GAN（生成对抗网络）学习笔记

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GAN的思想是一种二人零和博弈思想(two-player game)，博弈双方的利益之和是一个常数，比如两个人掰手腕，假设总的空间是一定的，你的力气大一点，那你得到的空间就多一点，相应的我的空间就少一点，反之亦然。但有一点确定的就是，两个人的总空间是一定的，这就是二人博弈，但是总利益是一定的。

GAN中有两个这样的博弈者，一个人名字是生成模型(G)，另一个人名字是判别模型(D)，它们各自有各自的功能。
相同点是：这两个模型都可以看成是一个黑匣子，接受输入然后有一个输出，类似一个函数，一个输入输出映射。

不同点是：

1. 生成模型功能：比作是一个样本生成器，输入一个噪声/样本，然后把它包装成一个逼真的样子，也就是输出。
2. 判别模型：比作一个二分类器(如同0-1分类器)，来判断输入的样本是真是假。（就是输出值大于0.5还是小于0.5）

**判别模型，**就是图中右边的网络，直观来看就是简单的神经网络结构，输入是一副图像，输出是一个概率值，用于判断真假使用（概率值大于0.5就是真，小于0.5就是假）

其次是生成模型：同样是一个神经网络模型，输入是一组随机数Z，输出是一个图像，不再是一个数值而已。从图中可以看到，会存在两个数据集，一个是真实数据集，另一个是假的数据集，那这个数据集就是由生成网络造出来的数据集。

GAN的目标是要干什么：1. 判别网络的目的：就是能判别出来属于的一张图它是来自真实样本集还是假样本集。例如输入的是真样本，网络输出就接近1，输出的是假样本，网络输出接近0。

2. 生成网络的目的：生成网络是造样本，它的目的就是使得自己造样本的能力尽可能强，强到什么程度呢，判别网络没法判断我是真样本还是假样本。

有了这个理解再来看看为什么叫做对抗网络：

判别网络说，我很强，来一个样本我就知道它是来自真样本集还是假样本集。生成网络就不服来，说我也很强，我生成一个假样本，虽然我生成网络知道是假的，但是你判别网络不知道呀，我包装的非常逼真，以致于判别网络无法判断真假，那么用输出数值来解释就是，生成网络生成的假样本进去了判别网络之后，判别网络给出的结果是一个接近0.5的值，极限情况就是0.5，也就是说判别不出来来，这就是纳什平衡来。

数据集：真实采集的人脸样本数据集，没有类标签。

目的： 最远书的GAN的目的，通过输入一个噪声，模拟得到一个人脸图像，这个图像可以非常逼真以致于以假乱真。

训练方法：

训练两个模型的方法：单独交替迭代训练

判别模型： 希望真样本集尽可能输出1，假样本集输出0。对于判别网络，此时问题转换成一个有监督的二分类问题，直接送到神经网络模型中训练就ok。

**生成网络：**目的是生成尽可能逼真的样本。原始生成网络如何知道真不真？就是送到判别网络中。在训练生成网络的时候，需要联合判别网络才能达到训练的目的。什么意思？如果单单只用生成网络，那么后面怎么训练，误差来源在哪里？细想一下没有，但是如果把刚才的判别网络串接在生成网络的后面，这样就知道真假来，也就有了误差。！！！所以对生成网络的训练其实是对生成-判别网络串接的训练，就像图中显示的那样。 生成来假样本，要把这些假样本的标签都设置为 1，也就是认为这些假样本在生成网络训练的时候是真样本。起到了迷惑判别器的目的。！！！在训练这个串接网络的时候，一个很重要的操作就是不要判别网络的参数发生变化，也就是不让它参数发生更新，只是把误差一直传，传到生成网络那块后更新生成网络的参数。这样就完成来生成网络的训练。

假样本在训练过程中的真假变换公式：

先优化D，然后再优化G，拆解之后就如下：

优化D：

优化D，即优化判别网络时，没有生成网络什么事，后面的G(z)这里就相当于已经得到的假样本。优化D的公式的第一项，使得真样本x输入的时候，得到的结果越大越好，因为真样本的预测结果越接近1越好；对于假样本，需要优化的是其结果越小越好，也就是D(G(z))越小越好，因为它的标签为0。但是第一项越大，第二项越小，就矛盾了，所以把第二项改为1-D(G(z))，这样就是越大越好。

优化G：

在优化G的时候，这个时候没有真样本什么事，所以把第一项直接去掉，这时候只有假样本，但是我们说这个时候是希望假样本的标签是1，所以是D(G(z))越大越好，但是为了统一成1-D(G(z))的形式，那么只能是最小化1-D(G(z))，本质上没有区别，只是为了形式的统一。之后这两个优化模型可以合并起来写，就变成最开始的最大最小目标函数了。

GAN强大之处在于可以自动的学习原始真实样本集的数据分布
传统机器学习方法，会定义一个什么模型让数据去学习，假设我们知道原始数据属于高斯分布，只是不知道高斯分布的参数，这个时候我们会定义高斯分布，然后利用数据去学习高斯分布的参数得到最终的模型。 然而从随机噪声到人脸应该服从什么分布，我们不知道，然而GAN机制可以学习到，也就是说GAN学习到了真实样本集的数据分布。

GAN强大之处在于可以自动的定义潜在损失函数
判别网络可以自动学习到一个好的判别方法，其实就是等效的理解为可以学习到好的损失函数，来比较好或者不好的判别出来结果。虽然大的loss函数还是人为定义的，基本上对于多数GAN也都这么定义就可以来，但是判别网络潜在学习到的损失函数隐藏在网络之中，不同的问题这个函数就不一样，所以说可以自动学习这个潜在的损失函数。