G9打卡——ACGAN

•  🍨 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

1.导入库及参数

import argparse
import os
import numpy as npimport torchvision.transforms as transforms
from torchvision.utils import save_imagefrom torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torch.autograd import Variableimport torch.nn as nn
import torch# 创建用于存储生成图像的目录
os.makedirs("images", exist_ok=True)# 解析命令行参数
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--n_epochs", type=int, default=10, help="训练的总轮数")
parser.add_argument("--batch_size", type=int, default=64, 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=400, help="图像采样间隔")
opt = parser.parse_args()
print(opt)# 检查是否支持GPU加速
cuda = True if torch.cuda.is_available() else False

2.初始化权重

# 初始化神经网络权重的函数
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)

3.模型

# 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# 判别器网络类
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()# 初始化生成器和判别器
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)

4.数据集

# 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

5.训练

# 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_classeslabels = 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, "images/%d.png" % batches_done, nrow=n_row, normalize=True)# ----------
# 训练
# ----------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()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()))batches_done = epoch * len(dataloader) + iif batches_done % opt.sample_interval == 0:sample_image(n_row=10, batches_done=batches_done)

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ACGAN（Auxiliary Classifier GAN）总结

ACGAN（辅助分类器生成对抗网络）是一种结合了生成对抗网络（GAN）和分类器的深度学习模型，能够在生成图像的同时控制生成图像的类别。以下是对其核心原理、代码实现及关键点的总结：

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1. 核心原理

• 生成器（Generator）

  • 输入：潜在噪声（latent noise）和类别标签（class label）。
  • 功能：将噪声和标签结合，生成特定类别的图像。
  • 结构：通过线性层和卷积层逐步上采样，最终输出图像。类别标签通过嵌入层（nn.Embedding）映射到潜在空间，并与噪声相乘，作为生成器的输入。

• 判别器（Discriminator）

  • 输入：图像（真实或生成）。
  • 功能：
    1. 判断图像是否为真实图像（二分类任务）。
    2. 预测图像的类别（多分类任务）。
  • 结构：通过卷积层逐步降采样，提取特征后分为两个输出分支：
    • 真假判别：输出图像为真实的概率（Sigmoid激活）。
    • 类别预测：输出类别概率分布（Softmax激活）。

• 损失函数

  • 生成器损失：

    

    目标是让生成的图像欺骗判别器（接近真实标签）并正确匹配类别标签。
  • 判别器损失：

    

    目标是正确区分真假图像，并准确预测类别。

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2. 代码实现关键点

• 数据预处理

  • 使用MNIST数据集，图像尺寸调整为32x32，归一化到范围[-1, 1]。
  • 标签进行独热编码（One-Hot Encoding），通过nn.Embedding映射到潜在空间。

• 模型结构

  • 生成器：
    • 输入：噪声（latent_dim=100） + 标签嵌入（opt.n_classes=10）。
    • 上采样流程：通过nn.Upsample逐步放大图像尺寸（从8x8到32x32）。
  • 判别器：
    • 使用卷积层逐步降采样（Conv2d + LeakyReLU + Dropout），最终输出真假概率和类别概率。

• 训练过程

  • 交替训练：生成器和判别器交替更新，避免模式崩溃（Mode Collapse）。
  • 生成器训练：
    • 随机生成噪声和标签，生成假图像。
    • 计算生成器的对抗损失（使判别器误判为真）和分类损失（使判别器预测正确类别）。
  • 判别器训练：
    • 对真实图像和生成图像分别计算损失，优化判别能力。
  • 图像保存：定期生成并保存图像，观察训练效果（sample_image函数）。

• 超参数与优化

  • 使用Adam优化器，学习率0.0002，动量参数(b1=0.5, b2=0.999)。
  • 权重初始化：卷积层和批归一化层使用正态分布初始化（均值0，标准差0.02）。

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3. 与传统GAN的差异

• 条件生成：
  • 传统GAN仅生成无条件数据，而ACGAN通过引入类别标签，实现条件生成（Conditional Generation）。
• 辅助分类器：
  • 判别器额外输出类别概率，迫使生成器生成符合类别特征的图像，提升生成质量。
• 损失函数设计：
  • ACGAN结合对抗损失和分类损失，使模型在生成逼真图像的同时保持类别多样性。

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4. 应用与优势

• 应用场景：
  • 图像生成（如MNIST、CIFAR-10）。
  • 数据增强（生成特定类别的训练样本）。
  • 风格迁移（结合文本描述生成特定风格图像）。
• 优势：
  • 可控生成：通过类别标签控制生成图像的类别。
  • 多样性：辅助分类器避免生成器陷入单一模式。
  • 稳定性：分类任务的引入有助于稳定训练过程。