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| 本文作者： 亞萌 | 2017-01-07 15:56 | 專(zhuān)題：雷峰網(wǎng)公開(kāi)課 |
編者按：本文內(nèi)容來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)【機(jī)器學(xué)習(xí)與視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室】負(fù)責(zé)人馮佳時(shí)博士在雷鋒網(wǎng)【硬創(chuàng)公開(kāi)課】的分享。如果讀者想獲得關(guān)于本次公開(kāi)課的PPT，可前往雷鋒網(wǎng)旗下微信公眾號(hào)【AI科技評(píng)論】，關(guān)注后回復(fù)“馮佳時(shí)PPT”獲得下載地址。
近年來(lái)，基于數(shù)據(jù)而習(xí)得“特征”的深度學(xué)習(xí)技術(shù)受到狂熱追捧，而其中GAN模型訓(xùn)練方法更加具有激進(jìn)意味：它生成數(shù)據(jù)本身。
GAN是“生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)”（Generative Adversarial Networks）的簡(jiǎn)稱(chēng)，由2014年還在蒙特利爾讀博士的Ian Goodfellow引入深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域。2016年，GAN熱潮席卷AI領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議，從ICLR到NIPS，大量高質(zhì)量論文被發(fā)表和探討。Yann LeCun曾評(píng)價(jià)GAN是“20年來(lái)機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域最酷的想法”。
在GAN這片新興沃土，除了Ian Goodfellow所在的OpenAI在火力全開(kāi)，F(xiàn)acebook的人工智能實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域馬不停蹄深耕，而蘋(píng)果近日曝出的首篇AI論文，就是基于GANs的變種“SimGAN”。從學(xué)術(shù)界到工業(yè)界，GANs席卷而來(lái)。
經(jīng)360首席科學(xué)家、人工智能研究院院長(zhǎng)顏水成強(qiáng)力推薦，【硬創(chuàng)公開(kāi)課】特邀馮佳時(shí)博士，在1月5日為大家?guī)?lái)了一期以《深度學(xué)習(xí)新星：GANs的誕生與走向》為主題的演講，撥開(kāi)圍繞GANs的迷霧。
馮佳時(shí)，現(xiàn)任新加坡國(guó)立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系助理教授，機(jī)器學(xué)習(xí)與視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系學(xué)士，新加坡國(guó)立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系博士。2014-2015年在加州大學(xué)伯克利分校人工智能實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。現(xiàn)研究方向?yàn)閳D像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)及面向大數(shù)據(jù)的魯棒機(jī)器學(xué)習(xí)。
馮佳時(shí)博士曾獲ICCV’2015 TASK-CV最佳論文獎(jiǎng)，2012年ACM多媒體會(huì)議最佳技術(shù)演示獎(jiǎng)。擔(dān)任ICMR 2017技術(shù)委員會(huì)主席，JMLR, IEEE TPAMI, TIP, TMM, TCSVT, TNNLS及 CVPR, ICCV, ECCV, ICML, NIPS, AAAI, IJCAI等期刊、會(huì)議審稿人。馮佳時(shí)博士已在計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域發(fā)表論文60余篇。
以下內(nèi)容整理自公開(kāi)課分享。
GANs是深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域比較重要的一個(gè)模型，也是人工智能研究的一個(gè)重要工具。
我們現(xiàn)在所追求的人工智能，一個(gè)很重要的特性就是能夠像我們?nèi)祟?lèi)一樣，理解周?chē)鷱?fù)雜的世界。包括識(shí)別和理解現(xiàn)實(shí)中的三維世界，人類(lèi)、動(dòng)物和各種工具。這樣才能在對(duì)現(xiàn)實(shí)世界理解的基礎(chǔ)上，進(jìn)行推理和創(chuàng)造。
而正像著名物理學(xué)家，理查德?費(fèi)曼說(shuō)的一樣，如果要真正理解一個(gè)東西，我們必須要能夠把它創(chuàng)造出來(lái)。
正是基于這樣的想法，機(jī)器學(xué)習(xí)以及人工智能的研究者們提出了概率生成模型，致力于用概率和統(tǒng)計(jì)的語(yǔ)言，描述周?chē)氖澜纭?/p>
簡(jiǎn)單說(shuō)， 概率生成模型的目的，就是找出給定觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)部的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并且能夠基于所得到的概率分布模型，產(chǎn)生全新的，與觀測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)似的數(shù)據(jù)。
舉個(gè)例子，概率生成模型可以用于自然圖像的生成。假設(shè)給定1000萬(wàn)張圖片之后，生成模型可以自動(dòng)學(xué)習(xí)到其內(nèi)部分布，能夠解釋給定的訓(xùn)練圖片，并同時(shí)生成新的圖片。
與龐大的真實(shí)數(shù)據(jù)相比，概率生成模型的參數(shù)個(gè)數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)的數(shù)量。因此，在訓(xùn)練過(guò)程中，生成模型會(huì)被強(qiáng)迫去發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后更為簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，從而能夠生成這些數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在比較流行的生成模型，其實(shí)可以分為三類(lèi)：
生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）。這個(gè)是我們今天要重點(diǎn)介紹的內(nèi)容。
變分自動(dòng)編碼模型（VAE）。它依靠的是傳統(tǒng)的概率圖模型的框架，通過(guò)一些適當(dāng)?shù)穆?lián)合分布的概率逼近，簡(jiǎn)化整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，使得所學(xué)習(xí)到的模型能夠很好地解釋所觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。
自回歸模型（Auto-regressive）。在這種模型里，我們簡(jiǎn)單地認(rèn)為，每個(gè)變量只依賴(lài)于它的分布，只依賴(lài)于它在某種意義上的近鄰。例如將自回歸模型用在圖像的生成上。那么像素的取值只依賴(lài)于它在空間上的某種近鄰。現(xiàn)在比較流行的自回歸模型，包括最近剛剛提出的像素CNN或者像素RNN，它們可以用于圖像或者視頻的生成。
這三種生成模型都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后也在不同的領(lǐng)域上得到廣泛的關(guān)注。而今天我們要介紹的GAN實(shí)際上是一種比較年輕的方法。兩年半之前， Ian Goodfellow的一篇論文首次將其引入，雖然時(shí)間很短，但我們看Google的搜索熱度和Google學(xué)術(shù)上論文引用的次數(shù)，它一直受到學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注，而且熱度一直快速增長(zhǎng)。
除了學(xué)術(shù)界，GAN還受到工業(yè)界的廣泛關(guān)注。有許多做人工智能研究的公司正在投入大量的精力來(lái)發(fā)展和推廣GAN模型。其中包括 Ian Goodfellow 如今所在的 OpenAI 公司。這個(gè)公司一直在致力于研究推廣GAN，并將其應(yīng)用在不同的任務(wù)上。同時(shí) Facebook 和 Twitter 最近兩年也投入了大量的精力來(lái)研究，并將GAN應(yīng)用在了圖像生成和視頻生成上。尤其值得一提的是，Apple最近發(fā)表了其關(guān)于人工智能研究的首篇論文，恰恰是應(yīng)用GAN來(lái)做數(shù)據(jù)的生成，幫助更好地訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。
那么，GAN為什么會(huì)受到這樣廣泛的關(guān)注呢？
Goodfellow在他的論文中，給出了一些解釋。
GAN是更好的生成模型，在某種意義上避免了馬爾科夫鏈?zhǔn)降膶W(xué)習(xí)機(jī)制，這使得它能夠區(qū)別于傳統(tǒng)的概率生成模型。傳統(tǒng)概率生成模型一般都需要進(jìn)行馬可夫鏈?zhǔn)降牟蓸雍屯茢啵鳪AN避免了這個(gè)計(jì)算復(fù)雜度特別高的過(guò)程，直接進(jìn)行采樣和推斷，從而提高了GAN的應(yīng)用效率，所以其實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景也就更為廣泛。
其次GAN是一個(gè)非常靈活的設(shè)計(jì)框架，各種類(lèi)型的損失函數(shù)都可以整合到GAN模型當(dāng)中，這樣使得針對(duì)不同的任務(wù)，我們可以設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的損失函數(shù)，都會(huì)在GAN的框架下進(jìn)行學(xué)習(xí)和優(yōu)化。
再次，最重要的一點(diǎn)是，當(dāng)概率密度不可計(jì)算的時(shí)候，傳統(tǒng)依賴(lài)于數(shù)據(jù)自然性解釋的一些生成模型就不可以在上面進(jìn)行學(xué)習(xí)和應(yīng)用。但是GAN在這種情況下依然可以使用，這是因?yàn)镚AN引入了一個(gè)非常聰明的內(nèi)部對(duì)抗的訓(xùn)練機(jī)制，可以逼近一些不是很容易計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)。
Facebook人工智能研究院的Yann LeCun也一直是GAN的積極倡導(dǎo)者。其中一個(gè)最重要的原因就是GAN為無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的算法框架，而無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)被廣泛認(rèn)為是通往人工智能重要的一環(huán)。就像Yann LeCun所給出的一個(gè)比喻一樣：
“如果人工智能是一塊蛋糕，那么強(qiáng)化學(xué)習(xí)是蛋糕上的一粒櫻桃，監(jiān)督學(xué)習(xí)是外面的一層糖霜，無(wú)監(jiān)督/預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)則是蛋糕胚。目前我們只知道如何制作糖霜和櫻桃，卻不知如何制作蛋糕胚。“
雖然還在快速的發(fā)展當(dāng)中，但是GAN確實(shí)為無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，提供了一個(gè)非常有潛力的解決方案。
一個(gè)最樸素的GAN模型，實(shí)際上是將一個(gè)隨機(jī)變量（可以是高斯分布，或0到1之間的均勻分布），通過(guò)參數(shù)化的概率生成模型（通常是用一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)進(jìn)行參數(shù)化），進(jìn)行概率分布的逆變換采樣，從而得到一個(gè)生成的概率分布（圖中綠色的分布模型）。
而GAN的或者一般概率生成模型的訓(xùn)練目的，就是要使得生成的概率分布和真實(shí)數(shù)據(jù)的分布盡量接近，從而能夠解釋真實(shí)的數(shù)據(jù)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們完全沒(méi)有辦法知道真實(shí)數(shù)據(jù)的分布。我們所能夠得到的只是從這個(gè)真實(shí)的數(shù)據(jù)分布中所采樣得到的一些真實(shí)數(shù)據(jù)。
通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)，使得我們可以調(diào)節(jié)概率生成模型的參數(shù)\theta，從而使得生成的概率分布和真實(shí)數(shù)據(jù)分布盡量接近。
那么怎么去定義一個(gè)恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化目標(biāo)或一個(gè)損失？傳統(tǒng)的生成模型，一般都采用數(shù)據(jù)的似然性來(lái)作為優(yōu)化的目標(biāo)，但GAN創(chuàng)新性地使用了另外一種優(yōu)化目標(biāo)。首先，它引入了一個(gè)判別模型（常用的有支持向量機(jī)和多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。其次，它的優(yōu)化過(guò)程就是在尋找生成模型和判別模型之間的一個(gè)納什均衡。
GAN所建立的一個(gè)學(xué)習(xí)框架，實(shí)際上就是生成模型和判別模型之間的一個(gè)模仿游戲。生成模型的目的，就是要盡量去模仿、建模和學(xué)習(xí)真實(shí)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律；而判別模型則是要判別自己所得到的一個(gè)輸入數(shù)據(jù)，究竟是來(lái)自于真實(shí)的數(shù)據(jù)分布還是來(lái)自于一個(gè)生成模型。通過(guò)這兩個(gè)內(nèi)部模型之間不斷的競(jìng)爭(zhēng)，從而提高兩個(gè)模型的生成能力和判別能力。
如果我們把生成模型比作是一個(gè)偽裝者的話(huà)，那么判別模型就是一個(gè)警察的角色。偽裝者的目的，就是通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)來(lái)提高自己的偽裝能力，從而使得自己提供的數(shù)據(jù)能夠更好地欺騙這個(gè)判別模型。而判別模型則是通過(guò)不斷的訓(xùn)練來(lái)提高自己判別的能力，能夠更準(zhǔn)確地判斷數(shù)據(jù)來(lái)源究竟是哪里。
當(dāng)一個(gè)判別模型的能力已經(jīng)非常強(qiáng)的時(shí)候，如果生成模型所生成的數(shù)據(jù)，還是能夠使它產(chǎn)生混淆，無(wú)法正確判斷的話(huà)，那我們就認(rèn)為這個(gè)生成模型實(shí)際上已經(jīng)學(xué)到了真實(shí)數(shù)據(jù)的分布。
GAN模型包括了一個(gè)生成模型G和一個(gè)判別模型D，GAN的目標(biāo)函數(shù)是關(guān)于D與G的一個(gè)零和游戲。也是一個(gè)最小-最大化問(wèn)題。
這里判別模型D實(shí)際上是對(duì)數(shù)據(jù)的來(lái)源進(jìn)行一個(gè)判別：究竟這個(gè)數(shù)據(jù)是來(lái)自真實(shí)的數(shù)據(jù)分布Pdata，還是來(lái)自于一個(gè)生成模型G所產(chǎn)生的一個(gè)數(shù)據(jù)分布Pg。
判別模型D的訓(xùn)練目的就是要盡量最大化自己的判別準(zhǔn)確率。當(dāng)這個(gè)數(shù)據(jù)被判別為來(lái)自于真實(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)注 1，自于生成數(shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)注 0。
而與這個(gè)目的相反的是，生成模型G的訓(xùn)練目標(biāo)，就是要最小化判別模型D的判別準(zhǔn)確率。在訓(xùn)練過(guò)程中，GAN采用了一種非常直接的交替優(yōu)化方式，它可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是固定判別模型D，然后優(yōu)化生成模型G，使得判別模型的準(zhǔn)確率盡量降低。而另一個(gè)階段是固定生成模型G，來(lái)提高判別模型的準(zhǔn)確率。
下面這張圖，可視化了GAN學(xué)習(xí)的過(guò)程，從左到右是隨著訓(xùn)練過(guò)程的進(jìn)展，依次得到的訓(xùn)練結(jié)果。
圖(a)中黑色大點(diǎn)虛線(xiàn)P(x)是真實(shí)的數(shù)據(jù)分布，綠線(xiàn)G(z)是通過(guò)生成模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分布（輸入是均勻分布變量z，輸出是綠色的曲線(xiàn)）。藍(lán)色的小點(diǎn)虛線(xiàn)D(x)代表判別函數(shù)。
在圖(a)中，我們可以看到，綠線(xiàn)G(z)分布和黑色P(x)真實(shí)分布，還有比較大的差異。這點(diǎn)也反映在藍(lán)色的判別函數(shù)上，判別函數(shù)能夠準(zhǔn)確的對(duì)左面的真實(shí)數(shù)據(jù)輸入，輸出比較大的值。對(duì)右面虛假數(shù)據(jù)，產(chǎn)生比較小的值。但是隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，圖（b）和圖（c）反映出，綠色的分布在逐漸靠近黑色的分布。到圖（d），產(chǎn)生的綠色分布和真實(shí)數(shù)據(jù)分布已經(jīng)完全重合。這時(shí)，判別函數(shù)對(duì)所有的數(shù)據(jù)（無(wú)論真實(shí)的還是生成的數(shù)據(jù)），輸出都是一樣的值，已經(jīng)不能正確進(jìn)行分類(lèi)。G成功學(xué)習(xí)到了數(shù)據(jù)分布，這樣就達(dá)到了GAN的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)目的。
GAN的全局最優(yōu)解和收斂性
但是GAN有一些待加強(qiáng)的理論保證，其中一個(gè)是說(shuō)，GAN是存在全局最優(yōu)解的。這個(gè)全局最優(yōu)解可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的分析得到。首先，如果固定G，那么D的最優(yōu)解就是一個(gè)貝葉斯分類(lèi)器。將這個(gè)最優(yōu)解形式帶入，可以得到關(guān)于G的優(yōu)化函數(shù)。簡(jiǎn)單的計(jì)算可以證明，當(dāng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分布與真實(shí)數(shù)據(jù)分布完全一致時(shí)，這個(gè)優(yōu)化函數(shù)達(dá)到全局最小值。
另外一點(diǎn)，是關(guān)于GAN的收斂性。如果G和D的學(xué)習(xí)能力足夠強(qiáng)，兩個(gè)模型可以收斂。但在實(shí)際中，GAN的優(yōu)化還存在諸如不穩(wěn)定等一些問(wèn)題。如何平衡兩個(gè)模型在訓(xùn)練中是一個(gè)很重要的問(wèn)題。
GAN的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
GAN的優(yōu)點(diǎn)很多，前面我們提到了一部分。這里要提到的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，就是生成模型G的參數(shù)更新不是來(lái)自于數(shù)據(jù)樣本本身（不是對(duì)數(shù)據(jù)的似然性進(jìn)行優(yōu)化），而是來(lái)自于判別模型D的一個(gè)反傳梯度。
GAN可以和CNN、RNN結(jié)合在一起。任何一個(gè)可微分的函數(shù)，都可以用來(lái)參數(shù)化GAN的生成模型和判別模型。那么，在實(shí)際中，我們就可以使用深度卷積網(wǎng)絡(luò)，來(lái)參數(shù)化生成模型。另外，GAN和RNN結(jié)合在一起，用來(lái)處理和描述一些連續(xù)的序列數(shù)據(jù)，可以學(xué)習(xí)到序列數(shù)據(jù)的分布，同時(shí)也可以產(chǎn)生序列數(shù)據(jù)應(yīng)用，包括對(duì)音樂(lè)數(shù)據(jù)或者是一些自然語(yǔ)言數(shù)據(jù)的建模和生成。
但GAN的缺點(diǎn)也同樣明顯。
第一個(gè)是GAN的可解釋性非常差，因?yàn)槲覀冏詈笏鶎W(xué)到的一個(gè)數(shù)據(jù)分布Pg(G)，沒(méi)有顯示的表達(dá)式。它只是一個(gè)黑盒子一樣的映射函數(shù)：輸入是一個(gè)隨機(jī)變量，輸出是我們想要的一個(gè)數(shù)據(jù)分布。
其次，在實(shí)際應(yīng)用中GAN比較難訓(xùn)練。因?yàn)镚AN要交替優(yōu)化兩個(gè)部件，而這兩個(gè)部件之間的優(yōu)化需要很好的同步。例如，在實(shí)際中我們常常需要 D 更新 K次， G 才能更新 1 次，如果沒(méi)有很好地平衡這兩個(gè)部件的優(yōu)化，那么G最后就極大可能會(huì)坍縮到一個(gè)鞍點(diǎn)。
作為一個(gè)生成模型，GAN最直接的應(yīng)用，就是用于真實(shí)數(shù)據(jù)分布的建模和生成，包括可以生成一些圖像和視頻，以及生成一些自然語(yǔ)句和音樂(lè)等。其次，因?yàn)閮?nèi)部對(duì)抗訓(xùn)練的機(jī)制，GAN可以解決一些傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)中所面臨的數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題，因此可以應(yīng)用在半監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、多視角、多任務(wù)學(xué)習(xí)的任務(wù)中。還有，就是最近有一些工作已經(jīng)將進(jìn)行成功應(yīng)用在強(qiáng)化學(xué)習(xí)中，來(lái)提高強(qiáng)化學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效率。因此GAN有著非常廣泛的應(yīng)用。
應(yīng)用實(shí)例 1：圖像超分辨率（Twitter）
Twitter 公司最近發(fā)表了一篇圖像超分辨率的論文，就是應(yīng)用了GAN模型。圖像超分辨率的目的，是將一個(gè)低分辨率的模糊圖像，進(jìn)行某種變換，得到一個(gè)高分辨率的帶有豐富細(xì)節(jié)的清晰圖像。
超分辨率問(wèn)題，實(shí)際上是一個(gè)病態(tài)問(wèn)題，因?yàn)樵趫D像分辨率降低的過(guò)程中，丟失的高頻細(xì)節(jié)很難恢復(fù)。但是GAN在某種程度上可以學(xué)習(xí)到高分辨率圖像的分布，從而能夠生成質(zhì)量比較好的高分辨率圖像。
生成模型要將模糊的低分辨率圖像作為輸入，并輸出一個(gè)高分辨率的清晰圖像。而判別模型，就要判斷所輸入的圖像究竟是“真實(shí)高分辨率圖像”還是由低分辨率圖像“轉(zhuǎn)化來(lái)的高分辨率圖像”。而這就大大簡(jiǎn)化了圖像超分辨率模型的學(xué)習(xí)過(guò)程。因?yàn)閭鹘y(tǒng)上做一個(gè)圖像超分辨率，都要去對(duì)一些高頻細(xì)節(jié)進(jìn)行建模，而這里生成模型訓(xùn)練目的就簡(jiǎn)化為迷惑判別模型。
為了使得整個(gè)GAN能夠取得比較好的結(jié)果，我們常常要求生成模型和判別模型都要有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，所以在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常用一個(gè)多層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)參數(shù)化生成模型或者判別模型。
在 Twitter 這篇論文中，他們用一個(gè)16個(gè)殘差塊的網(wǎng)絡(luò)來(lái)參數(shù)化生成模型。而判別模型使用的是一個(gè)VGG網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明了使用GAN模型能夠得到更好的結(jié)果。與以往基于深度學(xué)習(xí)模型做圖像超分辨率的結(jié)果相比的話(huà)（比如SRResNet等），我們可以看到GAN的結(jié)果圖能夠提供更豐富的細(xì)節(jié)。這也就是GAN做圖像生成時(shí)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，即能夠提供更銳利的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。
應(yīng)用實(shí)例 2：數(shù)據(jù)合成（Apple）
Apple最近剛剛發(fā)表了其第一篇AI論文，論文要解決的問(wèn)題，就是如何使得模擬的數(shù)據(jù)更加逼真，與真實(shí)圖像的差異性盡量小。
這篇論文中使用了類(lèi)似GAN的框架，將模擬器（Simulator）產(chǎn)生的虛擬數(shù)據(jù)作為輸入，通過(guò)一個(gè)叫做改進(jìn)器（Refiner）的模型（對(duì)應(yīng)生成模型）來(lái)產(chǎn)生改進(jìn)后的虛擬數(shù)據(jù)。再同樣的，使用一個(gè)判別器，來(lái)判斷所產(chǎn)生的圖像是真實(shí)的，還是虛擬的 。
Apple對(duì)GAN主要做了兩個(gè)方面的改進(jìn)。
第一個(gè)就是，為了最大程度保留虛擬圖像的類(lèi)別，引入了額外的一個(gè)自正則項(xiàng)（Self-Regularization Term），最小化生成圖像與合成圖像的絕對(duì)值誤差，從而保留圖像的標(biāo)注信息，如眼睛視線(xiàn)的方向，使得生成圖像可以用于訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。
另外一個(gè)改進(jìn)，是引入了一個(gè)局部對(duì)抗損失函數(shù)（Local adversarial loss），而不是像之前的判別器，使用的是一個(gè)全局的損失函數(shù)。這里不同于樸素GAN將整張圖作為一個(gè)輸入進(jìn)行真與假的判別，而是將輸入的圖像分成若干個(gè)圖像塊，對(duì)每個(gè)圖像塊進(jìn)行判別。這樣的話(huà)可以避免過(guò)于強(qiáng)調(diào)某些特定的圖像特征而導(dǎo)致的尾插。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，使用這種局部的對(duì)抗損失，確實(shí)可以提供一些更銳利的細(xì)節(jié)，使得生成結(jié)果具有更豐富的信息。
那么除了剛才介紹的兩個(gè)例子，GAN還有其他一些非常有意思的應(yīng)用。
其它有趣的應(yīng)用實(shí)例
首先，圖像到圖像的翻譯。比如說(shuō)將語(yǔ)義標(biāo)注圖、灰度圖或邊緣圖作為GAN的輸入，那么我們希望它輸出能夠和輸入圖一致的真實(shí)圖像，例如這里的街景圖和彩色圖。
其次，文本到圖像的翻譯。GAN的輸入是一個(gè)描述圖像內(nèi)容的一句話(huà)，比如“一只有著粉色的胸和冠的小鳥(niǎo)”，那么所生成的圖像內(nèi)容要和這句話(huà)所描述的內(nèi)容相匹配。
GAN可以用在特定的人臉圖像生成上，例如戴著墨鏡的人臉。還可用在圖像語(yǔ)音分割上，通過(guò)引入對(duì)抗訓(xùn)練，得到更銳利的風(fēng)格結(jié)果。GAN可以用于視頻生成，通過(guò)過(guò)去的一些幀來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的一些幀，從而捕捉到一些運(yùn)動(dòng)的信息。
最近，我們自己的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在GAN上也有一些應(yīng)用和發(fā)展，其中一個(gè)是將GAN應(yīng)用在“人臉去遮擋”。我們引入了一種保持人的身份信息的GAN模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這個(gè)模型不僅能夠檢測(cè)和去掉在人臉上的遮擋，同時(shí)還能保持人的身份信息，從而提高人臉的識(shí)別準(zhǔn)確率。
我們實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)GAN應(yīng)用，是在小物體的檢測(cè)上，例如在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域?qū)煌?biāo)志進(jìn)行檢測(cè)。
我們發(fā)現(xiàn)，小的交通標(biāo)志和大的交通標(biāo)志實(shí)際上在特征表示上有著顯著的差異。因此，如果我們直接將所學(xué)習(xí)到的特征表示作為輸入，進(jìn)行檢測(cè)的話(huà)，那么小物體上的檢測(cè)結(jié)果往往都不是特別好。所以，我們提出了一個(gè)“感知GAN模型”（Perceptual GAN），應(yīng)用在小物體特征表示的超分辨率上，而不是對(duì)原始圖像進(jìn)行超分辨率，使得小物體的特征表示和大物體的特征角表示盡量接近，這樣我們就能夠成功檢測(cè)到小物體。我們將這個(gè)感知GAN模型應(yīng)用在了交通標(biāo)志檢測(cè)上，取得了比較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
針對(duì)GAN可解釋性差進(jìn)行改進(jìn)。包括最近剛提出的InfoGANs。InfoGANs通過(guò)最大化隱變量與觀測(cè)數(shù)據(jù)的互信息，來(lái)改進(jìn)GAN的解釋性。
進(jìn)一步提高GAN的學(xué)習(xí)能力。包括引入“多主體的GAN”。在多主體的GAN中，有多個(gè)生成器和判別器，它們之間可以進(jìn)行交流，進(jìn)行知識(shí)的共享，從而提高整體的學(xué)習(xí)能力。
針對(duì)GAN優(yōu)化不穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)。例如使用 F 散度來(lái)作為一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)和手段，對(duì)GAN進(jìn)行訓(xùn)練。
應(yīng)用在一些更廣泛的領(lǐng)域。包括遷移學(xué)習(xí)以及領(lǐng)域自適應(yīng)學(xué)習(xí)。還有一個(gè)最近比較有意思的應(yīng)用，是建立了GAN和強(qiáng)化學(xué)習(xí)之間的聯(lián)系，將GAN用在了逆強(qiáng)化學(xué)習(xí)和模擬學(xué)習(xí)上，從而能夠大幅度提高強(qiáng)化學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效率。另外還可以用在數(shù)據(jù)的壓縮上以及應(yīng)用在除了圖像以外其他的數(shù)據(jù)模式上，比如用于自然語(yǔ)句的生成，還有音樂(lè)的生成。
GAN的優(yōu)勢(shì)。作為一個(gè)生成模型，GAN模型避免了一些傳統(tǒng)生成模型在實(shí)際應(yīng)用中的一些困難，巧妙地通過(guò)對(duì)抗學(xué)習(xí)來(lái)近似一些不可解的損失函數(shù)。
應(yīng)用方面。GAN現(xiàn)在廣泛應(yīng)用圖像和視頻等數(shù)據(jù)的生成，還可以用在自然語(yǔ)言和音樂(lè)生成上。
存在的問(wèn)題。一個(gè)是GAN的優(yōu)化過(guò)程中存在不穩(wěn)定性，很容易坍縮到一個(gè)鞍點(diǎn)上；其次是GAN的可解釋性比較差；再次，需要提高訓(xùn)練過(guò)程中的穩(wěn)定性和GAN模型的延展性，尤其在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的時(shí)候。
應(yīng)用前景。在未來(lái)，我們希望看到GAN應(yīng)用在無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)或自監(jiān)督學(xué)習(xí)上，提供有效的解決方案。同時(shí)GAN還可以建立與強(qiáng)化學(xué)習(xí)之間的聯(lián)系，應(yīng)用在強(qiáng)化學(xué)習(xí)上。
最后，回到Y(jié)ann LeCun提出的那個(gè)比喻，我們對(duì)它進(jìn)行一點(diǎn)修改。就是如果人工智能是一個(gè)蛋糕的話(huà)，那么“蛋糕胚”不僅是指無(wú)監(jiān)督的數(shù)據(jù)表示學(xué)習(xí)，還應(yīng)該包括“無(wú)監(jiān)督推斷學(xué)習(xí)”，而GAN確實(shí)很好地連接了這兩個(gè)重要的人工智能主體。
另外，除了強(qiáng)化學(xué)習(xí)這顆“櫻桃”之外，實(shí)際上還有很多其他的“櫻桃”。比如說(shuō)魯棒學(xué)習(xí)、自監(jiān)督學(xué)習(xí)和在線(xiàn)學(xué)習(xí)等。所以實(shí)際上還有許多問(wèn)題需要大家一起來(lái)解決。
最后我要感謝一下實(shí)驗(yàn)室的博士后和訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生對(duì)我們GAN工作的貢獻(xiàn)，他們?cè)谛履甑臅r(shí)候還要熬夜幫我準(zhǔn)備這次PPT的一些素材。另外，謝謝大家來(lái)聽(tīng)這次分享課。
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