*本文由RS components 贊助發表，轉載自DesignSpark部落格原文連結
DCGAN 到 cDCGAN
先來稍微複習一下DCGAN （深度捲積生成對抗網路），字面上就是利用捲積網路的架構來做生成對抗，主要由生成器與鑑別器所構成，如下圖所示：
生成器會將一組雜訊或稱做潛在空間的張量轉換成一張照片，這張照片再經由鑑別器去判斷圖片是否夠真實，越接近0越假；越接近1越真。
由於我們在訓練的時候其實是沒有載入標籤的！所以他生成的時候都是隨機生成，為了能限制特定的輸出我們必須載入標籤，概念圖就會變成下面這張：
透過標籤的導入，讓生成器知道要生成的對象是哪一個數字，並且鑑別器訓練的目標變成「圖像是否真實」加上「是否符合該類別」，cDCGAN跟DCGAN相比，訓練的結果通常會比較好，因為DCGAN神經網路是盲目的去生成，而cDCGAN則是會將生成的範圍縮小，整體而言會收斂更快且更好。
將標籤合併於資料中
首先我們要先了解如何加入標籤，對於DCGAN來說有兩種加入標籤的方法，第一個是一開始就將圖片或雜訊跟標籤合併；另一個方法則是在深層做合併，讀者們在實作的時候可以自行調整看看差異，那較常見的做法是深層合併，而我寫的也是！
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| 潛層合併，先合併再輸入網路 |
深層合併：各別輸入後再合併 |
其中詳細的差別我還沒涉略到，不過選定了深層合併接著就可以先來實作生成器跟鑑別器了。首先先來建構生成器，可以參考上一篇DCGAN的程式碼，這邊幫大家整理了一張概念圖：
輸入的z是維度為 ( 100, 1, 1) 的雜訊，為了將標籤跟雜訊能合併，必須轉換到相同大小也就是 (1, 1)，可以看到這邊 y 的維度是 ( 10, 1, 1 ) 原因在於我們將原先阿拉伯數字的標籤轉成 onehot 編碼格式，如下圖所示。
OneHot編碼主要在於讓標籤離散，如果將標籤都用阿拉伯數字表示，對於神經網路而言他們屬於連續性的數值或許會將前後順序、距離給考慮進去，但是用onehot之後將可以將各類標籤單獨隔開並且對於彼此的距離也會相同。
建立Generator
接下來是程式的部分，如何在神經網路中做分流又合併，其實對於PyTorch而言非常的簡單只要在forward的地方做torch.cat就可以了。首先一樣要先定義網路層，我們定義了三個 Sequential，其中input_x是給圖像用的所以第一層deconv的輸入維度是z_dim；而input_y則是標籤用所以deconv的輸入是label_dim，可以對照上面的圖片看看：
def __init__(self, z_dim, label_dim):
super(Generator, self).__init__()
self.input_x = nn.Sequential(
# input is Z, going into a convolution
nn.ConvTranspose2d(z_dim, 256, 4, 1, 0, bias=False),
nn.BatchNorm2d(256),
nn.ReLU(True),
# image size = (1-1)*1 - 2*0 + 4 = 4
)
self.input_y = nn.Sequential(
# input is Z, going into a convolution
nn.ConvTranspose2d( label_dim, 256, 4, 1, 0, bias=False),
nn.BatchNorm2d(256),
nn.ReLU(True),
# image size = (1-1)*1 - 2*0 + 4 = 4
)
self.concat = nn.Sequential(
# 因為 x 跟 y 水平合併所以要再乘以 2
nn.ConvTranspose2d(256*2, 128, 4, 2, 1, bias=False),
nn.BatchNorm2d(128),
nn.ReLU(True),
# image size = (4-1)*2 - 2*1 + 4 = 8
nn.ConvTranspose2d( 128, 64, 4, 2, 1, bias=False),
nn.BatchNorm2d(64),
nn.ReLU(True),
# image size = (8-1)*2 - 2*1 + 4 = 16
nn.ConvTranspose2d( 64, 1, 4, 2, 3, bias=False),
nn.Tanh()
# image size = (16-1)*2 - 2*3 + 4 = 28
)
接下來看 forward的部分，可以看到我們在向前傳遞的時候要丟入兩個數值，雜訊跟標籤，將x跟y丟進各自的Sequential中，接著我們使用torch.cat將x, y從橫向 ( dim=1 ) 合併後再進到concat中。
def forward(self, x, y):
x = self.input_x(x)
y = self.input_y(y)
out = torch.cat([x, y] , dim=1)
out = self.concat(out)
return out
接下來可以試著將網路架構顯示出來，我們直接使用print也使用torchsummary來顯示，你可以發現其實你沒辦法看出網路分支再合併的狀況
def print_div(text):
div='\n'
for i in range(60): div += "="
div+='\n'
print("{} {:^60} {}".format(div, text, div))
""" Define Generator """
G = Generator(100, 10)
""" Use Print"""
print_div('Print Model Directly')
print(G)
""" Use Torchsummary """
print_div('Print Model With Torchsummary')
test_x = (100, 1, 1)
test_y = (10, 1, 1)
summary(G, [test_x, test_y], batch_size=64)
所以我決定使用更圖像化一點的方式來視覺化我們的網路架構，現在有不下10種的圖形化方式，我舉兩個例子：Tensorboard、hiddenlayer。
視覺化模型
Tensorboard 是Google 出的強大視覺化工具，一般的文字、數值、影像、聲音都可以動態的紀錄在上面，一開始只支援Tensorflow 但是 PyTorch 1.2 之後都包含在其中 ( 但是要使用的話還是要先安裝tensorboard ) ，你可以直接從 torch.utils.tensorboard 中呼叫 Tensorboard，首先需要先實體化 SummaryWritter，接著直接使用add_graph即可將圖片存到伺服器上
""" Initial Parameters"""
batch_size = 1
test_x = torch.rand(batch_size, 100, 1, 1)
test_y = torch.rand(batch_size, 10, 1, 1)
print_div('Print Model With Tensorboard')
print('open terminal and input "tensorboard --logdir=runs"')
print('open browser and key http://localhost:6006')
writer = SummaryWriter()
writer.add_graph(G, (test_x, test_y))
writer.close()
接下來要開啟伺服器，在終端機中移動到與程式碼同一層級的位置並且輸入：
> tensorboard –logdir=./runs
一開始就可以看到 input > Generator 的箭頭有寫 2 tensor，而這些方塊都可以打開：
開啟後你可以看到更細部的資訊，也很清楚就可以看到支線合併的狀況。
每一次捲積後的形狀大小也都有顯示出來：
接下來簡單介紹一下hiddenlayer ，它不能用來取代高級API像是tensorboard之類的，它僅僅就是用來顯示神經網路模型，但是非常的輕巧所以我個人蠻愛使用它的，首先要先透過pip安裝hiddenlayer、graphviz：
> pip install hiddenlayer
> Pip install graphviz
如果是用Jetson Nano的話，建議用 apt去裝 graphviz
$ sudo apt-get install graphviz
接著用 build_graph就能產生圖像也能直接儲存：
""" Initial Parameters"""
batch_size = 1
test_x = torch.rand(batch_size, 100, 1, 1)
test_y = torch.rand(batch_size, 10, 1, 1)
print_div('Print Model With HiddenLayer')
g_graph = hl.build_graph(G, (test_x, test_y))
g_graph.save('./images/G_grpah', format="jpg")
g_graph
因為太長了所以我截成兩半方便觀察，這邊就可以注意到前面的ConvTranspose、BatchNorm、ReLU是分開的，之後才合併這邊還特別給了一個Concat的方塊，我喜歡使用它的原因是簡單明瞭，捲積後的維度也都有寫下來，並且直接執行就可以看到結果，不用像Tensorboard還要再開啟服務。
建立Discriminator
跟建立Generator的概念相似，我們要個別處理輸入的圖片跟標籤，所以一樣宣告兩個 Sequential 個別處理接著再將輸出 concate 在一起，主要要注意的是 y 的輸入為度為 (10, 28, 28)：
import torch
import torch.nn as nn
from torchsummary import summary
class Discriminator(nn.Module):
def __init__(self, c_dim=1, label_dim=10):
super(Discriminator, self).__init__()
self.input_x = nn.Sequential(
# Input size = 1 ,28 , 28
nn.Conv2d(c_dim, 64, (4,4), 2, 1),
nn.LeakyReLU(),
)
self.input_y = nn.Sequential(
# Input size = 10 ,28 , 28
nn.Conv2d(label_dim, 64, (4,4), 2, 1),
nn.LeakyReLU(),
)
self.concate = nn.Sequential(
# Input size = 64+64 ,14 , 14
nn.Conv2d(64*2 , 64, (4,4), 2, 1),
nn.LeakyReLU(),
# Input size = (14-4+2)/2 +1 = 7
nn.Conv2d(64, 128, 3, 2, 1),
nn.LeakyReLU(),
# Input size = (7-3+2)/2 +1 = 4
nn.Conv2d(128, 1, 4, 2, 0),
nn.Sigmoid(),
# output size = (4-4)/2 +1 = 1
)
def forward(self, x, y):
x = self.input_x(x)
y = self.input_y(y)
out = torch.cat([x, y] , dim=1)
out = self.concate(out)
return out
D = Discriminator(1, 10)
test_x = torch.rand(64, 1,28,28)
test_y = torch.rand(64, 10,28,28)
writer = SummaryWriter()
writer.add_graph(D, (test_x, test_y))
writer.close()
hl.build_graph(D, (test_x, test_y))
視覺化的結果如下：
數據處理
神經網路都建置好就可以準備來訓練啦！當然第一步要先將數據處理好，那我個人自學神經網路的過程我覺得最難的就是數據處理了，這次數據處理有2個部分：
- 宣告固定的雜訊跟標籤用來預測用
- 將標籤轉換成onehot格式 ( scatter )
Onehot數據處理，在torch中可以直接使用scatter的方式，我在程式註解的地方有推薦一篇文章大家可以去了解scatter的概念，至於這邊我先附上實驗的程式碼：
""" OneHot 格式 之 scatter 應用"""
""" 超好理解的圖形化教學 https://medium.com/@yang6367/understand-torch-scatter-b0fd6275331c """
label =torch.tensor([1,5,6,9])
print(label, label.shape)
a = torch.zeros(10).scatter_(0, label, 1)
print(a)
print('\n\n')
label_=label.unsqueeze(1)
print(label_, label_.shape)
b = torch.zeros(4,10).scatter_(1, label_, 1)
print(b)
接下來我們將兩個部分分開處理，先來處理測試用的雜訊跟標籤，測試用圖片為每個類別各10張，所以總共有100張圖片代表是100組雜訊及對應label：
""" 產生固定資料，每個類別10張圖(雜訊) 以及 對應的標籤，用於視覺化結果 """
temp_noise = torch.randn(label_dim, z_dim) # (10, 100) 10張圖
fixed_noise = temp_noise
fixed_c = torch.zeros(label_dim, 1) # (10, 1 ) 10個標籤
for i in range(9):
fixed_noise = torch.cat([fixed_noise, temp_noise], 0) #將每個類別的十張雜訊依序合併，維度1會自動boardcast
temp = torch.ones(label_dim, 1) + i #依序將標籤對應上 0~9
fixed_c = torch.cat([fixed_c, temp], 0) #將標籤也依序合併
fixed_noise = fixed_noise.view(-1, z_dim, 1, 1) #由於是捲積所以我們要將形狀轉換成二維的
print('Predict Noise: ', fixed_noise.shape)
print('Predict Label (before): ', fixed_c.shape, '\t\t\t', fixed_c[50])
""" 針對 lael 做 onehot """
fixed_label = torch.zeros(100, label_dim) #先產生 [100,10] 的全0張量，100個標籤，每個標籤維度是 10
fixed_label.scatter_(1, fixed_c.type(torch.LongTensor), 1) #轉成 onehot編碼 (1, ) -> (10, )
fixed_label = fixed_label.view(-1, label_dim, 1, 1) #轉換形狀 (10, 1, 1 )
print('Predict Label (onehot): ',fixed_label.shape, '\t\t', fixed_label[50].view(1,-1), '\n')
我在顯示的時候有將形狀從 (10,1)變成(1,10) 來方便做觀察：
接下來要幫訓練的數據做前處理，處理方式跟前面雷同，主要差別在要餵給鑑別器的標籤 ( fill ) 處理方式比較不同，從結果圖就能看的出來彼此不同的地方：
""" 幫標籤做前處理，onehot for g, fill for d """
# 產生 (10,10) 10個標籤，維度為10 (onehot)
print('Train G label:',onehot[1].shape, '\n', onehot[1], '\n') # 假設我們要取得標籤 1 的 onehot (10,1,1)，直接輸入索引 1
fill = torch.zeros([label_dim, label_dim, image_size, image_size]) # 產生 (10, 10, 28, 28) 意即 10個標籤 維度都是 (10,28,28)
for i in range(label_dim):
fill[i, i, :, :] = 1 # 舉例 標籤 5，第一個[]代表標籤5，第二個[]代表onehot為1的位置
print('Train D Label: ', fill.shape)
print('\n', fill[1].shape, '\n', fill[1]) # 假設我們要取得標籤 1 的 onehot (10,28,28)
開始訓練－起手式
一樣從基本的參數開始宣告起，流程個別是：基本參數、數據載入、建立訓練相關的東西（模型、優化器、損失）、開始訓練。
""" 基本參數 """
epoch = 10
lr = 1e-5
batch = 4
device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
z_dim = 100 # latent Space
c_dim = 1 # Image Channel
label_dim = 10 # label
""" 取得數據集以及DataLoader """
transform = trans.Compose([
trans.ToTensor(),
trans.Normalize((0.5,),(0.5,)),
])
train_set = dset.MNIST(root='./mnist_data/',
train=True, transform=transform,
download=True)
test_set = dset.MNIST(root='./mnist_data/',
train=False,
transform=transform,
download=False)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
dataset = train_set,
batch_size = batch,
shuffle=True,
drop_last=True
)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(
dataset = test_set,
batch_size = batch,
shuffle=False
)
""" 訓練相關 """
D = Discriminator(c_dim, label_dim).to(device)
G = Generator(z_dim, label_dim).to(device)
loss_fn = nn.BCELoss()
D_opt = optim.Adam(D.parameters(), lr= lr)
G_opt = optim.Adam(G.parameters(), lr= lr)
D_avg_loss = []
G_avg_loss = []
img = []
ls_time = []
開始訓練 – 手動更新學習率
會手動更新主要原因在於其實GAN的訓練並不是那麼的順利，如果速度太快會導致震盪嚴重訓練生成效果極差，所以GAN普遍的學習率都會更新並且都蠻低的，這邊我也稍微調整一下：
""" 看到很多範例都有手動調整學習率 """
if epoch == 8:
G_opt.param_groups[0]['lr'] /= 5
D_opt.param_groups[0]['lr'] /= 5
開始訓練 – 訓練Ｄ、Ｇ
一樣參考上一篇的DCGAN來改良，主要差別在於需要引入label，並且需要將label轉換成onehot格式，其中
鑑別器 (D) 的訓練步驟一樣先學真實圖片給予標籤1 再學生成圖片給予標籤 0，生成圖片的部分要產生對應的亂數label，丟入G的時候是從先前寫的 onehot 中提取對應的onehot格式標籤而丟入D的時候是從 fill 中提取～
生成器 (G) 的訓練方式就是把Ｄ的後半段拿出來用，但是標籤需要改成 1，因為它的目的是要騙過D！
""" 訓練 D """
D_opt.zero_grad()
x_real = data.to(device)
y_real = torch.ones(batch, ).to(device)
c_real = fill[label].to(device)
y_real_predict = D(x_real, c_real).squeeze() # (-1, 1, 1, 1) -> (-1, )
d_real_loss = loss_fn(y_real_predict, y_real)
d_real_loss.backward()
noise = torch.randn(batch, z_dim, 1, 1, device = device)
noise_label = (torch.rand(batch, 1) * label_dim).type(torch.LongTensor).squeeze()
noise_label_onehot = onehot[noise_label].to(device) #隨機產生label (-1, )
x_fake = G(noise, noise_label_onehot) # 生成假圖
y_fake = torch.zeros(batch, ).to(device) # 給予標籤 0
c_fake = fill[noise_label].to(device) # 轉換成對應的 10,28,28 的標籤
y_fake_predict = D(x_fake, c_fake).squeeze()
d_fake_loss = loss_fn(y_fake_predict, y_fake)
d_fake_loss.backward()
D_opt.step()
""" 訓練 G """
G_opt.zero_grad()
noise = torch.randn(batch, z_dim, 1, 1, device = device)
noise_label = (torch.rand(batch, 1) * label_dim).type(torch.LongTensor).squeeze()
noise_label_onehot = onehot[noise_label].to(device) #隨機產生label (-1, )
x_fake = G(noise, noise_label_onehot)
#y_fake = torch.ones(batch, ).to(device) #這邊的 y_fake 跟上述的 y_real 一樣，都是 1
c_fake = fill[noise_label].to(device)
y_fake_predict = D(x_fake, c_fake).squeeze()
g_loss = loss_fn(y_fake_predict, y_real) #直接用 y_real 更直觀
g_loss.backward()
G_opt.step()
D_loss.append(d_fake_loss.item() + d_real_loss.item())
G_loss.append(g_loss.item())
成果
起初我在第五次迭代的時候調整了學習率結果原本 1 到 5 學習的都不錯，到第 6次的時候開始有了偏差，所以真的不能亂調學習率阿～
下面是迭代15次的成果，感覺上比參考的gihub還要差了一些，仔細看了一下應該是D的結構跟learning rate的調整有差，大家可以再自己調整看看。
訓練時間比較
一樣都是 10 個 epoch ，Jetson Nano所需要的時間大約是 1 小時 40 分鐘，其實還算是蠻快的，大家可以試試看 CPU 去跑跑看就可以知道差異了。
結語
最後相信大家到看完這篇以及上一篇DCGAN已經對生成對抗網路有一定的熟悉度了，接下來我們可以找些GAN的github的範例來玩玩看並且增加應用。
*本文由RS components 贊助發表，轉載自DesignSpark部落格原文連結（本篇文章完整範例程式請至原文下載）
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