0、說在開頭

????????最近接觸到基于機器學習進行入侵檢測的項目，加上研討班上需要面向畢設預開題，在看了最近一些論文之后打算開始小白的GANs之旅，這篇先從Goodfellow在2014年最早提出GANs這一概念的文章說起，講述一下自己對于GANs框架的一些想法和理解，方便日后回顧，若有錯誤歡迎大佬指出，初學者可能有些細節講的不算清楚。

1、現狀

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? ? ? ? 在Goodfellow大神提出GAN以后，關于GANs的研究數量直線上升，如圖（圖自：GAN-zoo） 那么什么是GANs呢，全稱Generative Adversarial Nets，翻譯為生成對抗網絡。意味著GANs框架可以分為Generative跟Adversarial，即生成跟對抗兩個主要思路。

2、Basic Idea

????????生成對抗網絡主要有兩部分組成，分別是生成器G跟判別器D。判別器在本質上其實就是一個二分類模型，根據一定的判別界限，通過這個判別界限去區分樣本。如下圖，D的輸入是來自G的輸出G（z）以及真實數據X，D的輸出則是一個得分，該得分越高則表明輸入屬于真實數據集X的概率越大。而生成器是需要在給定的條件內產生數據的分布， 比如高斯分布，需要使得生成的數據擬合該分布。

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????????圖自Recent Progress on Generative AdversarialNetworks (GANs): A Survey

? ? ? ? ?簡而言之，GANs的思路是使用兩個模型，生成模型G跟判別模型D，以圖像任務為例，判別模型D用于判斷輸入的圖像是否屬于真實數據集，生成模型G的任務則是生成盡可能貼近真實數據集的圖片，欺騙判別器，讓判別器難以判斷這張圖片的真假，這就是GANs中A所代表的對抗所在。在原文中作者將G比喻成造假鈔的人，而D比喻為警察。通過兩個模型的對抗訓練，兩個模型的能力在理論上會越來越強，即生成器能生成越來越真實的數據，而判別器對真假數據的判別能力越來越強，最終兩個模型的能力達到一個納什均衡，即生成器生成的對抗樣本以假亂真，判別器的準確率約為0.5，雙方的利益都達到最大化，且不再更新自己的策略。

? ? ? ? 如上圖，將生成器比作枯葉蝶，將判別器比作捕食者，一開始枯葉蝶顏色艷麗，捕食者根據學習發現枯葉蝶不是棕色的，所以遇到顏色鮮艷的蝴蝶捕食者可以判斷其為枯葉蝶。后來枯葉蝶進化了，將自己進化為棕色，躲避捕食者。而與此同時，捕食者也相應進化，改變自己的判斷策略，學習到枯葉蝶可能是沒有葉脈紋路的，之后枯葉蝶進一步進化，而捕食者可能又進而更新策略，不斷進化。

3、Generation

? ? ? ? 生成器輸入一些隨機分布，然后生成指定的數據，我們可以使用不同的算法使生成器生成不同類型的數據，如圖像或者文字。

? ? ? ? 如圖，生成器的基本思想即為輸入一個低維的vector向量?生成一個高維的對象，而生成器自身是一個Neural Network（NN），也可以將其理解為一個函數（function）。而輸入向量的不同元素可能代表了最終輸出數據的不同表現，如下圖。

4、Discriminator

? ? ? ? ?判別器理論上是一個二分類模型，對輸入數據進行二分類任務，如下圖，給來自真實數據庫的數據打高分（接近1），給來自生成器的數據打低分（接近0）。

5、Algorithm

? ? ? ? GANs模型的目標函數如下：

? ? ? ? ?首先是maxD，意思是使得判別器能在最大概率區分訓練樣本，而生成器G的目標則是使得1-D(G(z))最小，即使得D難以區分G根據隨機分布z生成的G(z)，使得D的loss最大化。我們也可以將log(1-D(G(z)))理解為生成器G的loss。

? ? ? ? GANs模型的訓練模式分為幾個步驟：

（1）固定生成器G，更新判別器D：

? ? ? ? 首先在真實數據集中采部分樣本，?并標記為1，將根據隨機分布輸入固定生成器G生成的數據標記為0，對判別器D進行訓練，使其能夠初步識別真假數據。

（2）固定判別器D，更新生成器G

? ? ? ? 將步驟（1）中訓練得到的模型作為固定的判別器，生成器不斷更新，試圖欺騙第一階段的判器。

?（3）重復步驟1、2，得到最終模型

? ? ? ? 在訓練過程中，生成器生成的數據會越來越接近真實數據，在原文中作者給出了理論上的訓練效果，如下圖：

? ? ? ? 對于圖a，判別器D剛開始訓練，本身能力有限，有波動，只能初步區分生成數據與真實數據。在圖b中可以看見判別器D的能力有所提升，能較為明顯區分真實與生成數據。對于圖c，綠色線與黑色線之間的距離更近，說明生成器在沿著藍色的線向高處訓練，隨著訓練的持續，作者認為會達到圖d的情況，即判別器D已經無法分辨生成數據與真實數據，兩個模型達到了納什均衡，雙方策略無法進一步更新。但后續也有研究指出最終情況與作者提出的有區別，判別器D最終并不會完全失去判斷能力，而在14年以后也有大量研究使用GANs訓練后得到的判別器D執行更加精確的分類任務，如果真如作者想象，判別器D應該無法進一步執行分類任務，在之后的文章我會進一步補充這方面的內容。

6、思考

? ? ? ? 最后提出一個思考，并在后續的文章中進一步解釋。關于GANs框架，也存在一個和平的比喻，將生成器G比作學生，將判別器D比作老師。

? ? ? ? 生成器需要學習如何繪制二次元人物頭像，但最開始畫出來的圖像清晰度不夠，或者沒有顏色，也無法看出來這是一個人物，此時初代的判別器D告訴生成器，二次元人物應該有兩個圈，表示眼睛。生成器進一步學習，畫出了黑白的頭像，此時判別器D進一步提出，二次元人物應該是彩色的，然后不斷重復繪畫與提出建議的過程，老師跟學生共同進步。

????????基于這個比喻，很自然的我們會想，為什么學生不能自學？而老師知道真正的頭像長什么樣，為什么老師不能自己畫呢？這是我們后續探討的問題，在下一篇文章中我會爭取解釋這部分的問題。?

總結

以上是生活随笔為你收集整理的GANs简述 Generative Adversarial Nets的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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