9 条件GAN的训练和评估

在之前的文章中，我们探讨了条件生成对抗网络（cGAN）的应用实例。为了更深入地了解cGAN的工作原理，本篇将着重讨论其训练和评估方法。在深度学习的实践中，训练过程的设计和评估标准的选择直接影响模型的质量和应用效果。因此，我们将详细分析如何有效训练cGAN以及如何评估其生成结果。

1. 条件GAN的训练

1.1 训练过程

cGAN的训练过程与传统GAN类似，但我们在生成器和判别器中引入了条件信息。下面，我们将以MNIST手写数字生成的示例来说明cGAN的训练步骤。

1. 准备数据集：
   首先，我们需要加载MNIST数据集，并将其转换为可以供模型使用的格式。我们将每个图像与其对应的标签相结合，以使得生成器能够根据标签生成特定的数字。

   from keras.datasets import mnist
   import numpy as np
   
   # 加载数据
   (X_train, y_train), (_, _) = mnist.load_data()
   X_train = X_train.astype('float32') / 255.0
   y_train = y_train.astype('float32')
   
   # 将数据集扩展为（样本，宽度，高度，通道）
   X_train = np.expand_dims(X_train, axis=-1)

2. 构建生成器和判别器：
   cGAN的生成器和判别器的构建需同时接收条件信息。例如，生成器将随机噪声和标签作为输入，判别器将图像和标签作为输入。

   from keras.layers import Input, Dense, Reshape, Concatenate
   from keras.models import Model
   
   def build_generator():
       noise = Input(shape=(100,))
       label = Input(shape=(10,))
       model_input = Concatenate()([noise, label])
       x = Dense(128)(model_input)
       x = Reshape((4, 4, 8))(x)
       return Model([noise, label], x)
   
   def build_discriminator():
       img = Input(shape=(28, 28, 1))
       label = Input(shape=(10,))
       model_input = Concatenate()([img, label])
       x = Dense(128)(model_input)
       return Model([img, label], x)

3. 定义损失和优化器：
   在cGAN中，损失函数通常使用二元交叉熵（binary crossentropy）。同时，将生成器和判别器编译为可优化的模型。

   from keras.optimizers import Adam
   
   generator = build_generator()
   discriminator = build_discriminator()
   discriminator.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=Adam())

4. 训练循环：
   cGAN的训练循环包括以下步骤：

   • 随机选择一个标签；
   • 生成随机噪声；
   • 将噪声和标签输入生成器，生成伪样本；
   • 真实样本与伪样本一起喂入判别器进行训练。

   for epoch in range(num_epochs):
       for _ in range(batch_count):
           # 随机选择一个标签
           random_indices = np.random.randint(0, X_train.shape[0], batch_size)
           real_images = X_train[random_indices]
           labels = y_train[random_indices]
           
           # 生成随机噪声
           noise = np.random.normal(0, 1, (batch_size, 100))
           generated_images = generator.predict([noise, labels])
           
           # 生成标签one-hot编码
           real_labels = np.zeros((batch_size, 1))
           fake_labels = np.ones((batch_size, 1))
           d_loss_real = discriminator.train_on_batch([real_images, labels], real_labels)
           d_loss_fake = discriminator.train_on_batch([generated_images, labels], fake_labels)
           
           # 训练生成器
           noise = np.random.normal(0, 1, (batch_size, 100))
           valid_labels = np.ones((batch_size, 1))
           g_loss = combined_model.train_on_batch([noise, labels], valid_labels)

1.2 训练中的技巧

• Label Smoothing：通过降低真实标签的值来增强判别器的稳定性。
• 样本平衡：确保从每个类中均匀选取样本，以减少数据偏差。
• 动态学习率：根据训练阶段动态调整学习率，优化训练效果。

2. 条件GAN的评估

评估生成模型的性能具有挑战性，特别是当生成数据与真实数据的质量和多样性都需要被考虑时。以下是几种评估方法：

2.1 可视化生成效果

最直接的方法是通过可视化生成的图像来评估其质量。在MNIST例子中，可以随机生成几个样本并展示：

import matplotlib.pyplot as plt

# 随机生成一些样本
noise = np.random.normal(0, 1, (10, 100))
labels = np.array([i for i in range(10)]).reshape(-1, 1)
labels = np.random.randint(0, 10, size=(10, 10))  # Random one-hot labels

generated_images = generator.predict([noise, labels])
plt.figure(figsize=(10, 10))
for i in range(10):
    plt.subplot(5, 10, i + 1)
    plt.imshow(generated_images[i].reshape(28, 28), cmap='gray')
    plt.axis('off')
plt.show()

2.2 FID和IS指标

Fréchet Inception Distance (FID)和Inception Score (IS)是评估生成模型性能的常用指标。FID越低，表示生成样本与真实样本的相似度越高。IS则评估生成图像的多样性和质量。

实现FID的Python代码示例：

from scipy.linalg import sqrtm

def calculate_fid(real_images, generated_images):
    # 假设real_images和generated_images的形状都为（num_samples, 28, 28, 1）
    mu1, sigma1 = calculate_statistics(real_images)
    mu2, sigma2 = calculate_statistics(generated_images)
    fid_value = calculate_frechet_distance(mu1, sigma1, mu2, sigma2)
    return fid_value

def calculate_statistics(images):
    # 计算均值和协方差矩阵
    mu = np.mean(images, axis=0)
    sigma = np.cov(images, rowvar=False)
    return mu, sigma

def calculate_frechet_distance(mu1, sigma