生成对抗网络GAN系列（五）— pix2pix—Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks—附代码

Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks-(pix2pix)

Phillip Isola       Jun-Yan Zhu          Tinghui Zhou             Alexei A. Efros

Berkeley AI Research (BAIR) Laboratory, UC Berkeley

---文末附代码

1.概述

很多图像处理、计算机图形徐、计算机视觉方面的任务的本质都是一样的，就是把一个输入图像给翻译成另一个输出图像。概括的说，都是predict pixels from pixels

即是 依据像素点（输入信息）对像素点做出预测

故本篇文章提出的网络称为：pix2pix

2.核心思想

本篇论文的核心思想并不复杂，是借鉴了conditional-GAN的思想。了解cGAN的朋友都清楚，cGAN在输入G网络的时候不光会输入噪音，还会输入一个条件（condition），G网络生成的fake images 会受到具体的condition的影响。

那么现在，如果把一副图像作为condition，则生成的fake images 就与这个condition images有对应关系。

这样一来，就实现了一个Image-to-Image Translation 的过程

 

3.具体的实现方法

本图就是pix2pix的一个原理图。

注意重点，虽然是借鉴了conditional-GAN的思想，但是又与cGAN有区别

我这里把它和cGAN做个对比：

本网络的损失函数设置为：

这里的损失函数中，G的输入仍然写的是(x,z)，说实话，其实并不用噪音z，

它官方给的代码里，输入都没有噪音z，也就是说，写个G(x)就可以了。

然后和我上面的讲解图中的区别就是，x和y的命名交换了一下，他这里是把条件命名为x，真实数据为y，参考上面那个鞋子图…而我的对比讲解图中，是为了和cGAN做对比，所以条件命名为y，真实数据命名为x。不影响正确性。

 

以上是传统的条件GAN的loss，本文中还另外加入了一个L1-loss：

即生成的fake images 与 真实的real images之间的L1距离，（imgB' 和imgB）保证了输入和输出图像的相似度，

最后总的loss函数为：

4.网络结构

①Generator

G网络采取的是U-net的结构，大致如下：

 

简单的说，是一个end-to-end的网络，且是一个对称的结构，这种结构已经很常见了，在图像分割领域中的SegNet也是这种。

另外还把前面layer的一些map直接连接到后面同样分辨率的layer上去（add skip connections between each layer I and layer n - i），称之为 skip connection。

其实这个思路一点也不新鲜，早在FCN中就已经有类似的思路，FCN中称为skip layer， 在residual network 的每一个basic block 把结果加上residual x也是类似的思想。

具体的layer的设置，还请参考代码，这里不详细说明。

②Discriminator

 D网络也玩了点花样，即称为Pacth-D. 就是说，最后D网络生成的可以是一个patch（或者说一个矩阵），早期的GAN中，D网络一般就只输出一个数字，0or1，这里输出一个矩阵，矩阵中的元素为0or1，矩阵大小可调节（Patch的大小可以调节），后面的实验结果做了分析。

5.实验细节：

①G 和 D 交替训练

②优化D的时候，每次都把损失函数的值先除以2

③Adam优化算法：lr=0.0002，beta1=0.5, beta2=0.999

6.实验结果

①损失函数的对比（论文中4.2提及）

论述了L1+cGAN的结果是最优的。

 

但是这里我多提一下，因为我本身是做semantic segmentation的，本实验中如果做semantic segmentation这个任务的话（论文中4.6提及）：

 

会发现只用L1时，结果更好，所以需要根据具体的任务而言。

②网络结构和损失数的影响（论文中4.3提及）

可见，G采用U-net，损失函数采用L1+cGAN的时候，效果是最佳的

 

③颜色（论文中4.2 中Colorfulness提及）

这里采用的是Lab色彩空间做的实验，不是我们常见的（RBG色彩空间），学过图像处理的朋友都知道Lab色彩空间更符合人类视觉体验，总之对比结果见最右侧的表，表明L1损失函数鼓励图像均值化、灰度化，而cGAN损失函数鼓励更多的色彩

④Patch的对比：（论文中4.4提及）

1x1也就是以像素点为单位判别，很模糊，但是颜色却比较丰富,

（从代码中来看，就是D生成的是一个图像大小尺寸的patch，即矩阵包含的0或者1的个数等于图像像素个数，一个像素点能有自己对应的一个0or1的判断）

16x16会显得清晰一些，但是有一些白点

70x70效果更好一些

286x286就是以图像为单位进行判别了

其余的一些我就不赘述了，本篇论文大概就是这样了

这个patch的大小究竟怎么算，其实就是从最后那一层起往后回推感受野（FOV）的大小，所以可以根据代码里面具体的kernel—size和stride 以及layer的层数来回推，这里就不展开讲了。

 

7.代码复现：

下面的是我自己复现的简化版代码：

https://github.com/TeeyoHuang/pix2pix-pytorch，

下面的是论文作者写的pytorch版本的代码，说实话代码量有点大，因为是把pix2pix和cycleGAN写在一起的：

https://github.com/junyanz/pytorch-CycleGAN-and-pix2pix，