CycleGAN 无依赖风格转换
学习资料:
- 我制作的GAN简介短片
- 我制作的看图
说画
的GAN - 论文 Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks
- 本节代码
- 代码有我自己定义的依赖utils.py, visual.py, mnist_ds.py
怎么了¶
CycleGAN 是一种奇妙的 GAN，它与前面的 Pix2Pix 和 CCGAN 都不一样。我非常喜欢 CycleGAN 的模式，也为它能够解决的问题感到震撼。 前阵子我在抖音的时候，发现了它这种视频，那时候我还不懂GAN，这种视频效果让我百思不得其解。 用真人的图像，变成卡通图像。
如果你用监督学习来做吧，你哪来那么多带着卡通图像的真人图像，让一个画家画断手也弄不来一一对应的人脸卡通画呀。那这种人脸卡通化的技术又是怎么搞的呢？ 后来我深入了GAN，了解到了 CycleGAN 这种技术后，这个问题才迎刃而解。即使抖音中的卡通化不是按照 CycleGAN 来搞的， 那么肯定还是借鉴了 CycleGAN 的思路来做的。
所以一句话来描述 CycleGAN 做的事情：训练风格转换时，不要求具备一一对应的风格转换数据，也能学习到风格转换的规律。 我详细展开一下，通常在训练风格转换时，都是拿着原图 X 和 原图对应的转换后的 Y 来作为一对监督数据，把 X 转换成 Y，但是很多时候， 我们并不能方便地获取到转换后的风格图像（毕竟我们不愿看到很多画家画断手）。CycleGAN 就提供了另一种思路，没有一一对应的 XY 是吗？没问题， 你多给我点 X 和 多给我点 Y，他们对不对应没关系，我照样可以训练风格迁移。
上图就是论文中经典的生成结果，比如普通马变斑马，简笔画填充，图片虚化等。 更多有关于GAN做图片生成图片的技术，我在这个短视频中做了具体介绍了。 这次教学中，为了减少训练时间，统一横向对比其他教学中的模型， 我还是用 mnist 数据做了这样一个实验，让 6 和 9 两个数字进行风格迁移，就类似马和斑马的风格迁移一样。
怎么训练¶
为了实现无监督形式的风格迁移，我们第一个反应应该是下面这种方式。构建两套GAN的 pic2pic 系统，分别训练一个 猫狗生成器
和 狗猫生成器
。 用这两种生成器进行猫狗两者的互相风格迁移。
CycleGAN 用了另一种非常优雅的方式来结合这两种生成器，在不浪费计算资源的前提下，复用两种生成器， 在训练猫狗生成器
的时候，也同时能训练一把狗猫生成器
。一石二鸟，一举两得。这就是 CycleGAN 的魔法。
上图是paper中的图示，看起来是有那么一点复杂，我们化简一下，看看化简之后的结构图和我画的上一张 猫狗生成器
和 狗猫生成器
有啥差别。
和我画的上一张互相独立的两个生成器对比，这张图片中展示的则是相互依赖的生成器。为什么要做成依赖的？因为与其单独训练两个生成器， 不如利用这两者之间的互相转换关系，多利用一层有价值的关系信息，将他们捆绑起来，促进生成器的效用。所以不管是在训练猫生狗
还是在训练狗生猫
时， 都用到了 猫狗生成器
和 狗猫生成器
。 而且是以一种 AutoEncoder 的方式训练这两种生成器， 让他们具备抽取有用信息的能力。
| CycleGAN | AutoEncoder | |
|---|---|---|
| 压缩/Encode/迁移 | 生成风格化的原图 | 生成对原图的理解 |
| 解压/Decode/重构 | 从风格图重构原图 | 从理解中重构原图 |
CycleGAN 模型要想办法抽离原图的关键信息，构造由关键信息组成的风格图片；再尝试从风格化的图片中找到原图的信息，并重构回原图片。 所以至始至终，在这条转变的线路中流淌着的就是被模型提取出来的原图关键信息。 对比 原图 和 重构图 之间的差别，我们就实现了 AutoEncoder 的计算误差的基础功能。但问题来了，我们怎么保证风格化的图就是我们想要的风格呢？ 在 AutoEncoder 中，不用管压缩后的理解
是什么，因为那不重要，我们不会使用到它。但是 CycleGAN 中，风格化图片是有用的， 我们怎么确保它能是一张风格化图片？这就是 CycleGAN 和 AutoEncoder 最大的差别了。 我们可以借鉴 GAN 的 Discriminator 来控制中间这个生成的风格化图片，让它趋近真实图片。
所以整个 CycleGAN 的训练中，有两种误差：
- Discriminator 的真假判断误差，确保迁移后/风格化后的图长得像一张真实的图片;
- 和 AutoEncoder 类似的重构误差 (cycle-consistency loss)，保证
G和F两个模型理解原图信息，能找到原图关键信息。
对应的误差计算公式分别是：
将他们两个误差整合起来就变成了这样：
接下来我们来撸一撸代码。
秀代码¶
如果想直接看全部代码， 请点击这里去往我的Github. 我在这里说一下代码当中的重点部分。
在训练 CycleGAN 的时候，我们已经提到，为了训练效率，它会同时利用两种不同风格的数据，在一个 cycle 中训练两种数据。所以他的 train() 方法稍微有点不同。 在我用 mnist 做 demo 的这个例子中，我会让 CycleGAN 转换 6 和 9，让第一个生成器 G 从 6 生成 9，让第二个生成器 F 从 9 生成 6。 所以在每次 gan.step() 的时候，我都把 6 和 9 同时传给它。
在 CycleGAN 内部，如上面画的结构图，它其实同时包含了两种风格变换器
，也就是两个生成器，我在代码中用：
self.g12：从风格1生成风格2self.g21：从风格2生成风格1
同时 CycleGAN 也会有两个判别器：
self.d12：检验self.g12生成效果self.d21：检验self.g21生成效果
而这里面的 self._get_generator 和 self._get_discriminator 基本上都是复用了 CCGAN 定义的结构。 Generator 是一个 pic2pic 的结构，Discriminator 是一个典型二分类的结构。
CycleGAN 代码最最重点的部分是在它如何训练的部分，前面这些都是结构性的铺垫。在训练 Discriminator 的时候还好说，和普通的 GAN 没太多差别， 只是需要同时计算两个 Discriminator 的 loss 而已。
而 Generator 的训练就相对比较复杂一点，中间包含了计算：
- Cycle consistency loss
- Discriminator 的 Adversarial loss
- Identity loss
前面两个loss我们都介绍过，那这个 Identity loss 又是个什么鬼？在原论文中，它觉得在真实照片和画作互转的时候，是和现实生活中 马与斑马 互转这种情况不同的。 画作中，背景色等很多环境信息也要进行转移，如果不加这个 Identity Loss，这些信息的转移会存在偏差。所以这是一个选着性添加的loss。
这里面我单独将 cycle() 和 identity() 拿出来写，这样逻辑会稍微清晰点，在计算 cycle() 的时候，简化起来是这样一个逻辑： g21(g12(img1)) 和 g12(g21(img2))，将原图变出去，再变回来。在计算一下变回来后还像不像原图。 而 identity() 就是在检测风格化后的画作和原画作差距多少？它需要尽量减少迁移后的差距，保留原画作主色调。
最后train出来，效果就如下图啦，可以看出，6具有的一些属性，比如高矮胖瘦都成功的传递到9身上了。反之9也传递到6身上了。这就是 CycleGAN 来回迁移的独特魅力， 同时也意味着，g12 和 g21 保持着内在的联系，他们是镜像的同属性风格变换器。
问题¶
其实 CycleGAN 并不完美，后作还有很多提升它效果的论文，我用这套框架在 CelebA 数据集上试了试，实现男女性别转换。虽然转换成功了，但是普遍还是有点糊。 特别是男转女的时候。我猜可能是男生头发本来就少，还要生成变化莫测的女生头发，男转女的生成器负担太大了。反之，女转男稍稍好一点。哈哈哈，是不是女汉子要比娘炮更好当？？ 这个实验的代码在这CelebA CycleGAN。
除了训练难度，对数据分布的识别可能也不太好，比如论文中一张经典图片。要做马转斑马，但是马上的人也被当成马的一部分，被转成斑马了， 所以常听到的人马兽
，人马兽
是真的吗？
总结¶
CycleGAN 是我见识到的 GAN 应用比较有趣的其中一个，不同于经典 GAN 的训练，它利用了 Cycle 循环的训练方法，同时训练 来回变身
大法， 让基佬，Gay老不用花钱整容也可以翻身了。
