实验8：生成对抗网络
一：实验目的
1：理解生成对抗网络的基本原理。
2：学会构建改进的生成对抗网络，如DCGAN、WGAN、WGAN-GP等。
3：学习在更为真实的数据集上应用生成对抗网络的方法。
二：实验要求
1：理解生成对抗网络改进算法的改进内容和改进目的。
2：参考课程资源中的2024年春第八次实验代码，完成生成对抗网络改进算法WGAN或DCGAN网络的实现。
3：在Fashion MNIST数据集上验证生成对抗网络改进算法的效果，并对其进行调优。
4：在玉米数据集上验证生成对抗网络改进算法在真实场景下对复杂数据集的生成结果。（选做）
5：撰写实验报告，对结果进行分析。
三：实验环境
本实验所使用的环境条件如下表所示。
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| 操作系统 | Ubuntu（Linux） |
| 程序语言 | Python（3.11.4） |
| 第三方依赖 | torch, torchvision, matplotlib等 |
四：实验原理
1：GAN
GAN的中文名称为生成对抗网络。GAN是一种深度学习模型，由一个生成器网络和一个判别器网络组成，它们相互竞争地学习生成逼真的数据样本。GAN的核心思想是通过对抗训练来使生成器生成逼真的数据样本，同时训练判别器来区分真实数据样本和生成的数据样本。
【1】生成器网络
生成器网络的目标是接收一个随机噪声向量（通常服从某种先验分布，如均匀分布或正态分布）作为输入，并生成与真实数据样本相似的假数据样本。生成器网络通常由一系列反卷积层（也称为转置卷积层）组成，用于逐渐将输入噪声向量映射到数据空间。生成器网络的输出通常通过某种激活函数（如sigmoid、tanh等）进行转换，以确保生成的数据在合适的范围内。
生成器的训练过程如下图所示。
【2】判别器网络
判别器网络的目标是接收真实数据样本或生成的假数据样本作为输入，并输出一个标量值，表示输入数据是真实数据样本的概率。判别器网络通常由一系列卷积层组成，用于从输入数据中提取特征，并最终将这些特征映射到一个标量输出。判别器的输出通常通过sigmoid激活函数进行转换，将其限制在0到1之间，以表示输入数据是真实数据样本的概率。
判别器的训练过程如下图所示。
【3】对抗训练
在对抗训练中，生成器和判别器网络相互竞争，以改善其性能。生成器试图生成越来越逼真的假数据样本，以欺骗判别器，使其无法区分生成的假数据样本和真实数据样本。而判别器则试图提高其准确性，以尽可能准确地区分真实数据样本和生成的假数据样本。这种竞争的动态最终导致了生成器生成逼真的数据样本。
【4】损失函数
生成对抗网络使用两个损失函数来训练生成器和判别器。对于判别器，损失函数通常是二元交叉熵损失函数，用于衡量判别器在真实数据样本和生成的假数据样本上的分类性能。对于生成器，损失函数通常是判别器在生成的假数据样本上的输出与真实标签（即1）之间的二元交叉熵损失函数。通过最小化生成器和判别器的损失函数，可以实现对抗训练。
2：GAN的变种
目前GAN的变体主要从网络结构、条件生成网络、图像翻译、归一化和限制、损失函数、评价指标等方面进行改进。
变体的发展过程如下图所示。
其中，DCGAN（Deep Convolutional Generative Adversarial Networks）、WGAN（Wasserstein Generative Adversarial Networks）和 WGAN-GP（Wasserstein Generative Adversarial Networks with Gradient Penalty）都是GAN的常见变体，用于生成逼真的图像。
上述三种GAN变种的对比如下：
【1】损失函数
DCGAN：DCGAN使用交叉熵损失函数来训练生成器和判别器。
WGAN：WGAN引入了Wasserstein距离作为生成器和判别器之间的损失函数。Wasserstein距离能够更好地衡量生成分布和真实分布之间的差异，从而提高了训练的稳定性。
WGAN-GP：WGAN-GP在WGAN的基础上引入了梯度惩罚项，用于限制判别器的梯度，从而进一步提高了训练的稳定性和生成图像的质量。
【2】训练稳定性
DCGAN：DCGAN在训练过程中可能会出现训练不稳定的问题，例如模式崩溃（mode collapse）和梯度消失等。
WGAN：WGAN的损失函数设计使其更加稳定，可以缓解训练过程中出现的模式崩溃和梯度消失等问题，有助于生成更加高质量和多样化的图像。
WGAN-GP：WGAN-GP进一步改进了WGAN的稳定性，通过梯度惩罚项有效地限制了判别器的梯度，减轻了训练过程中的梯度爆炸和梯度消失问题。
五：算法流程
- 数据准备。准备训练所需的Fashion MNIST数据集。
- 网络构建。利用PyTorch框架搭建不同GAN的判别器和生成器。
- 可视化数据。导出生成器和判别器随着迭代次数所变化的损失曲线图像，同时利用生成器生成图像。
六：实验展示
1：DCGAN在Fashion MNIST数据集上的应用
DCGAN的生成器网络构建，如下图所示。
DCGAN的判别器网络构建，如下图所示。
DCGAN使用的损失函数为BCE损失函数，优化器使用Adam，优化器的学习率为0.0002，训练迭代次数为30次。
DCGAN中判别器和生成器的损失曲线，如下图所示。其中，橘色部分为生成器、蓝色部分为判别器。
DCGAN的生成效果，如下图所示。
2：WGAN在Fashion MNIST数据集上的应用
WGAN的生成器网络构建，如下图所示。
WGAN的判别器网络构建，如下图所示。
WGAN使用的损失函数为Wasserstein距离损失函数，优化器使用RMSprop，优化器的学习率为0.00005，训练迭代次数为30次。
WGAN中判别器和生成器的损失曲线，如下图所示。其中，橘色部分为生成器、蓝色部分为判别器。
WGAN的生成效果，如下图所示。
3：DCGAN在大米数据集上的应用
DCGAN的超参数和训练过程与第1部分类似，但是迭代次数变为了500，加载数据集时将图像尺寸压缩为了28*28。
DCGAN中判别器和生成器的损失曲线，如下图所示。其中，橘色部分为生成器、蓝色部分为判别器。
DCGAN的生成效果，如下图所示。生成的图像中包含4粒大米。
源数据集的图像样本如下。
4：DCGAN在玉米数据集上的应用
DCGAN的超参数和训练过程与第1部分类似，但是迭代次数变为了500，加载数据集时将图像尺寸压缩为了28*28。
DCGAN中判别器和生成器的损失曲线，如下图所示。其中，橘色部分为生成器、蓝色部分为判别器。
DCGAN的生成效果，如下图所示。生成的图像中包含4个玉米。
源数据集的图像样本如下。
七：实验结论与心得
1：生成对抗网络利用生成器和判别器之间的对抗训练机制，能够有效地生成逼真的数据样本，在图像生成、文本生成、图像转换等领域广泛应用。
2：GAN的性能很大程度上受到超参数的影响，如学习率、潜在空间维度、网络结构等。
3：GAN相比较其他生成模型（玻尔兹曼机等），只用到了反向传播,不需要复杂的马尔科夫链，且可以产生更加清晰、真实的样本。
4：GAN采用无监督的学习方式训练，可以被广泛用在无监督学习和半监督学习领域。
5：如果生成器生成的样本，判别器判定为真实的，则说明生成器的效果是较好的，因而可以用判别器来评价生成器，即判别的性能越差，说明生成器的性能越好。
八：主要代码
1：DCGAN源代码
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| import torch from torch import nn, optim from torchvision import datasets, transforms, utils from torch.utils.data import DataLoader import matplotlib.pyplot as plt # 设备配置 device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") # 数据预处理 transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)) ]) # 加载数据集 train_data = datasets.FashionMNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform) train_loader = DataLoader(train_data, batch_size=128, shuffle=True) # 生成器 class Generator(nn.Module): def init(self): super(Generator, self).init() self.main = nn.Sequential( # 输入是一个 100 维的噪声向量，我们将其投射并reshape成 1x1x128 的大小 nn.Linear(100, 128*7*7), nn.BatchNorm1d(128*7*7), nn.ReLU(True), nn.Unflatten(1, (128, 7, 7)), nn.ConvTranspose2d(128, 64, 4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(64), nn.ReLU(True), nn.ConvTranspose2d(64, 1, 4, stride=2, padding=1), nn.Tanh() ) def forward(self, x): return self.main(x) # 判别器 class Discriminator(nn.Module): def init(self): super(Discriminator, self).init() self.main = nn.Sequential( nn.Conv2d(1, 64, 4, stride=2, padding=1), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Conv2d(64, 128, 4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(128), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Flatten(), nn.Linear(128*7*7, 1), nn.Sigmoid() ) def forward(self, x): return self.main(x) # 实例化模型 netG = Generator().to(device) netD = Discriminator().to(device) # 损失函数和优化器 criterion = nn.BCELoss() optimizerD = optim.Adam(netD.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999)) optimizerG = optim.Adam(netG.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999)) # 训练 num_epochs = 30 lossD = [] lossG = [] for epoch in range(num_epochs): for i, (images, ) in enumerate(train_loader): # 更新判别器：maximize log(D(x)) + log(1 - D(G(z))) netD.zero_grad() real_data = images.to(device) batch_size = real_data.size(0) labels = torch.full((batch_size,), 1, dtype=torch.float, device=device) output = netD(real_data) labels = labels.view(-1, 1) lossD_real = criterion(output, labels) lossD_real.backward() noise = torch.randn(batch_size, 100, device=device) fake_data = netG(noise) labels.fill(0) output = netD(fake_data.detach()) lossD_fake = criterion(output, labels) lossD_fake.backward() optimizerD.step() # 更新生成器：minimize log(1 - D(G(z))) ≈ maximize log(D(G(z))) netG.zero_grad() labels.fill_(1) # fake labels are real for generator cost output = netD(fake_data) loss_G = criterion(output, labels) loss_G.backward() optimizerG.step() lossD.append(lossD_real.item() + lossD_fake.item()) lossG.append(loss_G.item()) if (i+1) % 100 == 0: print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Step [{i+1}/{len(train_loader)}], Loss_D: {lossD_real.item() + lossD_fake.item():.4f}, Loss_G: {loss_G.item():.4f}') # 可视化一些生成的图片 noise = torch.randn(64, 100, device=device) fake_images = netG(noise) fake_images = fake_images.reshape(fake_images.size(0), 1, 28, 28) fake_images = (fake_images + 1) / 2 # 调整像素值范围到 [0, 1] img_grid = utils.make_grid(fake_images, normalize=True) img_grid = img_grid.cpu() # 首先将张量移至 CPU plt.imshow(img_grid.permute(1, 2, 0).numpy()) plt.savefig("z.png") plt.close() # 绘制曲线 y_values1 = lossD y_values2 = lossG x_values = range(1, len(y_values1) + 1) plt.plot(x_values, y_values1, label='Discriminator Loss') plt.plot(x_values, y_values2, label='Generator Loss') # 添加标题和标签 plt.title('loss for discriminator and generator') plt.xlabel('Batch') plt.ylabel('Loss') plt.legend(['Discriminator', 'Generator']) # 显示图形 plt.savefig('loss-DCGAN.png') |
2：WGAN源代码
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| import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim from torchvision import datasets, transforms import matplotlib.pyplot as plt # 设备配置 device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") # 定义生成器网络 class Generator(nn.Module): def init(self, latent_dim, img_shape): super(Generator, self).init() self.model = nn.Sequential( nn.Linear(latent_dim, 128), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Linear(128, 256), nn.BatchNorm1d(256), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Linear(256, img_shape), nn.Tanh() ) def forward(self, z): z = z.to(next(self.parameters()).device) img = self.model(z) return img # 定义判别器网络 class Discriminator(nn.Module): def init(self, img_shape): super(Discriminator, self).init() self.model = nn.Sequential( nn.Linear(img_shape, 256), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Linear(256, 128), nn.BatchNorm1d(128), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Linear(128, 1) ) def forward(self, img): validity = self.model(img) return validity # 参数 latent_dim = 100 img_shape = 28 * 28 batch_size = 64 # 准备数据 transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)) ]) train_dataset = datasets.FashionMNIST(root='./data', train=True, transform=transform, download=True) train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True) # 初始化网络和优化器 generator = Generator(latent_dim, img_shape).to(device) discriminator = Discriminator(img_shape).to(device) optimizer_G = optim.RMSprop(generator.parameters(), lr=0.00005) optimizer_D = optim.RMSprop(discriminator.parameters(), lr=0.00005) # 训练模型 lossD = [] lossG = [] n_epochs = 30 for epoch in range(n_epochs): for i, (imgs, ) in enumerate(train_loader): # 训练判别器 optimizer_D.zero_grad() # 真实图像 real_imgs = imgs.view(-1, img_shape).to(device) validity_real = discriminator(real_imgs) # 生成潜在空间向量 z = torch.randn(batch_size, latent_dim).to(device) fake_imgs = generator(z).detach() validity_fake = discriminator(fake_imgs) # 计算损失 d_loss = -torch.mean(validity_real) + torch.mean(validity_fake) d_loss_item = d_loss.item() # 反向传播和优化 d_loss.backward() optimizer_D.step() # 限制判别器参数 for p in discriminator.parameters(): p.data.clamp(-0.01, 0.01) # 训练生成器 optimizer_G.zero_grad() # 生成潜在空间向量 z = torch.randn(batch_size, latent_dim) fake_imgs = generator(z) validity = discriminator(fake_imgs) # 计算损失 g_loss = -torch.mean(validity) g_loss_item = g_loss.item() # 反向传播和优化 g_loss.backward() optimizer_G.step() lossD.append(d_loss.item()) lossG.append(g_loss.item()) # 打印损失信息 if i % 500 == 0: print( "[Epoch %d/%d] [Batch %d/%d] [D loss: %.4f] [G loss: %.4f]" % (epoch, n_epochs, i, len(train_loader), d_loss.item(), g_loss.item()) ) # 生成图像 z = torch.randn(64, latent_dim, device=device) generated_images = generator(z) generated_images = generated_images.detach().cpu().numpy() # 显示生成的图像 fig, axes = plt.subplots(nrows=8, ncols=8, figsize=(10, 10)) for i, ax in enumerate(axes.flatten()): ax.imshow(generated_images[i].reshape(28, 28), cmap='gray') ax.axis('off') plt.tight_layout() plt.savefig('zz.png') plt.close() # 绘制曲线 y_values1 = lossD y_values2 = lossG x_values = range(1, len(y_values1) + 1) plt.plot(x_values, y_values1, label='Discriminator Loss') plt.plot(x_values, y_values2, label='Generator Loss') # 添加标题和标签 plt.title('loss for discriminator and generator') plt.xlabel('Batch') plt.ylabel('Loss') plt.legend(['Discriminator', 'Generator']) # 显示图形 plt.savefig('loss-WGAN.png') |
3：玉米数据集上的DCGAN
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| import torch from torch import nn, optim from torchvision import transforms, utils import matplotlib.pyplot as plt import os from PIL import Image from torch.utils.data import Dataset, DataLoader class CustomDataset(Dataset): def init(self, data_dir, transform=None): self.data_dir = data_dir self.transform = transform self.image_files = os.listdir(data_dir) def len(self): return len(self.image_files) def getitem(self, idx): img_name = os.path.join(self.data_dir, self.image_files[idx]) image = Image.open(img_name).convert("RGB") # 读取图像，并转换为RGB格式 if self.transform: image = self.transform(image) return image # 数据集文件夹路径 data_dir = r"/home/ubuntu/zz-test" # 设备配置 device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") # 数据预处理 transform = transforms.Compose([ transforms.Resize((28, 28)), # 将图像调整为28x28大小 transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)) ]) # 加载数据集 train_data = CustomDataset(data_dir, transform=transform) train_loader = DataLoader(train_data, batch_size=32, shuffle=True) # 生成器 class Generator(nn.Module): def init(self): super(Generator, self).init() self.main = nn.Sequential( nn.Linear(100, 128*7*7), nn.BatchNorm1d(128*7*7), nn.ReLU(True), nn.Unflatten(1, (128, 7, 7)), nn.ConvTranspose2d(128, 64, 4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(64), nn.ReLU(True), nn.ConvTranspose2d(64, 3, 4, stride=2, padding=1), # 修改这里的输出通道数为3 nn.Tanh() ) def forward(self, x): return self.main(x) # 判别器 class Discriminator(nn.Module): def init(self): super(Discriminator, self).init() self.main = nn.Sequential( nn.Conv2d(3, 64, 4, stride=2, padding=1), # 修改这里的输入通道数为3 nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Conv2d(64, 128, 4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(128), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Flatten(), nn.Linear(128*7*7, 1), nn.Sigmoid() ) def forward(self, x): return self.main(x) # 实例化模型 netG = Generator().to(device) netD = Discriminator().to(device) # 损失函数和优化器 criterion = nn.BCELoss() optimizerD = optim.Adam(netD.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999)) optimizerG = optim.Adam(netG.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999)) # 训练 num_epochs = 500 lossD = [] lossG = [] for epoch in range(num_epochs): for i, images in enumerate(train_loader): # 更新判别器：maximize log(D(x)) + log(1 - D(G(z))) netD.zero_grad() real_data = images.to(device) batch_size = real_data.size(0) labels = torch.full((batch_size,), 1, dtype=torch.float, device=device) output = netD(real_data) labels = labels.view(-1, 1) lossD_real = criterion(output, labels) lossD_real.backward() noise = torch.randn(batch_size, 100, device=device) fake_data = netG(noise) labels.fill_(0) output = netD(fake_data.detach()) lossD_fake = criterion(output, labels) lossD_fake.backward() optimizerD.step() # 更新生成器：minimize log(1 - D(G(z))) ≈ maximize log(D(G(z))) netG.zero_grad() labels.fill_(1) # fake labels are real for generator cost output = netD(fake_data) loss_G = criterion(output, labels) loss_G.backward() optimizerG.step() lossD.append(lossD_real.item() + lossD_fake.item()) lossG.append(loss_G.item()) if (i+1) % 100 == 0: print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Step [{i+1}/{len(train_loader)}], Loss_D: {lossD_real.item() + lossD_fake.item():.4f}, Loss_G: {loss_G.item():.4f}') # 保存生成的图像 noise = torch.randn(4, 100, device=device) fake_images = netG(noise) fake_images = (fake_images + 1) / 2 # 调整像素值范围到 [0, 1] img_grid = utils.make_grid(fake_images, nrow=2, normalize=True) # 将图像网格化，并且每行显示8张图像 img_grid = img_grid.permute(1, 2, 0).cpu().numpy() # 将张量转换为NumPy数组，并将通道维度放到最后 plt.imshow(img_grid) plt.axis('off') # 关闭坐标轴 plt.savefig("generated_images.png") plt.close() # 绘制损失曲线 plt.plot(lossD, label='Discriminator Loss') plt.plot(lossG, label='Generator Loss') # 添加标题和标签 plt.title('Loss for Discriminator and Generator') plt.xlabel('Batch') plt.ylabel('Loss') plt.legend() # 保存损失曲线图 plt.savefig('loss-DCGAN.png') plt.close() |