【GANs入门】pytorch-GANs任务迁移-单个目标(数字的生成)

ゝ一纸荒年。 2022-04-18 03:52 256阅读 0赞

## 简述 ##

之前认真学习了网上的一份，代码做了很详细的笔记。  
[【Gans入门】Pytorch实现Gans代码详解【70+代码】][Gans_Pytorch_Gans_70]

但是上面的任务只是画一条在一定区间下的曲线。  
这里对这个进行迁移，到可以进行图像的生成。

图像的很多数据都没有，但是突然想到在sklearn上的digits是一个非常简单的图片。  
这里我想到之前的一份笔记  
[sklearn学习（一）][sklearn]

这里会使用sklearn自带的小数据来做训练  
目标是让神经网络自己学会生成数字。

## 任务描述 ##

为了让神经网络操作更简单。这里的输入数据只会选择特定数值的数字图片数据。然后丢给对抗生成神经网络学习。让其中的生成器学会如何生成手写数字。

下面是选择用数值**1**的生成过程

其实可以发现其实是有点这样的感觉了。

![在这里插入图片描述][201811080925333.gif]

下面的这个是让它学习**数字0**的效果

可能是由于数字0的细节更粗糙一点，所以，可以发现，我们认为这个0生成的更好。（**数字1和数字4其实是有点像的，所以会有点问题，还有这是因为图片像素有点低**）

![在这里插入图片描述][20181108092829320.gif]

## 代码详解 ##

### 导入包 ###

*  `torch，numpy`这些都是数据处理过程中需要的包
 *  `matplotlib`为了画图
 *  `sklearn`主要是为了它本身带的数据
 *  `random`主要是为了选择标准数据更具有随机性
 *  `os，shutil，imagei`o这三个库是为了画出gif动态图

import torch
    import torch.nn as nn
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    from sklearn import datasets
    import random
    import os
    import shutil
    import imageio

### 创建临时文件夹 ###

PNGFILE = './png/'
    if not os.path.exists(PNGFILE):
        os.mkdir(PNGFILE)
    else:
        shutil.rmtree(PNGFILE)
        os.mkdir(PNGFILE)

这里会创建一个临时的文件夹png，会把中途生成的那些图片都存在这，然后我就可以用这些png来生成gif文件

### 模型参数 ###

*  `BATCH_SIZE`这个参数表示每次用多少的数据来进行考量。（数值多的话模型进化的会稍微快点）
 *  `LR_G`跟`LR_D`表示两个模型的学习率
 *  `N_IDEAS`：启发式因子（生成函数的初始层的节点数）。因为我们要操作的节点数量会特别大（特别是图像问题，但是如果输入节点过于大的话，会需要大量的计算资源。所以用小一点的这个基本够用就行了）
 *  `target_num` ：表示的是想要生成的数字。由于数据集中只有（0到9）所以，这里也只能取0到9。
 *  `image_max`表示图片像素点的最大值，这个一开始我用到了，但是后来我修改了代码之后，就用不到了。
 *  `ART_COMPONENTS`：像素点数量（其实本质上跟前一个版本的参考节点数都是一样的）

# Hyper Parameters
    BATCH_SIZE = 64
    LR_G = 0.00001  # learning rate for generator
    LR_D = 0.00001  # learning rate for discriminator
    N_IDEAS = 6  # think of this as number of ideas for generating an art work (Generator)
    target_num = 0 # target Number
    
    digits = datasets.load_digits()
    target = digits.target
    data = digits.data[target == target_num]
    image_max = max(data.reshape((-1,)))
    ART_COMPONENTS = data.shape[-1]  # it could be total point G can draw in the canvas

### 标准数据 ###

这个函数本质上，这个区间上选BATCH\_SIZE个标准数据。  
但是，random.sample只能输入的是list所以需要先把data转成list，但是转出来的list又不能直接变成torch中的Tensor，这里需要再转成ndarray，之后再转成Tensor，但是要注意在后面加一个`.float()`函数的操作。

def artist_works():  # painting from the famous artist (real target)
        return torch.from_numpy(np.array(random.sample(list(data), BATCH_SIZE))).float()

### 构建模型 ###

生成器模型，但是Linear转成的数据是有可能有负数的数据的，但是作为图片肯定是不可以有这样的数据的。因为数据一定是需要为大于等于0的数据。

所以搭建的这个模型最后一定要加一个ReLU()这样的类似的，来保证没有0的情况。

G = nn.Sequential(  # Generator
        nn.Linear(N_IDEAS, 128),  # random ideas (could from normal distribution)
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(128, ART_COMPONENTS),  # making a painting from these random ideas
        nn.ReLU(),
    )
    
    D = nn.Sequential(  # Discriminator
        nn.Linear(ART_COMPONENTS, 128),  # receive art work either from the famous artist or a newbie like G
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(128, 1),
        nn.Sigmoid(),  # tell the probability that the art work is made by artist
    )

### 构建最优化的模型 ###

opt_D = torch.optim.Adam(D.parameters(), lr=LR_D)
    opt_G = torch.optim.Adam(G.parameters(), lr=LR_G)

### 迭代优化 ###

这跟之前的是类似的。

for step in range(10000):
        artist_paintings = artist_works()  # real painting from artist
        G_ideas = torch.randn(BATCH_SIZE, N_IDEAS)  # random ideas
    
        G_paintings = G(G_ideas)  # fake painting from G (random ideas)
    
        prob_artist0 = D(artist_paintings)  # D try to increase this prob
        prob_artist1 = D(G_paintings)  # D try to reduce this prob
    
        D_loss = - torch.mean(torch.log(prob_artist0) + torch.log(1. - prob_artist1))
        G_loss = torch.mean(torch.log(1. - prob_artist1))
    
        opt_D.zero_grad()
        D_loss.backward(retain_graph=True)  # reusing computational graph
        opt_D.step()
    
        opt_G.zero_grad()
        G_loss.backward(retain_graph=True)
        opt_G.step()

### 画图并保存 ###

if step % 100 == 0:  # plotting
            plt.cla()
            tempdata = G_paintings[0].detach().numpy()
    
            tempdata = tempdata.reshape((8, 8))
            plt.imshow(tempdata, cmap=plt.cm.gray_r)
            # plt.draw()
            plt.savefig(PNGFILE + '%d.png' % times)
            filedatalist.append(PNGFILE + '%d.png' % times)
            times += 1
            plt.pause(0.01)

### 生成gif ###

generated_images = []
    for png_path in filedatalist:
        generated_images.append(imageio.imread(png_path))
    shutil.rmtree(PNGFILE)
    imageio.mimsave('gan.gif', generated_images, 'GIF', duration=0.1)

## 全部代码 ##

import torch
    import torch.nn as nn
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    from sklearn import datasets
    import random
    import os
    import shutil
    import imageio
    
    PNGFILE = './png/'
    if not os.path.exists(PNGFILE):
        os.mkdir(PNGFILE)
    else:
        shutil.rmtree(PNGFILE)
        os.mkdir(PNGFILE)
    
    # Hyper Parameters
    BATCH_SIZE = 64
    LR_G = 0.00001  # learning rate for generator
    LR_D = 0.00001  # learning rate for discriminator
    N_IDEAS = 6  # think of this as number of ideas for generating an art work (Generator)
    target_num = 0 # target Number
    
    digits = datasets.load_digits()
    target = digits.target
    data = digits.data[target == target_num]
    image_max = max(data.reshape((-1,)))
    ART_COMPONENTS = data.shape[-1]  # it could be total point G can draw in the canvas
    
    
    def artist_works():  # painting from the famous artist (real target)
        return torch.from_numpy(np.array(random.sample(list(data), BATCH_SIZE))).float()
    
    
    G = nn.Sequential(  # Generator
        nn.Linear(N_IDEAS, 128),  # random ideas (could from normal distribution)
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(128, ART_COMPONENTS),  # making a painting from these random ideas
        nn.ReLU(),
    )
    
    D = nn.Sequential(  # Discriminator
        nn.Linear(ART_COMPONENTS, 128),  # receive art work either from the famous artist or a newbie like G
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(128, 1),
        nn.Sigmoid(),  # tell the probability that the art work is made by artist
    )
    
    opt_D = torch.optim.Adam(D.parameters(), lr=LR_D)
    opt_G = torch.optim.Adam(G.parameters(), lr=LR_G)
    times = 0
    
    filedatalist = []
    
    for step in range(10000):
        artist_paintings = artist_works()  # real painting from artist
        G_ideas = torch.randn(BATCH_SIZE, N_IDEAS)  # random ideas
    
        G_paintings = G(G_ideas)  # fake painting from G (random ideas)
    
        prob_artist0 = D(artist_paintings)  # D try to increase this prob
        prob_artist1 = D(G_paintings)  # D try to reduce this prob
    
        D_loss = - torch.mean(torch.log(prob_artist0) + torch.log(1. - prob_artist1))
        G_loss = torch.mean(torch.log(1. - prob_artist1))
    
        opt_D.zero_grad()
        D_loss.backward(retain_graph=True)  # reusing computational graph
        opt_D.step()
    
        opt_G.zero_grad()
        G_loss.backward(retain_graph=True)
        opt_G.step()
    
        if step % 100 == 0:  # plotting
            plt.cla()
            tempdata = G_paintings[0].detach().numpy()
    
            tempdata = tempdata.reshape((8, 8))
            plt.imshow(tempdata, cmap=plt.cm.gray_r)
            # plt.draw()
            plt.savefig(PNGFILE + '%d.png' % times)
            filedatalist.append(PNGFILE + '%d.png' % times)
            times += 1
            plt.pause(0.01)
    
    generated_images = []
    for png_path in filedatalist:
        generated_images.append(imageio.imread(png_path))
    shutil.rmtree(PNGFILE)
    imageio.mimsave('gan.gif', generated_images, 'GIF', duration=0.1)

[Gans_Pytorch_Gans_70]: https://blog.csdn.net/a19990412/article/details/83744225
[sklearn]: https://blog.csdn.net/a19990412/article/details/82225743
[201811080925333.gif]: /images/20220418/e439dbe0033744809af2c4b18d589893.png
[20181108092829320.gif]: /images/20220418/bf23e780377f4b1882877fae24d03105.png