生成式對抗網絡代碼實現


生成器和判別器的結構都非常簡單,具體如下:
生成器: 32 ==> 128 ==> 2
判別器: 2 ==> 128 ==> 1
生成器生成的是樣本,即一組坐標(x,y),我們希望生成器能夠由一組任意的 32組噪聲生成座標(x,y)處於兩個半月形狀上。
判別器輸入的是一組座標(x,y),最后一層是sigmoid函數,是一個范圍在(0,1)間的數,即樣本為真或者假的置信度。如果輸入的是真樣本,得到的結果盡量接近1;如果輸入的是假樣本,得到的結果盡量接近0。

batch_size = 50
nb_epochs = 1000

loss_D_epoch = []
loss_G_epoch = []

for e in range(nb_epochs):
    np.random.shuffle(X)
    real_samples = torch.from_numpy(X).type(torch.FloatTensor)
    loss_G = 0
    loss_D = 0
    for t, real_batch in enumerate(real_samples.split(batch_size)):
        # 固定生成器G,改進判別器D
        # 使用normal_()函數生成一組隨機噪聲,輸入G得到一組樣本
        z = torch.empty(batch_size,z_dim).normal_().to(device)
        fake_batch = net_G(z)
        # 將真、假樣本分別輸入判別器,得到結果
        D_scores_on_real = net_D(real_batch.to(device))
        D_scores_on_fake = net_D(fake_batch)
        # 優化過程中,假樣本的score會越來越小,真樣本的score會越來越大,下面 loss 的定義剛好符合這一規律,
        # 要保證loss越來越小,真樣本的score前面要加負號
        # 要保證loss越來越小,假樣本的score前面是正號(負負得正)
        loss = -torch.mean(torch.log(1-D_scores_on_fake) + torch.log(D_scores_on_real))
        # 梯度清零
        optimizer_D.zero_grad()
        # 反向傳播優化
        loss.backward()
        # 更新全部參數
        optimizer_D.step()
        loss_D += loss
                    
        # 固定判別器,改進生成器
        # 生成一組隨機噪聲,輸入生成器得到一組假樣本
        z = torch.empty(batch_size,z_dim).normal_().to(device)
        fake_batch = net_G(z)
        # 假樣本輸入判別器得到 score
        D_scores_on_fake = net_D(fake_batch)
        # 我們希望假樣本能夠騙過生成器,得到較高的分數,下面的 loss 定義也符合這一規律
        # 要保證 loss 越來越小,假樣本的前面要加負號
        loss = -torch.mean(torch.log(D_scores_on_fake))
        optimizer_G.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer_G.step()
        loss_G += loss
    
    if e % 50 ==0:
        print(f'\n Epoch {e} , D loss: {loss_D}, G loss: {loss_G}') 

    loss_D_epoch.append(loss_D)
    loss_G_epoch.append(loss_G)


loss的變化情況:

利用生成器生成一組假樣本,觀察是否符合兩個半月形狀的數據分布:

其中,白色的是原來的真實樣本,黑色的點是生成器生成的樣本。
看起來,效果是不令人滿意的。現在把學習率修改為 0.001,batch_size改大到250,再試一次:

# 定義網絡的優化器
optimizer_G = torch.optim.Adam(net_G.parameters(),lr=0.001)
optimizer_D = torch.optim.Adam(net_D.parameters(),lr=0.001)

batch_size = 250


loss 明顯減小了,我們再次利用噪聲生成一組數據觀察一下:

隨着batch size 的增大, loss 的降低,效果明顯改善了.
生成更多的樣本觀察一下:


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