解读生成对抗网络(GAN)的工作原理

柠檬味的夏天 2020-11-01 ⋅ 13 阅读

生成对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN)是一种强大的深度学习架构,用于生成以假乱真、类似真实数据的模型。GAN由两个互相竞争的网络组成:生成器(Generator)和判别器(Discriminator)。生成器试图生成接近真实数据的样本,而判别器则试图区分生成器生成的样本和真实样本。

工作原理

GAN中的生成器和判别器是通过博奕论(Game Theory)的理论基础来进行训练的。具体的工作原理如下:

  1. 初始化生成器G和判别器D的参数。生成器G将随机噪声z作为输入,并生成一个尝试以假乱真的样本x。判别器D将x作为输入,并输出一个概率值,表示该样本是真实样本的概率。

  2. 对于每个训练步骤,选择一个随机的真实样本,并从噪声分布中抽样生成一个随机噪声z。

  3. 使用生成器G生成样本x,并将其输入判别器D中。判别器D根据输入样本的概率分布输出D(x)。

  4. 最小化D对真实样本的预测误差,最大化对生成的样本的预测误差。通过最小化和最大化这两个目标函数,实现生成器和判别器之间的对抗性训练。

  5. 重复步骤3和4,直到生成器能够生成逼真的伪造样本,使得判别器无法准确区分真实样本和伪造样本。

损失函数

GAN使用两个不同的损失函数来训练生成器和判别器:

  1. 生成器损失函数:生成器的目标是欺骗判别器,使其无法准确辨别真实和生成样本。生成器的损失函数定义如下:

    generator_loss

    生成器的目标是最大化判别器将生成样本分类为真实样本的概率,即最小化生成样本被判别器认为是伪造样本的概率。

  2. 判别器损失函数:判别器的目标是准确区分真实和生成样本。判别器的损失函数定义如下:

    discriminator_loss

    判别器的目标是最小化对真实样本被判断为伪造样本的概率和对生成样本被判断为真实样本的概率。

GAN的训练是通过交替优化生成器和判别器的损失函数来进行的,直到生成器和判别器达到平衡。

应用领域

GAN已被广泛应用于多个领域,包括计算机图形学、图像生成、视频生成、文本生成等。它可以生成逼真的图像、视频和文本数据,并被用于生成虚拟现实环境、游戏场景、人脸合成等。

总结:

生成对抗网络(GAN)通过生成器和判别器的对抗性训练来生成逼真的模拟数据。GAN的工作原理包括生成器生成样本和判别器对实际和生成样本进行判断。通过最小化和最大化生成器和判别器的损失函数,GAN能够生成接近真实的样本。GAN已在多个领域获得了广泛应用,为计算机图形学和模拟数据生成提供了一种强大的方法。


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