第G9周:ACGAN理论与实战

  • 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营 中的学习记录博客
  • 🍖 原作者:K同学啊

由于ACGAN的原理在上一篇文章中已经很详细的解释过了,这次我们直接上代码

一、代码解读

import argparse
import os
import numpy as np

import torchvision.transforms as transforms
from torchvision.utils import save_image

from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torch.autograd import Variable

import torch.nn as nn
import torch
import sys
sys.argv = ['run.py']

os.makedirs("images1", exist_ok=True)

parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--n_epochs", type=int, default=100, help="训练的总轮数")
parser.add_argument("--batch_size", type=int, default=128, help="每个批次的大小")
parser.add_argument("--lr", type=float, default=0.0002, help="Adam优化器的学习率")
parser.add_argument("--b1", type=float, default=0.5, help="Adam优化器的一阶动量衰减")
parser.add_argument("--b2", type=float, default=0.999, help="Adam优化器的二阶动量衰减")
parser.add_argument("--n_cpu", type=int, default=8, help="用于批次生成的CPU线程数")
parser.add_argument("--latent_dim", type=int, default=100, help="潜在空间的维度")
parser.add_argument("--n_classes", type=int, default=10, help="数据集的类别数")
parser.add_argument("--img_size", type=int, default=32, help="每个图像的尺寸")
parser.add_argument("--channels", type=int, default=1, help="图像通道数")
parser.add_argument("--sample_interval", type=int, default=200, help="图像采样间隔")
opt = parser.parse_args()
print(opt)

cuda = True if torch.cuda.is_available() else False

这段代码是一个Python脚本的示例,它使用了argparse库来解析命令行参数,并设置了与图像生成相关的各种参数。代码的主要部分包括参数解析、检查GPU支持、以及创建一个目录来存储生成的图像。

  1. 导入必要的库和模块
    • argparse:用于解析命令行参数。
    • os:用于操作系统相关的功能,如创建目录。
    • numpy:用于数学计算。
    • torchvision.transforms:用于图像预处理。
    • torchvision.utils:用于保存图像。
    • torch.utils.data:用于数据加载。
    • torchvision.datasets:用于加载数据集。
    • torch.autograd:用于自动求导。
    • torch.nn:用于定义神经网络。
    • torch:用于深度学习。
    • sys:用于访问系统相关的参数和函数。
  2. 创建用于存储生成图像的目录
    • os.makedirs("images1", exist_ok=True):如果目录"images1"不存在,则创建它。如果目录已经存在,则不会引发错误。
  3. 解析命令行参数
    • 使用argparse.ArgumentParser创建一个参数解析器。
    • 添加多个参数,包括训练的总轮数、每个批次的大小、Adam优化器的学习率、一阶和二阶动量衰减、用于批次生成的CPU线程数、潜在空间的维度、数据集的类别数、每个图像的尺寸、图像通道数和图像采样间隔。
    • 使用parser.parse_args()解析命令行参数,并将解析后的参数存储在opt变量中。
    • 打印解析后的参数。
  4. 检查是否支持GPU加速
    • cuda = True if torch.cuda.is_available() else False:检查是否有可用的GPU,并设置cuda变量为TrueFalse
      这段代码为后续的深度学习模型训练和图像生成准备环境,包括设置参数和检查GPU支持。在实际应用中,这段代码可能需要根据具体任务和数据集进行调整。
def weights_init_normal(m):
    classname = m.__class__.__name__
    if classname.find("Conv") != -1:
        torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 0.0, 0.02)
    elif classname.find("BatchNorm2d") != -1:
        torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 1.0, 0.02)
        torch.nn.init.constant_(m.bias.data, 0.0)

# 生成器网络类
class Generator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Generator, self).__init__()

        # 为类别标签创建嵌入层
        self.label_emb = nn.Embedding(opt.n_classes, opt.latent_dim)

        # 计算上采样前的初始大小
        self.init_size = opt.img_size // 4  # Initial size before upsampling

        # 第一层线性层
        self.l1 = nn.Sequential(nn.Linear(opt.latent_dim, 128 * self.init_size ** 2))

        # 卷积层块
        self.conv_blocks = nn.Sequential(
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.Upsample(scale_factor=2),
            nn.Conv2d(128, 128, 3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(128, 0.8),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Upsample(scale_factor=2),
            nn.Conv2d(128, 64, 3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(64, 0.8),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Conv2d(64, opt.channels, 3, stride=1, padding=1),
            nn.Tanh(),
        )

    def forward(self, noise, labels):
        # 将标签嵌入到噪声中
        gen_input = torch.mul(self.label_emb(labels), noise)

        # 通过第一层线性层
        out = self.l1(gen_input)

        # 重新整形为合适的形状
        out = out.view(out.shape[0], 128, self.init_size, self.init_size)

        # 通过卷积层块生成图像
        img = self.conv_blocks(out)
        return img

这段代码定义了一个生成器网络类Generator,它是用于生成图像的深度学习模型。生成器网络是生成对抗网络(GAN)的一部分,它学习如何从随机噪声生成真实的图像。代码中定义了网络的结构和前向传播过程。

  1. 权重初始化函数
    • weights_init_normal(m):这是一个自定义的权重初始化函数,用于在生成器网络中初始化各种层的权重。
    • classname = m.__class__.__name__:获取当前层的类名。
    • if classname.find("Conv") != -1::如果层是卷积层,则进行相应的权重初始化。
    • elif classname.find("BatchNorm2d") != -1::如果层是批量归一化层,则进行相应的权重和偏置初始化。
    • torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 0.0, 0.02):对权重进行正态分布初始化。
    • torch.nn.init.constant_(m.bias.data, 0.0):对偏置进行常数初始化。
  2. 生成器网络类
    • class Generator(nn.Module):定义了一个名为Generator的类,它继承自nn.Module,这是所有PyTorch神经网络类的基础。
    • def __init__(self):这是生成器网络的构造函数。
    • super(Generator, self).__init__():调用父类的构造函数,初始化网络的基本结构。
    • self.label_emb = nn.Embedding(opt.n_classes, opt.latent_dim):创建一个嵌入层,用于将类别标签嵌入到潜在空间中。
    • self.init_size = opt.img_size // 4:计算上采样前的初始大小,通常为输入图像尺寸的四分之一。
    • self.l1 = nn.Sequential(...):定义了一个包含线性层和重排层的序列,用于将潜在空间向量转换为适合后续卷积层的形状。
    • self.conv_blocks = nn.Sequential(...):定义了一个包含多个卷积层、批量归一化层和Leaky ReLU激活函数的序列,用于生成最终的图像。
  3. 前向传播过程
    • def forward(self, noise, labels):定义了生成器的前向传播函数。
    • gen_input = torch.mul(self.label_emb(labels), noise):将标签嵌入到噪声中,生成用于后续处理的输入。
    • out = self.l1(gen_input):通过第一层线性层。
    • out = out.view(out.shape[0], 128, self.init_size, self.init_size):重新整形为合适的形状。
    • img = self.conv_blocks(out):通过卷积层块生成图像。
    • return img:返回生成的图像。
      这段代码定义了一个生成器网络,它可以接受噪声和类别标签作为输入,并生成相应的图像。在实际应用中,这个生成器网络可能需要根据具体任务和数据集进行调整。
class Discriminator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Discriminator, self).__init__()

        # 定义判别器块的函数
        def discriminator_block(in_filters, out_filters, bn=True):
            """返回每个判别器块的层"""
            block = [nn.Conv2d(in_filters, out_filters, 3, 2, 1), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Dropout2d(0.25)]
            if bn:
                block.append(nn.BatchNorm2d(out_filters, 0.8))
            return block

        # 判别器的卷积层块
        self.conv_blocks = nn.Sequential(
            *discriminator_block(opt.channels, 16, bn=False),
            *discriminator_block(16, 32),
            *discriminator_block(32, 64),
            *discriminator_block(64, 128),
        )

        # 下采样后图像的高度和宽度
        ds_size = opt.img_size // 2 ** 4

        # 输出层
        self.adv_layer = nn.Sequential(nn.Linear(128 * ds_size ** 2, 1), nn.Sigmoid())
        self.aux_layer = nn.Sequential(nn.Linear(128 * ds_size ** 2, opt.n_classes), nn.Softmax())

    def forward(self, img):
        out = self.conv_blocks(img)
        out = out.view(out.shape[0], -1)
        validity = self.adv_layer(out)
        label = self.aux_layer(out)

        return validity, label

# 损失函数
adversarial_loss = torch.nn.BCELoss()
auxiliary_loss = torch.nn.CrossEntropyLoss()

这段代码定义了一个判别器网络类Discriminator,它是用于区分真实图像和生成图像的深度学习模型。判别器网络是生成对抗网络(GAN)的另一部分,它的目标是区分输入的图像是否是真实图像。代码中定义了网络的结构和前向传播过程。

  1. 权重初始化函数
    • weights_init_normal(m):这是一个自定义的权重初始化函数,用于在判别器网络中初始化各种层的权重。
    • classname = m.__class__.__name__:获取当前层的类名。
    • if classname.find("Conv") != -1::如果层是卷积层,则进行相应的权重初始化。
    • elif classname.find("BatchNorm2d") != -1::如果层是批量归一化层,则进行相应的权重和偏置初始化。
    • torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 0.0, 0.02):对权重进行正态分布初始化。
    • torch.nn.init.constant_(m.bias.data, 0.0):对偏置进行常数初始化。
  2. 判别器网络类
    • class Discriminator(nn.Module):定义了一个名为Discriminator的类,它继承自nn.Module
    • def __init__(self):这是判别器网络的构造函数。
    • super(Discriminator, self).__init__():调用父类的构造函数,初始化网络的基本结构。
    • self.conv_blocks = nn.Sequential(...):定义了一个包含多个卷积层、Leaky ReLU激活函数和批量归一化层的序列,用于判别输入的图像。
    • self.adv_layer = nn.Sequential(...):定义了一个包含线性层和Sigmoid激活函数的序列,用于输出判别结果。
    • self.aux_layer = nn.Sequential(...):定义了一个包含线性层和Softmax激活函数的序列,用于输出类别标签。
  3. 前向传播过程
    • def forward(self, img):定义了判别器的前向传播函数。
    • out = self.conv_blocks(img):通过卷积层块处理输入的图像。
    • out = out.view(out.shape[0], -1):重新整形为适合后续层的形状。
    • validity = self.adv_layer(out):通过判别层输出判别结果。
    • label = self.aux_layer(out):通过判别层输出类别标签。
    • return validity, label:返回判别结果和类别标签。
  4. 损失函数
    • adversarial_loss = torch.nn.BCELoss():定义了一个二元交叉熵损失函数,用于判别器中的对抗损失。
    • auxiliary_loss = torch.nn.CrossEntropyLoss():定义了一个交叉熵损失函数,用于判别器中的辅助损失。
      这段代码定义了一个判别器网络,它可以接受图像作为输入,并输出判别结果和类别标签。在实际应用中,这个判别器网络可能需要根据具体任务和数据集进行调整。
generator = Generator()
discriminator = Discriminator()

if cuda:
    generator.cuda()
    discriminator.cuda()
    adversarial_loss.cuda()
    auxiliary_loss.cuda()

# 初始化权重
generator.apply(weights_init_normal)
discriminator.apply(weights_init_normal)

# 配置数据加载器
os.makedirs("data/mnist", exist_ok=True)
dataloader = torch.utils.data.DataLoader(
    datasets.MNIST(
        "data/mnist",
        train=True,
        download=True,
        transform=transforms.Compose(
            [transforms.Resize(opt.img_size), transforms.ToTensor(), transforms.Normalize([0.5], [0.5])]
        ),
    ),
    batch_size=opt.batch_size,
    shuffle=True,
)

# 优化器
optimizer_G = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))
optimizer_D = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))

FloatTensor = torch.cuda.FloatTensor if cuda else torch.FloatTensor
LongTensor = torch.cuda.LongTensor if cuda else torch.LongTensor

# 保存生成图像的函数
def sample_image(n_row, batches_done):
    """保存从0到n_classes的生成数字的图像网格"""
    # 采样噪声
    z = Variable(FloatTensor(np.random.normal(0, 1, (n_row ** 2, opt.latent_dim))))
    # 为n行生成标签从0到n_classes
    labels = np.array([num for _ in range(n_row) for num in range(n_row)])
    labels = Variable(LongTensor(labels))
    gen_imgs = generator(z, labels)
    save_image(gen_imgs.data, "images1/%d.png" % batches_done, nrow=n_row, normalize=True)

这段代码是生成对抗网络(GAN)的训练过程的一部分,它包括生成器、判别器、数据加载器、优化器以及一个保存生成图像的函数。代码首先定义了生成器和判别器,然后设置GPU支持,初始化权重,配置数据加载器,创建优化器,并定义了一个保存生成图像的函数。

  1. 创建生成器和判别器
    • generator = Generator():创建一个Generator实例。
    • discriminator = Discriminator():创建一个Discriminator实例。
  2. 设置GPU支持
    • if cuda::如果启用了GPU,则将生成器和判别器移动到GPU上,并相应地调整损失函数。
    • generator.cuda():将生成器移动到GPU。
    • discriminator.cuda():将判别器移动到GPU。
    • adversarial_loss.cuda():将对抗损失函数移动到GPU。
    • auxiliary_loss.cuda():将辅助损失函数移动到GPU。
  3. 初始化权重
    • generator.apply(weights_init_normal):使用weights_init_normal函数初始化生成器的权重。
    • discriminator.apply(weights_init_normal):使用weights_init_normal函数初始化判别器的权重。
  4. 配置数据加载器
    • os.makedirs("data/mnist", exist_ok=True):创建一个名为"data/mnist"的目录,如果目录已存在,则不引发错误。
    • dataloader = torch.utils.data.DataLoader(...):创建一个MNIST数据集的DataLoader实例,用于加载训练数据。
  5. 创建优化器
    • optimizer_G = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2)):为生成器创建一个Adam优化器实例。
    • optimizer_D = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2)):为判别器创建一个Adam优化器实例。
  6. 定义FloatTensor和LongTensor
    • FloatTensor = torch.cuda.FloatTensor if cuda else torch.FloatTensor:根据是否使用GPU,定义一个浮点数张量类型。
    • LongTensor = torch.cuda.LongTensor if cuda else torch.LongTensor:根据是否使用GPU,定义一个长整数张量类型。
  7. 保存生成图像的函数
    • def sample_image(n_row, batches_done):定义了一个函数,用于保存生成的图像。
    • z = Variable(FloatTensor(np.random.normal(0, 1, (n_row ** 2, opt.latent_dim)))):生成一个随机噪声向量。
    • labels = np.array([num for _ in range(n_row) for num in range(n_row)]):为图像生成对应的标签。
    • labels = Variable(LongTensor(labels)):将标签转换为张量。
    • gen_imgs = generator(z, labels):使用生成器生成图像。
    • save_image(gen_imgs.data, "images1/%d.png" % batches_done, nrow=n_row, normalize=True):保存生成的图像。
      这段代码是GAN训练过程中的一部分,它定义了生成器和判别器,并设置了GPU支持、初始化权重、配置数据加载器、创建优化器,并定义了一个保存生成图像的函数。在实际应用中,这段代码可能需要根据具体任务和数据集进行调整。
for epoch in range(opt.n_epochs):
    for i, (imgs, labels) in enumerate(dataloader):

        batch_size = imgs.shape[0]

        # 真实数据的标签
        valid = Variable(FloatTensor(batch_size, 1).fill_(1.0), requires_grad=False)
        # 生成数据的标签
        fake = Variable(FloatTensor(batch_size, 1).fill_(0.0), requires_grad=False)

        # 配置输入
        real_imgs = Variable(imgs.type(FloatTensor))
        labels = Variable(labels.type(LongTensor))

        # -----------------
        # 训练生成器
        # -----------------

        optimizer_G.zero_grad()

        # 采样噪声和标签作为生成器的输入
        z = Variable(FloatTensor(np.random.normal(0, 1, (batch_size, opt.latent_dim))))
        gen_labels = Variable(LongTensor(np.random.randint(0, opt.n_classes, batch_size)))

        # 生成一批图像
        gen_imgs = generator(z, gen_labels)

        # 损失度量生成器的欺骗判别器的能力
        validity, pred_label = discriminator(gen_imgs)
        g_loss = 0.5 * (adversarial_loss(validity, valid) + auxiliary_loss(pred_label, gen_labels))

        g_loss.backward()
        optimizer_G.step()

        # ---------------------
        # 训练判别器
        # ---------------------

        optimizer_D.zero_grad()

        # 真实图像的损失
        real_pred, real_aux = discriminator(real_imgs)
        d_real_loss = (adversarial_loss(real_pred, valid) + auxiliary_loss(real_aux, labels)) / 2

        # 生成图像的损失
        fake_pred, fake_aux = discriminator(gen_imgs.detach())
        d_fake_loss = (adversarial_loss(fake_pred, fake) + auxiliary_loss(fake_aux, gen_labels)) / 2

        # 判别器的总损失
        d_loss = (d_real_loss + d_fake_loss) / 2

        # 计算判别器的准确率
        pred = np.concatenate([real_aux.data.cpu().numpy(), fake_aux.data.cpu().numpy()], axis=0)
        gt = np.concatenate([labels.data.cpu().numpy(), gen_labels.data.cpu().numpy()], axis=0)
        d_acc = np.mean(np.argmax(pred, axis=1) == gt)

        d_loss.backward()
        optimizer_D.step()

        
        batches_done = epoch * len(dataloader) + i
        if batches_done % opt.sample_interval == 0:
            save_image(gen_imgs.data[:25], "images1/%d.png" % batches_done, nrow=5, normalize=True)

    print(
        "[Epoch %d/%d] [Batch %d/%d] [D loss: %f, acc: %d%%] [G loss: %f]"
        % (epoch, opt.n_epochs, i, len(dataloader), d_loss.item(), 100 * d_acc, g_loss.item())
    )

这段代码是生成对抗网络(GAN)的训练过程,其中包含了多个循环,用于迭代地训练生成器和判别器。代码首先定义了生成器和判别器的优化器,然后遍历数据集,在每个批次上更新网络的权重。

  1. 循环遍历训练轮数
    • for epoch in range(opt.n_epochs)::循环遍历训练的轮数,opt.n_epochs是命令行参数中定义的总训练轮数。
  2. 循环遍历数据集的每个批次
    • for i, (imgs, labels) in enumerate(dataloader)::循环遍历数据加载器中的每个批次,imgs是真实图像,labels是图像对应的标签。
  3. 设置批次大小
    • batch_size = imgs.shape[0]:获取当前批次的图像数量,即批次大小。
  4. 定义真实数据和生成数据的标签
    • valid = Variable(FloatTensor(batch_size, 1).fill_(1.0), requires_grad=False):真实数据的标签,值为1。
    • fake = Variable(FloatTensor(batch_size, 1).fill_(0.0), requires_grad=False):生成数据的标签,值为0。
  5. 准备真实图像和标签
    • real_imgs = Variable(imgs.type(FloatTensor)):将真实图像转换为浮点数张量。
    • labels = Variable(labels.type(LongTensor)):将标签转换为长整数张量。
  6. 更新生成器
    • optimizer_G.zero_grad():清除生成器优化器的梯度。
    • z = Variable(FloatTensor(np.random.normal(0, 1, (batch_size, opt.latent_dim)))):生成一个随机噪声向量。
    • gen_labels = Variable(LongTensor(np.random.randint(0, opt.n_classes, batch_size))):为图像生成对应的标签。
    • gen_imgs = generator(z, gen_labels):使用生成器生成图像。
    • validity, pred_label = discriminator(gen_imgs):使用判别器评估生成图像的真实性。
    • g_loss = 0.5 * (adversarial_loss(validity, valid) + auxiliary_loss(pred_label, gen_labels)):计算生成器的损失。
    • g_loss.backward():计算生成器损失的梯度。
    • optimizer_G.step():使用梯度更新生成器的权重。
  7. 更新判别器
    • optimizer_D.zero_grad():清除判别器优化器的梯度。
    • real_pred, real_aux = discriminator(real_imgs):使用判别器评估真实图像的真实性。
    • d_real_loss = (adversarial_loss(real_pred, valid) + auxiliary_loss(real_aux, labels)) / 2:计算判别器对真实图像的损失。
    • fake_pred, fake_aux = discriminator(gen_imgs.detach()):使用判别器评估生成图像的真实性,但不对生成图像求梯度。
    • d_fake_loss = (adversarial_loss(fake_pred, fake) + auxiliary_loss(fake_aux, gen_labels)) / 2:计算判别器对生成图像的损失。
    • d_loss = (d_real_loss + d_fake_loss) / 2:计算判别器的总损失。
    • d_acc = np.mean(np.argmax(pred, axis=1) == gt):计算判别器的分类准确率。
    • d_loss.backward():计算判别器损失的梯度。
    • optimizer_D.step():使用梯度更新判别器的权重。
  8. 保存生成图像
    • if batches_done % opt.sample_interval == 0::检查当前批次完成的次数是否是opt.sample_interval的倍数。如果满足条件,则执行以下代码。
    • save_image(gen_imgs.data[:25], "images1/%d.png" % batches_done, nrow=5, normalize=True)
      • gen_imgs.data[:25]:从生成的图像中选择前25个图像用于保存。
      • "images1/%d.png" % batches_done:创建一个文件名,包含当前批次完成的次数。
      • nrow=5:将图像以5行每行的形式排列。
      • normalize=True:将图像的像素值从[-1, 1]范围转换为[0, 1]范围,以便于显示。
  9. 打印训练状态
    • print(...):打印当前的训练状态。
    • [Epoch %d/%d]:当前训练轮数和总训练轮数。
    • [Batch %d/%d]:当前批次和总批次。
    • [D loss: %f, acc: %d%%]:判别器的损失和分类准确率。
    • [G loss: %f]:生成器的损失。
    • %d:整数格式化占位符。
    • %f:浮点数格式化占位符。
    • epoch, opt.n_epochs, i, len(dataloader), d_loss.item(), 100 * d_acc, g_loss.item():实际要打印的值。

二、训练结果

Namespace(b1=0.5, b2=0.999, batch_size=128, channels=1, img_size=32, latent_dim=100, lr=0.0002, n_classes=10, n_cpu=8, n_epochs=100, sample_interval=200)
[Epoch 0/100] [Batch 468/469] [D loss: 1.186150, acc: 76%] [G loss: 1.278507]
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