生成对抗网络GAN：原理与实践

　　本书从原理和实战两个维度对GAN进行了全面讲解。 全书一共12章，分为两个部分： 第一部分（第1-5章） 原理篇 对生成模型，以及GAN的优化、训练、评估、可视化、结构等原理性内容进行了详细讲解。 第二部分（6-12章） 实战篇 这部分对GAN的主要应用场景的实战性内容进行了讲解，包括图像生成、风格迁移、图像增强、图像分割、目标检测、对抗攻击、语音生成等场景下的GAN实战进行了讲解。

　　作者简介言有三（本名：龙鹏）资深人工智能技术专家，有非常深厚的积累；曾就职于奇虎360人工智能研究院和陌陌科技深度学习实验室；现为有三教育科技有限公司创始人；擅长深度学习与计算机视觉，尤其是深度学习模型的设计与优化、生成对抗网络、人脸图像算法、摄影图像算法等；阿里云MVP，华为云MVP，负责阿里云深度学习课程搭建，在数十所高校进行技术分享与课程建设；技术社区“有三AI”的创始人，撰写了超过200万字的原创技术文章；乐于分享，善于总结，独自出版过5本深度学习领域的前沿著作。郭晓洲（笔名：小米粥）博士研究生，毕业于中国科学院半导体研究所，主要研究方向为生成模型、语音信号处理，具有扎实的理论基础和丰富的算法落地经验，发表多篇SCI、EI相关论文。技术社区“有三AI”专栏作者，负责“GAN的优化”、“生成模型”、“语音信号处理”等专栏的硬核技术输出。

CONTENTS目　　录

前言第1章　生成模型1　1.1　无监督学习与生成模型1

1.1.1　监督学习与无监督学习1

1.1.2　判别模型与生成模型3

1.1.3　无监督生成模型4

　1.2　显式与隐式生成模型5

1.2.1　极大似然估计法6

1.2.2　完全可见置信网络8

1.2.3　流模型13

1.2.4　变分自编码器18

1.2.5　玻尔兹曼机24

1.2.6　隐式生成模型27

　参考文献28第2章　目标函数优化29　2.1　GAN29

2.1.1　GAN概述30

2.1.2　GAN模型30

2.1.3　GAN的本质33

　2.2　LSGAN35

　2.3　EBGAN40

　2.4　f GAN42

　2.5　WGAN45

2.5.1　分布度量45

2.5.2　WGAN目标函数48

　2.6　Loss-sensitive GAN51

　2.7　WGAN-GP53

　2.8　IPM54

2.8.1　IPM概念55

2.8.2　基于IPM的GAN55

2.8.3　IPM与f散度57

　2.9　其他目标函数57

2.9.1　RGAN57

2.9.2　BEGAN58

　参考文献59第3章　训练技巧61　3.1　GAN训练的3个问题61

3.1.1　梯度消失61

3.1.2　目标函数不稳定性63

3.1.3　模式崩溃64

　3.2　退火噪声65

　3.3　谱正则化66

3.3.1　特征值与奇异值67

3.3.2　谱范数与1-Lipschitz

限制68

　3.4　一致优化71

3.4.1　欧拉法71

3.4.2　GAN动力学系统73

3.4.3　一致优化算法76

　3.5　GAN训练技巧77

3.5.1　特征匹配77

3.5.2　历史均值78

3.5.3　单侧标签平滑78

3.5.4　虚拟批正则化79

3.5.5　TTUR79

3.5.6　0中心梯度80

3.5.7　其他建议80

　3.6　模式崩溃解决方案80

3.6.1　unrolledGAN82

3.6.2　DRAGAN85

3.6.3　Minibatch判别器与

PGGAN86

3.6.4　MADGAN与

MADGAN-Sim87

3.6.5　VVEGAN89

　参考文献91第4章　评价指标与可视化93　4.1　评价指标93

4.1.1　评价指标的要求93

4.1.2　IS系列94

4.1.3　FID96

4.1.4　MMD97

4.1.5　Wasserstein距离98

4.1.6　最近邻分类器98

4.1.7　GANtrain与GANtest99

4.1.8　NRDS100

4.1.9　图像质量度量101

4.1.10　平均似然值102

　4.2　GAN可视化103

4.2.1　设置模型103

4.2.2　训练模型105

4.2.3　可视化数据107

4.2.4　样例演示109

　参考文献110第5章　图像生成111　5.1　图像生成应用111

5.1.1　训练数据扩充111

5.1.2　数据质量提升112

5.1.3　内容创作112

　5.2　深度卷积GAN113

5.2.1　DCGAN原理114

5.2.2　DCGAN的思考115

　5.3　条件GAN117

5.3.1　有监督条件GAN117

5.3.2　无监督条件GAN118

5.3.3　半监督条件GAN119

5.3.4　复杂形式的条件输入119

　5.4　多尺度GAN121

5.4.1　LAPGAN121

5.4.2　Progressive GAN123

　5.5　属性GAN124

5.5.1　显式属性GAN124

5.5.2　隐式属性GAN125

　5.6　多判别器与生成器GAN133

5.6.1　多判别器GAN133

5.6.2　多生成器GAN134

　5.7　数据增强与仿真GAN135

5.7.1　数据增强GAN135

5.7.2　数据仿真GAN136

　5.8　DCGAN图像生成实践137

5.8.1　项目解读137

5.8.2　实验结果144

　5.9　StyleGAN人脸图像生成实践147

5.9.1　项目简介147

5.9.2　模型解读147

5.9.3　预训练模型的使用157

5.9.4　小结161

　参考文献161第6章　图像翻译163　6.1　图像翻译基础163

6.1.1　什么是图像翻译163

6.1.2　图像翻译任务的类型164

　6.2　有监督图像翻译模型166

6.2.1　Pix2Pix166

6.2.2　Pix2PixHD167

6.2.3　Vid2Vid168

　6.3　无监督图像翻译模型168

6.3.1　基于域迁移与域对齐的

无监督模型168

6.3.2　基于循环一致性约束的

无监督模型172

　6.4　图像翻译模型的关键改进175

6.4.1　多领域转换网络

StarGAN175

6.4.2　丰富图像翻译模型的

生成模式177

6.4.3　给模型添加监督信息179

　6.5　基于Pix2Pix模型的图像上色

实践180

6.5.1　数据处理180

6.5.2　模型代码解读181

6.5.3　模型训练与测试189

6.5.4　小结193

　参考文献194第7章　人脸图像编辑195　7.1　人脸表情编辑195

7.1.1　表情编辑问题195

7.1.2　关键点控制的表情编辑

模型196

　7.2　人脸年龄编辑197

7.2.1　年龄编辑问题197

7.2.2　基于潜在空间的条件对抗

自编码模型197

　7.3　人脸姿态编辑198

7.3.1　姿态编辑问题198

7.3.2　基于3DMM的姿态编辑

模型199

　7.4　人脸风格编辑200

7.4.1　风格编辑问题201

7.4.2　基于注意力机制的风格化

模型201

　7.5　人脸妆造编辑203

7.5.1　妆造编辑问题204

7.5.2　基于GAN的妆造迁移

算法204

　7.6　人脸换脸编辑206

7.6.1　身份编辑问题206

7.6.2　基于编解码器的Deepfakes

换脸算法206

　7.7　通用的人脸属性编辑207

7.7.1　StyleGAN人脸编辑的

关键问题207

7.7.2　潜在编码向量的求解208

　7.8　基于StyleGAN模型的人脸属性

编辑实践209

7.8.1　人脸重建209

7.8.2　人脸属性混合与插值219

7.8.3　人脸属性编辑221

7.8.4　小结228

　参考文献228第8章　图像质量增强230　8.1　图像降噪230

8.1.1　图像降噪问题230

8.1.2　基于GAN的图像去噪

框架231

　8.2　图像去模糊232

8.2.1　图像去模糊问题232

8.2.2　基于GAN的图像去模糊

框架233

　8.3　图像色调映射234

8.3.1　图像色调映射问题235

8.3.2　图像色调映射数据集236

8.3.3　基于GAN的图像色调

映射框架236

　8.4　图像超分辨239

8.4.1　图像超分辨问题240

8.4.2　基于GAN的图像超分辨

框架240

　8.5　图像修复243

8.5.1　图像修复基础243

8.5.2　基于GAN的图像修复

框架244

　8.6　基于SRGAN的人脸超分重建

实践247

8.6.1　项目解读247

8.6.2　模型训练254

8.6.3　模型测试258

8.6.4　小结260

　参考文献260第9章　三维图像与视频生成262　9.1　三维图像与视频生成应用262

9.1.1　三维图像生成应用262

9.1.2　视频生成与预测应用263

　9.2　三维图像生成框架264

9.2.1　一般三维图像生成

框架264

9.2.2　二维图到三维图的预测

框架265

　9.3　视频生成与预测框架266

9.3.1　基本的Video-GAN266

9.3.2　多阶段的MD-GAN267

9.3.3　内容动作分离的

MoCoGAN268

　参考文献270第10章　通用图像编辑271　10.1　图像深度编辑271

10.1.1　深度与景深271

10.1.2　图像景深编辑框架274

　10.2　图像融合276

10.2.1　图像融合问题276

10.2.2　基于GAN的图像融合

框架277

　10.3　交互式图像编辑278

10.3.1　交互式图像编辑

框架278

10.3.2　基于GAN的交互式

图像编辑框架279

　10.4　展望280

　参考文献280第11章　对抗攻击282　11.1　对抗攻击及防御算法282

11.1.1　对抗攻击概述282

11.1.2　常用攻击算法284

11.1.3　常用防御算法287

　11.2　基于GAN的对抗样本生成289

11.2.1　Perceptual-Sensitive

GAN289

11.2.2　Natural GAN292

11.2.3　AdvGAN294

　11.3　基于GAN的对抗攻击防御296

11.3.1　APEGAN296

11.3.2　DefenseGAN297

　11.4　对抗攻击工具包AdvBox297

11.4.1　对分类器的攻击297

11.4.2　高斯噪声对抗防御301

11.4.3　其他示例程序301

　参考文献305第12章　语音信号处理306　12.1　基于GAN的语音增强306

12.1.1　项目简介306

12.1.2　SEGAN模型307

12.1.3　SEGAN训练和

测试313

　12.2　基于GAN的语音转换315

12.2.1　项目简介315

12.2.2　WORLD语音合成

工具316

12.2.3　CycleGAN-VC2

模型317

12.2.4　CycleGAN-VC2

训练322

12.2.5　CycleGAN-VC2

测试325

　12.3　基于GAN的语音生成325

12.3.1　项目简介326

12.3.2　WaveGAN模型326

12.3.3　WaveGAN训练和

测试332

　参考文献333