来被训练，以使判别器接受其输出为真实样本。
训练生成对抗网络（GANs）涉及寻找一个两个玩家的非合作博弈的纳什均衡点。每个玩家希望最小化其自己的代价函数，对于判别器来说是 J ( D ) ( θ ( D ) , θ ( G ) ) J^{(D)}(\pmb{θ}^{(D)}, \pmb{θ}^{(G)}) J(D)(θ(D),θ(G))，对于生成器来说是 J ( G ) ( θ ( D ) , θ ( G ) ) J^{(G)}(\pmb{θ}^{(D)}, \pmb{θ}^{(G)}) J(G)(θ(D),θ(G))。纳什均衡是一个点 ( θ ( D ) , θ ( G ) ) (\pmb{θ}^{(D)}, \pmb{θ}^{(G)}) (θ(D),θ(G))，使得 J ( D ) J^{(D)} J(D) 在 θ ( D ) \pmb{θ}^{(D)} θ(D) 方面达到最小值，而 J ( G ) J^{(G)} J(G) 在 θ ( G ) \pmb{θ}^{(G)} θ(G) 方面达到最小值。然而，寻找纳什均衡是一个非常困难的问题。虽然对于特定情况存在一些算法，但我们不知道有任何适用于GAN博弈的方法，其中代价函数是非凸的，参数是连续的，且参数空间极高维。
每个玩家的最小化代价函数即纳什均衡的观念似乎直观地支持使用传统的基于梯度的最小化技术同时最小化每个玩家的代价。然而，减小 θ ( D ) \pmb{θ}^{(D)} θ(D) 以减少 J ( D ) J^{(D)} J(D) 可能会增加 J ( G ) J^{(G)} J(G)，而减小 θ ( G ) \pmb{θ}^{(G)} θ(G) 以减少 J ( G ) J^{(G)} J(G) 可能会增加 J ( D ) J^{(D)} J(D)。梯度下降因此在许多博弈中无法收敛。例如，当一个玩家相对于 x x x 最小化 x y xy xy，而另一个玩家相对于 y y y 最小化 − x y -xy −xy，梯度下降进入一个稳定轨道，而不是收敛到期望的均衡点 x = y = 0 x = y = 0 x=y=0 [15]。因此，以前的GAN训练方法在每个玩家的代价上同时应用梯度下降，尽管没有保证此过程将收敛。我们引入了以下启发式的技术，以鼓励收敛：
设 f ( x ) \pmb{f}(x) f(x) 表示判别器中间层的激活，我们为生成器定义的新目标是： ∣ ∣ E x ∼ p d a t a f ( x ) − E z ∼ p z ( z ) f ( G ( z ) ) ∣ ∣ 2 2 ||\mathbb{E}{x∼p{data}} \pmb{f}(x) − \mathbb{E}_{z∼p_z(z)} \pmb{f}(G(z))||^2_2 ∣∣Ex∼pdataf(x)−Ez∼pz(z)f(G(z))∣∣22。判别器和 f ( x ) \pmb{f}(x) f(x) 均以通常的方式训练。与常规的GAN训练一样，该目标具有一个固定点，其中 G G G 完全匹配训练数据的分布。我们不能保证在实践中达到这一固定点，但我们的实证结果表明，特征匹配在常规GAN变得不稳定的情况下确实是有效的。
小批量判别的概念非常普遍：任何判别器模型，它查看多个示例的组合，而不是孤立地查看，都有可能有助于避免生成器的崩溃。实际上，Radford等人通过在判别器中成功应用批归一化的做法[3]从这个角度解释得很好。然而，到目前为止，我们的实验仅限于明确旨在识别特别接近的生成器样本的模型。一个成功的规范是对建模小批量中示例之间的紧密程度的如下描述：令 f ( x i ) ∈ R A f(x_i) ∈ \mathbb{R}^A f(xi)∈RA 表示输入 x i x_i xi 在判别器的某个中间层产生的特征向量。然后，将向量 f ( x i ) f(x_i) f(xi) 与张量 T ∈ R A × B × C T ∈ \mathbb{R}^{A×B×C} T∈RA×B×C 相乘，得到矩阵 M i ∈ R B × C M_i ∈ \mathbb{R}^{B×C} Mi∈RB×C。然后，计算结果矩阵 M i M_i Mi 的行之间的L1距离，跨越样本 i ∈ { 1 , 2 , . . . , n } i ∈ \{1, 2, . . . , n\} i∈{1,2,...,n}，并应用负指数函数（图1）： c b ( x i , x j ) = e x p ( − ∣ ∣ M i , b − M j , b ∣ ∣ L 1 ) ∈ R c_b(x_i, x_j) = exp(−||M_{i,b} - M_{j,b}||_{L1}) ∈ \mathbb{R} cb(xi,xj)=exp(−∣∣Mi,b−Mj,b∣∣L1)∈R。小批量层的输出 o ( x i ) o(x_i) o(xi) 对于样本 x i x_i xi 定义为与所有其他样本的 c b ( x i , x j ) c_b(x_i, x_j) cb(xi,xj) 之和：
o ( x i ) b = ∑ j = 1 n c b ( x i , x j ) ∈ R o ( x i ) = [ o ( x i ) 1 , o ( x i ) 2 , . . . , o ( x i ) B ] ∈ R B o ( X ) ∈ R n × B \begin{align} o(x_i)b & = \sum{j=1}^{n} c_b(x_i, x_j) \in \mathbb{R} \\ o(x_i) & = [o(x_i)_1, o(x_i)_2, ..., o(x_i)_B] \in \mathbb{R}^B \\ o(X) & \in \mathbb{R}^{n \times B} \end{align} o(xi)bo(xi)o(X)=j=1∑ncb(xi,xj)∈R=[o(xi)1,o(xi)2,...,o(xi)B]∈RB∈Rn×B
图1：图示了小批量判别的工作原理。来自样本 x i x_i xi 的特征 f ( x i ) f(x_i) f(xi) 通过张量 T T T 相乘，并计算交叉样本距离。
接下来，我们将小批量层的输出 o ( x i ) o(x_i) o(xi) 与作为其输入的中间特征 f ( x i ) f(x_i) f(xi) 进行连接，然后将结果输入判别器的下一层。我们分别为来自生成器和训练数据的样本计算这些小批量特征。与以前一样，判别器仍需要为每个示例输出一个单一数字，指示其来自训练数据的可能性：判别器的任务实际上仍然是将单个示例分类为真实数据还是生成数据，但现在它能够使用小批量中的其他示例作为辅助信息。小批量判别使我们能够快速生成视觉吸引人的样本，在这方面它优于特征匹配（第6节）。有趣的是，然而，特征匹配在使用第5节中描述的半监督学习方法来获得强分类器方面表现更好。
3.3 历史平均法（Historical averaging）
在应用这种技术时，我们修改每个玩家的代价，包括一个项 ∣ ∣ θ − 1 t ∑ i = 1 t θ [ i ] ∣ ∣ 2 ||\pmb{θ} - \frac{1}{t} \sum_{i=1}^{t} \pmb{θ}[i]||^2 ∣∣θ−t1∑i=1tθ[i]∣∣2，其中 θ [ i ] \pmb{θ}[i] θ[i] 是过去时间点 i 处的参数值。参数的历史平均可以以在线方式更新，因此这种学习规则适用于长时间序列。这种方法受到虚拟游戏[16]算法的启发，该算法可以在其他类型的游戏中找到均衡点。我们发现，我们的方法能够找到低维连续非凸博弈的均衡点，例如，一个玩家控制 x x x，另一个玩家控制 y y y，价值函数为 ( f ( x ) − 1 ) ( y − 1 ) (f(x) - 1)(y - 1) (f(x)−1)(y−1)，其中 f ( x ) = x f(x) = x f(x)=x（对于 x < 0 x < 0 x<0）和 f ( x ) = x 2 f(x) = x^2 f(x)=x2（其他情况）。对于这些玩具游戏，梯度下降失败，进入不逼近均衡点的扩展轨道。
3.4 单侧标签平滑（One-sided label smoothing）
标签平滑是20世纪80年代的一项技术，最近由Szegedy等人[17]独立重新发现，它用平滑的值（如0.9或0.1）替换分类器的0和1目标，并且最近被证明可以减少神经网络对对抗性示例的脆弱性[18]。将正分类目标替换为α，负目标替换为β，最优判别器变为 D ( x ) = α p d a t a ( x ) + β p m o d e l ( x ) p d a t a ( x ) + p m o d e l ( x ) D(x) = \frac{αp_{data}(x)+βp_{model}(x)}{p_{data}(x)+p_{model}(x)} D(x)=pdata(x)+pmodel(x)αpdata(x)+βpmodel(x)。分子中的 p m o d e l p_{model} pmodel 的存在是有问题的，因为在 p d a t a p_{data} pdata 接近零且 p m o d e l p_{model} pmodel 较大的区域中，来自 p m o d e l p_{model} pmodel 的错误样本没有动力靠近数据。因此，我们只对正标签进行平滑处理，将负标签设为0。
3.5 虚拟批归一化（Virtual batch normalization）
批归一化极大地改善了神经网络的优化，并且已被证明对DCGANs[3]非常有效。然而，它导致神经网络对于输入示例 x x x 的输出在同一小批量中的其他输入 x 0 x_0 x0 高度相关。为了避免这个问题，我们引入虚拟批归一化（VBN），其中每个示例 x x x 基于对参考示例批次的统计信息进行归一化，这些参考示例在训练开始时被选择一次并固定下来，以及基于 x x x 本身。参考批次仅使用其自己的统计数据进行归一化。VBN在计算上是昂贵的，因为它需要在两个数据小批次上运行前向传播，因此我们仅在生成器网络中使用它。
作为人类标注员的替代方案，我们提出了一种自动方法来评估样本，我们发现这种方法与人类评估很好地相关：我们将Inception模型[1](#1) [19] 应用于每个生成的图像，以获得条件标签分布 p ( y ∣ x ) p(y|x) p(y∣x)。包含有意义对象的图像应该具有低熵的条件标签分布 p ( y ∣ x ) p(y|x) p(y∣x)。此外，我们期望模型生成各种各样的图像，因此边缘分布 p ( y ∣ x = G ( z ) ) d z p(y|x = G(z))dz p(y∣x=G(z))dz 应该具有高熵。结合这两个要求，我们提出的度量是： e x p ( E x K L ( p ( y ∣ x ) ∣ ∣ p ( y ) ) ) exp(E_xKL(p(y|x)||p(y))) exp(ExKL(p(y∣x)∣∣p(y)))，我们对结果进行指数化，以便更容易比较值。我们的Inception得分与CatGAN [14]中用于训练生成模型的目标密切相关：虽然我们在训练时没有取得太大成功，但我们发现它是一个很好的评估指标，与人类判断非常相关。我们发现，在评估这个指标时，对足够多的样本（即50k）进行评估是很重要的，因为该指标的一部分衡量了多样性。
5 半监督学习
考虑一个用于将数据点 x x x 分类为 K K K 个可能类别之一的标准分类器。这样的模型将 x x x 作为输入，并输出一个 K 维的对数向量 { l 1 , . . . , l K l_1, . . . , l_K l1,...,lK}，可以通过应用 softmax 转化为类别概率： p model ( y = j ∣ x ) = e x p ( l j ) ∑ k = 1 K e x p ( l k ) p_{\text{model}}(y = j|x) = \frac{exp(l_j)}{\sum_{k=1}^{K} exp(l_k)} pmodel(y=j∣x)=∑k=1Kexp(lk)exp(lj)。在监督学习中，这样的模型通过最小化观察到的标签与模型预测分布 p model ( y ∣ x ) p_{\text{model}}(y|x) pmodel(y∣x) 之间的交叉熵来进行训练。
我们可以通过将来自 GAN 生成器 G G G 的样本添加到我们的数据集中来使用任何标准分类器进行半监督学习，将它们标记为新的 "生成" 类别 y = K + 1 y = K + 1 y=K+1，并相应地将我们的分类器输出维度从 K K K 增加到 K + 1 K + 1 K+1。然后我们可以使用 p model ( y = K + 1 ∣ x ) p_{\text{model}}(y = K + 1 | x) pmodel(y=K+1∣x) 来提供 x x x 是假的概率，对应于原始 GAN 框架中的 1 − D ( x ) 1 - D(x) 1−D(x)。现在，我们还可以从无标签数据中进行学习，只要我们知道它与 K K K 类真实数据之一相对应，通过最大化 l o g p model ( y ∈ { 1 , . . . , K } ∣ x ) log p_{\text{model}}(y \in \{1, . . . , K\}|x) logpmodel(y∈{1,...,K}∣x)。
L = − E x , y ∼ p data ( x , y ) [ log p model ( y ∣ x ) ] − E x ∼ G [ log p model ( y = K + 1 ∣ x ) ] = L supervised + L unsupervised \begin{align} L & = -\mathbb{E}{x,y \sim p{\text{data}}(x,y)} [\log p_{\text{model}}(y|x)] - \mathbb{E}{x \sim G} [\log p{\text{model}}(y = K + 1|x)] \\ & = L_{\text{supervised}} + L_{\text{unsupervised}} \end{align} L=−Ex,y∼pdata(x,y)[logpmodel(y∣x)]−Ex∼G[logpmodel(y=K+1∣x)]=Lsupervised+Lunsupervised
，其中
L supervised = − E x , y ∼ p data ( x , y ) log p model ( y ∣ x , y < K + 1 ) L unsupervised = − { E x ∼ p data ( x ) log [ 1 − p model ( y = K + 1 ∣ x ) ] + E x ∼ G log [ p model ( y = K + 1 ∣ x ) ] } \begin{align} L_{\text{supervised}} & = -\mathbb{E}{x,y \sim p{\text{data}}(x,y)} \log p_{\text{model}}(y|x, y < K + 1) \\ L_{\text{unsupervised}} & = -\{\mathbb{E}{x \sim p{\text{data}}(x)} \log[1 - p_{\text{model}}(y = K + 1|x)] + \mathbb{E}{x \sim G} \log[p{\text{model}}(y = K + 1|x)]\} \end{align} LsupervisedLunsupervised=−Ex,y∼pdata(x,y)logpmodel(y∣x,y<K+1)=−{Ex∼pdata(x)log[1−pmodel(y=K+1∣x)]+Ex∼Glog[pmodel(y=K+1∣x)]}
在这里，我们将总的交叉熵损失分解为标准监督损失函数 L supervised L_{\text{supervised}} Lsupervised（给定数据为真时标签的负对数概率）和一个无监督损失 L unsupervised L_{\text{unsupervised}} Lunsupervised，事实上，它就是标准的 GAN 博弈值，当我们将 D ( x ) = 1 − p model ( y = K + 1 ∣ x ) D(x) = 1 - p_{\text{model}}(y = K + 1|x) D(x)=1−pmodel(y=K+1∣x) 代入表达式时，这一点变得明显：
L unsupervised = − { E x ∼ p data ( x ) log D ( x ) + E z ∼ noise log ( 1 − D ( G ( z ) ) ) } L_{\text{unsupervised}} = -\{\mathbb{E}{x \sim p{\text{data}}(x)} \log D(x) + \mathbb{E}_{z \sim \text{noise}} \log(1 - D(G(z)))\} Lunsupervised=−{Ex∼pdata(x)logD(x)+Ez∼noiselog(1−D(G(z)))}。
最小化 L supervised L_{\text{supervised}} Lsupervised 和 L unsupervised L_{\text{unsupervised}} Lunsupervised 的最佳解是使 e x p [ l j ( x ) ] = c ( x ) p ( y = j , x ) exp[l_j (x)] = c(x)p(y=j, x) exp[lj(x)]=c(x)p(y=j,x) 对所有 j < K + 1 j < K + 1 j<K+1，以及 e x p [ l K + 1 ( x ) ] = c ( x ) p G ( x ) exp[l_{K+1}(x)] = c(x)p_G(x) exp[lK+1(x)]=c(x)pG(x)，其中 c ( x ) c(x) c(x) 是一个未确定的缩放函数。因此，无监督损失从 Sutskever 等人 [13] 的角度来看与监督损失是一致的，我们可以通过共同最小化这两个损失函数来更好地从数据中估计这个最优解。实际上，当对于我们的分类器来说，最小化 L unsupervised L_{\text{unsupervised}} Lunsupervised 不是微不足道的时， L unsupervised L_{\text{unsupervised}} Lunsupervised 可能会有所帮助，因此我们需要训练 G G G 来近似数据分布。一种做法是通过训练 G G G 来最小化 GAN 博弈值，使用由我们的分类器定义的判别器 D D D。这种方法引入了 G G G 和我们的分类器之间的相互作用，我们尚未完全理解，但实际上我们发现，使用特征匹配 GAN 来优化 G G G 在半监督学习中非常有效，而使用带有小批次判别的 GAN 来训练 G G G 则根本不起作用。在这里，我们使用这种方法呈现我们的实证结果；使用这种方法开发关于 D D D 和 G G G 之间相互作用的完整理论理解将留待将来的工作。
最后，注意我们的具有 K + 1 输出的分类器是过度参数化的：从每个输出逻辑中减去一个一般函数 f(x)，即将 l j ( x ) ← l j ( x ) − f ( x ) l_j (x) \leftarrow l_j (x) - f(x) lj(x)←lj(x)−f(x) 对所有 j j j，不会改变 softmax 的输出。这意味着我们可以等效地固定 l K + 1 ( x ) = 0 l_{K+1}(x) = 0 lK+1(x)=0 对所有 x x x，在这种情况下， L supervised L_{\text{supervised}} Lsupervised 变为我们原始具有 K 个类别的分类器的标准监督损失函数，而我们的判别器 D D D 给出为 D ( x ) = Z ( x ) Z ( x ) + 1 D(x) = \frac{Z(x)}{Z(x)+1} D(x)=Z(x)+1Z(x)，其中 Z ( x ) = ∑ k = 1 K e x p [ l k ( x ) ] Z(x) = \sum_{k=1}^{K} exp[l_k(x)] Z(x)=∑k=1Kexp[lk(x)]。
5.1 标签对图像质量的重要性
除了在半监督学习方面取得了最先进的结果，上述方法还具有出乎意料的效果，即通过人类标注员的评价来改善生成图像的质量。原因似乎是人类视觉系统对能够帮助推断图像所代表的对象类别的图像统计信息非常敏感，而对于解释图像的不太重要的局部统计信息可能相对不太敏感。这得到了我们在第4节中开发的Inception得分和人类标注员报告的质量之间高度相关性的支持，该得分明确构建用于衡量生成图像的"物体性"。通过让判别器 D D D 对图像中显示的对象进行分类，我们会使其形成一个内部表示，强调与人类强调的相同特征。这种效果可以理解为一种迁移学习的方法，可能可以更广泛地应用。我们将进一步探讨这种可能性留待未来的工作。
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