DCGAN，即深度卷积生成对抗网络（Deep Convolutional Generative Adversarial Network），是一种深度学习模型，由Ian Goodfellow等人在2014年提出。DCGAN在生成对抗网络（GAN）的基础上，引入了深度卷积神经网络（CNN）的结构，用于生成高质量、高分辨率的图像。
DCGAN的原理可以概括为两个主要部分：生成器（Generator）和判别器（Discriminator）。生成器和判别器都是深度卷积神经网络，它们通过对抗过程互相博弈，最终达到纳什均衡。
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生成器（Generator）：生成器的输入是一个随机的噪声向量，通过一系列的卷积、反卷积、批标准化（Batch Normalization）和激活函数（如ReLU、Tanh等）操作，生成一个与真实图像具有相同尺寸的图像。生成器的目标是生成尽可能逼真的图像，以欺骗判别器。
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判别器（Discriminator）：判别器的输入是一个图像，它通过一系列的卷积、批标准化和激活函数操作，判断输入图像是真实图像还是生成器生成的假图像。判别器的目标是能够准确地区分真实图像和假图像。
在训练过程中，生成器和判别器交替进行优化。生成器尝试生成逼真的图像，而判别器尝试更好地识别真实图像和假图像。这个过程可以看作是一种博弈，生成器和判别器在不断的迭代过程中提高自己的性能。最终，当生成器和判别器达到纳什均衡时，生成器能够生成高质量的逼真图像，判别器无法准确地区分真实图像和假图像。
DCGAN在计算机视觉领域有广泛的应用，如图像生成、图像修复、图像转换等。通过调整网络结构和训练策略，DCGAN还可以应用于其他领域，如自然语言处理、音频生成等。
数据准备与处理
%%capture captured_output
# 实验环境已经预装了mindspore==2.2.14，如需更换mindspore版本，可更改下面mindspore的版本号
!pip uninstall mindspore -y
!pip install -i https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple mindspore==2.2.14
from download import download
url = "https://download.mindspore.cn/dataset/Faces/faces.zip"
path = download(url, "./faces", kind="zip", replace=True)
import numpy as np
import mindspore.dataset as ds
import mindspore.dataset.vision as vision
def create_dataset_imagenet(dataset_path):
"""数据加载"""
dataset = ds.ImageFolderDataset(dataset_path,
num_parallel_workers=4,
shuffle=True,
decode=True)
# 数据增强操作
transforms = [
vision.Resize(image_size),
vision.CenterCrop(image_size),
vision.HWC2CHW(),
lambda x: ((x / 255).astype("float32"))
]
# 数据映射操作
dataset = dataset.project('image')
dataset = dataset.map(transforms, 'image')
# 批量操作
dataset = dataset.batch(batch_size)
return dataset
dataset = create_dataset_imagenet('./faces')
import matplotlib.pyplot as plt
def plot_data(data):
# 可视化部分训练数据
plt.figure(figsize=(10, 3), dpi=140)
for i, image in enumerate(data[0][:30], 1):
plt.subplot(3, 10, i)
plt.axis("off")
plt.imshow(image.transpose(1, 2, 0))
plt.show()
sample_data = next(dataset.create_tuple_iterator(output_numpy=True))
plot_data(sample_data)构造网络
生成器
import mindspore as ms
from mindspore import nn, ops
from mindspore.common.initializer import Normal
weight_init = Normal(mean=0, sigma=0.02)
gamma_init = Normal(mean=1, sigma=0.02)
class Generator(nn.Cell):
"""DCGAN网络生成器"""
def __init__(self):
super(Generator, self).__init__()
self.generator = nn.SequentialCell(
nn.Conv2dTranspose(nz, ngf * 8, 4, 1, 'valid', weight_init=weight_init),
nn.BatchNorm2d(ngf * 8, gamma_init=gamma_init),
nn.ReLU(),
nn.Conv2dTranspose(ngf * 8, ngf * 4, 4, 2, 'pad', 1, weight_init=weight_init),
nn.BatchNorm2d(ngf * 4, gamma_init=gamma_init),
nn.ReLU(),
nn.Conv2dTranspose(ngf * 4, ngf * 2, 4, 2, 'pad', 1, weight_init=weight_init),
nn.BatchNorm2d(ngf * 2, gamma_init=gamma_init),
nn.ReLU(),
nn.Conv2dTranspose(ngf * 2, ngf, 4, 2, 'pad', 1, weight_init=weight_init),
nn.BatchNorm2d(ngf, gamma_init=gamma_init),
nn.ReLU(),
nn.Conv2dTranspose(ngf, nc, 4, 2, 'pad', 1, weight_init=weight_init),
nn.Tanh()
)
def construct(self, x):
return self.generator(x)
generator = Generator()判别器
class Discriminator(nn.Cell):
"""DCGAN网络判别器"""
def __init__(self):
super(Discriminator, self).__init__()
self.discriminator = nn.SequentialCell(
nn.Conv2d(nc, ndf, 4, 2, 'pad', 1, weight_init=weight_init),
nn.LeakyReLU(0.2),
nn.Conv2d(ndf, ndf * 2, 4, 2, 'pad', 1, weight_init=weight_init),
nn.BatchNorm2d(ngf * 2, gamma_init=gamma_init),
nn.LeakyReLU(0.2),
nn.Conv2d(ndf * 2, ndf * 4, 4, 2, 'pad', 1, weight_init=weight_init),
nn.BatchNorm2d(ngf * 4, gamma_init=gamma_init),
nn.LeakyReLU(0.2),
nn.Conv2d(ndf * 4, ndf * 8, 4, 2, 'pad', 1, weight_init=weight_init),
nn.BatchNorm2d(ngf * 8, gamma_init=gamma_init),
nn.LeakyReLU(0.2),
nn.Conv2d(ndf * 8, 1, 4, 1, 'valid', weight_init=weight_init),
)
self.adv_layer = nn.Sigmoid()
def construct(self, x):
out = self.discriminator(x)
out = out.reshape(out.shape[0], -1)
return self.adv_layer(out)
discriminator = Discriminator()模型训练
损失函数
# 定义损失函数
adversarial_loss = nn.BCELoss(reduction='mean')优化器
# 为生成器和判别器设置优化器
optimizer_D = nn.Adam(discriminator.trainable_params(), learning_rate=lr, beta1=beta1)
optimizer_G = nn.Adam(generator.trainable_params(), learning_rate=lr, beta1=beta1)
optimizer_G.update_parameters_name('optim_g.')
optimizer_D.update_parameters_name('optim_d.')训练模型
训练分为两个主要部分：训练判别器和训练生成器。
def generator_forward(real_imgs, valid):
# 将噪声采样为发生器的输入
z = ops.standard_normal((real_imgs.shape[0], nz, 1, 1))
# 生成一批图像
gen_imgs = generator(z)
# 损失衡量发生器绕过判别器的能力
g_loss = adversarial_loss(discriminator(gen_imgs), valid)
return g_loss, gen_imgs
def discriminator_forward(real_imgs, gen_imgs, valid, fake):
# 衡量鉴别器从生成的样本中对真实样本进行分类的能力
real_loss = adversarial_loss(discriminator(real_imgs), valid)
fake_loss = adversarial_loss(discriminator(gen_imgs), fake)
d_loss = (real_loss + fake_loss) / 2
return d_loss
grad_generator_fn = ms.value_and_grad(generator_forward, None,
optimizer_G.parameters,
has_aux=True)
grad_discriminator_fn = ms.value_and_grad(discriminator_forward, None,
optimizer_D.parameters)
@ms.jit
def train_step(imgs):
valid = ops.ones((imgs.shape[0], 1), mindspore.float32)
fake = ops.zeros((imgs.shape[0], 1), mindspore.float32)
(g_loss, gen_imgs), g_grads = grad_generator_fn(imgs, valid)
optimizer_G(g_grads)
d_loss, d_grads = grad_discriminator_fn(imgs, gen_imgs, valid, fake)
optimizer_D(d_grads)
return g_loss, d_loss, gen_imgs
import mindspore
G_losses = []
D_losses = []
image_list = []
total = dataset.get_dataset_size()
for epoch in range(num_epochs):
generator.set_train()
discriminator.set_train()
# 为每轮训练读入数据
for i, (imgs, ) in enumerate(dataset.create_tuple_iterator()):
g_loss, d_loss, gen_imgs = train_step(imgs)
if i % 100 == 0 or i == total - 1:
# 输出训练记录
print('[%2d/%d][%3d/%d] Loss_D:%7.4f Loss_G:%7.4f' % (
epoch + 1, num_epochs, i + 1, total, d_loss.asnumpy(), g_loss.asnumpy()))
D_losses.append(d_loss.asnumpy())
G_losses.append(g_loss.asnumpy())
# 每个epoch结束后，使用生成器生成一组图片
generator.set_train(False)
fixed_noise = ops.standard_normal((batch_size, nz, 1, 1))
img = generator(fixed_noise)
image_list.append(img.transpose(0, 2, 3, 1).asnumpy())
# 保存网络模型参数为ckpt文件
mindspore.save_checkpoint(generator, "./generator.ckpt")
mindspore.save_checkpoint(discriminator, "./discriminator.ckpt")
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.title("Generator and Discriminator Loss During Training")
plt.plot(G_losses, label="G", color='blue')
plt.plot(D_losses, label="D", color='orange')
plt.xlabel("iterations")
plt.ylabel("Loss")
plt.legend()
plt.show()
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
def showGif(image_list):
show_list = []
fig = plt.figure(figsize=(8, 3), dpi=120)
for epoch in range(len(image_list)):
images = []
for i in range(3):
row = np.concatenate((image_list[epoch][i * 8:(i + 1) * 8]), axis=1)
images.append(row)
img = np.clip(np.concatenate((images[:]), axis=0), 0, 1)
plt.axis("off")
show_list.append([plt.imshow(img)])
ani = animation.ArtistAnimation(fig, show_list, interval=1000, repeat_delay=1000, blit=True)
ani.save('./dcgan.gif', writer='pillow', fps=1)
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