學(xué)貫中西(7):介紹生成對抗網(wǎng)路(GAN)

1   GAN與NFT的結(jié)合

在上一期里，我們說明了天字第一號模型：分類器。接著本期就來看看它的一項(xiàng)有趣應(yīng)用：GAN(generative adversarial networks，生成對抗網(wǎng)絡(luò))。自從2014 年問世以來，GAN 在電腦生成藝術(shù)(generative art) 領(lǐng)域，就開始涌現(xiàn)了許多極具吸引力的創(chuàng)作和貢獻(xiàn)。GAN 如同生成藝術(shù)的科技畫筆，使用GAN 進(jìn)行創(chuàng)作特別令人振奮，常常創(chuàng)作出很特別的效果，給人們許多驚喜的感覺，例如圖1。

圖1

近年來，非同質(zhì)化代幣NFT(non-fungible token)，可以讓藝術(shù)創(chuàng)作者發(fā)行其創(chuàng)作品，使得電腦生成藝術(shù)和NFT 結(jié)合起來，成為一條鳥語花香的新領(lǐng)域。換句話說，NFT 讓生成藝術(shù)獲得了很好地表達(dá)機(jī)會，它將在NFT 的土壤里成長茁壯、無盡繁榮。

2   從分類器到GAN模型

GAN 是由蒙特利爾大學(xué)的Ian Goodfellow在2014 年提出來的神經(jīng)網(wǎng)路模型。GAN 通常包含兩個(gè)角色，兩者互相較量( 對抗)，但又展現(xiàn)出教學(xué)相長，共同成長的美好機(jī)制和效果。這兩個(gè)角色就是：判別者(discriminator) 與生成者(generator)。其中判別者的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)就是上一期所介紹的分類器。所以分類器在GAN 里扮演很重要的角色就是判別者。這判別者(D) 是老師角色，而生成者(G) 則是學(xué)生角色。

老師引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)作，兩者互相較量( 對抗)，但又展現(xiàn)出教學(xué)相長的效果。例如，在圖像渲染的應(yīng)用上，它們的功能分別如下所述。

●   G( 學(xué)生) 負(fù)責(zé)生成圖片。它接收一個(gè)隨機(jī)噪聲(z)，或者其他條件( 如黑白底圖或邊框)，然后基于這個(gè)噪聲或條件來生成新圖片。

●   D( 老師) 負(fù)責(zé)辨別一張圖片的真或假。它的輸入是一張圖片，進(jìn)行辨別之后，輸出其判斷為真品或假品的概率。如果輸出值愈接近于1，代表其為真品的概率愈大；而當(dāng)輸出值愈接0，代表其為假品的概率愈大。

在GAN 模型的訓(xùn)練過程中，我們會拿真品來輸入給D，也會拿由G 生成的假品來輸入給D。其目的是要訓(xùn)練D，以便提升它判斷圖片真或假的能力。如果D 判斷正確，表示G( 學(xué)生) 生成的新作品( 假品) 被D 識破了，這意味著G 的作品不夠逼真，此時(shí)G 就會依據(jù)D 的反饋而調(diào)整其參數(shù)，因而G 就成長了。反之，如果D判斷錯(cuò)誤，表示D的辨別能力不足，例如被G騙了( 將假品誤判為真品)，于是D 就會調(diào)整其參數(shù)，因而D 也成長了。這樣的訓(xùn)練過程，持續(xù)重復(fù)下去，GAN 里的兩個(gè)角色，互相較量( 對抗)，展現(xiàn)出了教學(xué)相長的美好效果。最后，G 大幅成長了，繪制出來非常逼真的作品( 假品) 了。

圖2

3   解說<教學(xué)相長>的情境

話說有一位學(xué)生(G)，想從老師(D) 學(xué)習(xí)畫漫畫( 例如龍貓故事的插畫)。但是這位老師并不會畫漫畫，那么他( 她) 又如何教學(xué)生畫漫畫呢? 在教學(xué)的過程中，兩者都是從零開始，一起成長。這可以說是一個(gè)教學(xué)相長的過程（如圖3- 圖）。一開始，老師和學(xué)生，兩者都是從零開始。

1.雖然老師不會畫，但它會拿學(xué)生作品來與龍貓漫畫書來做特征對比。

2.如果學(xué)生作品沒有龍貓漫畫的重要特征，就會感覺畫得不像。

3.于是，學(xué)生開始作畫了。

4.老師發(fā)現(xiàn)了學(xué)生作品里沒有龍貓漫畫的重要特征：胡須。

5.老師就要求學(xué)生加以改善。

6.老師又發(fā)現(xiàn)學(xué)生作品里少了龍貓漫畫的另一項(xiàng)特征：娃娃哭時(shí)嘴巴張很大。

7.老師就要求學(xué)生加以改進(jìn)。

8.兩者互相較量，又協(xié)同創(chuàng)新、教學(xué)相長。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

然后，持續(xù)不斷地改進(jìn)下去，就會止于至善。圖12里，左圖是鑒賞者所握有的原圖，而右圖則是創(chuàng)作者所生成的創(chuàng)作品?？梢钥闯鰜砹?，透過生成對抗協(xié)同創(chuàng)新，所生成的作品已經(jīng)幾可亂真了。

圖12

4   范例解說：學(xué)習(xí)畢加索的畫作風(fēng)格

此范例使用百度飛槳(PaddlePaddle) 框架而設(shè)計(jì)來的GAN 模型。它可以自己觀察畢加索(Picasso) 的畫作而自我學(xué)習(xí)。并且渲染很接近原圖的彩色作品了。其目標(biāo)是：訓(xùn)練了一個(gè)GAN 模型，學(xué)習(xí)畢加索的畫風(fēng)。其作法：采取Lab 顏色空間，將*.jpg 圖像，分解為L、a、b 三通道。將單通道 L 輸入給G( 生成者)，由G 自己生成兩通道：new_a 和new_b。然后將[L, new_a,new_b] 匯合成為一張新的*.jpg 圖像。

在您的電腦上，需要安裝飛槳模型框架，以及相關(guān)的套件。然后準(zhǔn)備訓(xùn)練資料：即10 張畢加索的畫作(*.jpg)。

圖13

圖片大小不拘，GAN 會自動調(diào)整為256 x 256 大小。接下來，就以這10 張圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在飛槳環(huán)境里，對這GAN 模型展開訓(xùn)練。訓(xùn)練完畢了，就可以來檢測一下了?，F(xiàn)拿畢加索的一張畫作原圖如圖14。

圖14

這模型會先取出圖像的L 通道，也就是一張黑白底圖。

圖15

于是GAN 就基于張黑白底圖，自動生成new_a 和new_b 兩通道的值，最后匯合出極為接近逼真的新圖像，如圖16。

圖16

于是，這個(gè)GAN 模型學(xué)習(xí)了畢加索的畫作風(fēng)格。您也可以把您自己的任何彩色(JPG) 圖片，取出L 通道，輸入給這訓(xùn)練好的模型。它就會重新彩繪出畢加索的色彩風(fēng)格了。此外，您還可以繼續(xù)拿莫內(nèi)、梵高等的畫作讓它學(xué)習(xí)，就能將您的圖像彩繪出這些名家的混合風(fēng)格了。

4   結(jié)語

本文首先說明GAN 在電腦生成藝術(shù)領(lǐng)域里，將提供更精彩的貢獻(xiàn)，然后說明了GAN 的架構(gòu)。GAN 里的重要角色之一就是判別者(D)，它就是分類器，這在上一期里已經(jīng)詳細(xì)介紹過了，請您復(fù)習(xí)之。至于生成者(G)的架構(gòu)，就請您期待本專欄的下一期繼續(xù)解說GAN 的更多魅力。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）