问题

生成对抗网络的毕设怎么上手?

回答
好的,咱们来聊聊生成对抗网络(GAN)的毕业设计怎么上手,力求详细接地气,让你感觉像是跟老司机在交流经验,而不是在看一份冰冷的AI报告。

第一步:找准方向,别盲目跟风

首先,你要明白,GAN不是万能的,也不是所有问题都能用GAN来解决。你的毕设最重要的一点是实用性和可行性。别想着一下子搞个最顶级的StyleGAN2出来,那样很可能最后卡在训练上,啥都做不出来。

1. 从兴趣出发,结合课程基础:
你上过哪些相关的课程?深度学习、计算机视觉、图像处理、自然语言处理?你对哪个领域更感兴趣?
想想你觉得哪个方向的GAN应用比较酷,比较有意思。是生成逼真的图像?是风格迁移?是文本生成?还是数据增强?
举个例子: 如果你对游戏美术感兴趣,可以研究如何用GAN生成游戏角色模型或纹理。如果你对音乐感兴趣,可以尝试用GAN生成音乐片段。

2. 调研前沿,但要脚踏实地:
去看看近几年的顶会(CVPR, ICCV, ECCV, NeurIPS, ICML 等)有哪些关于GAN的研究。关键词可以是“GAN applications”, “image generation”, “style transfer”, “data augmentation with GANs”等等。
重点来了: 不要只看那些最复杂的模型。很多时候,经典GAN的变种或者稍作修改的GAN模型,用在特定场景下,也能做出很棒的效果。比如DCGAN, WGAN, CycleGAN, Pix2PixHD 等等,它们都是很好的起点。
思考可行性: 你的毕设时间有限,你的计算资源(GPU)是否够用?很多最新的GAN模型训练起来非常耗时耗资源,如果你没有充足的条件,就得慎重选择。

3. 确定一个相对具体的研究问题/目标:
不要太宽泛: 比如“用GAN生成图片”太大了。
要具体:
“利用CycleGAN实现动漫风格向写实风格的图像转换。”
“基于Pix2PixHD,为医疗影像数据生成高质量的合成数据,用于模型训练。”
“探索条件GAN(cGAN)在特定物体(如人脸、汽车)的姿态控制生成中的应用。”
“使用WGANGP改善生成图像的稳定性和真实性,并将其应用于纹理合成。”

第二步:基础夯实,知其所以然

有了大致方向,就要开始深入了解GAN的“内功心法”了。

1. 理解GAN的基本原理:
判别器(Discriminator) 怎么做分类?它本质上是一个二分类器。
生成器(Generator) 怎么从噪声生成数据?它是一个映射函数。
博弈过程: 生成器和判别器之间的“猫鼠游戏”是怎么进行的?最大最小化博弈的数学原理是什么?(即使你不是数学专业,也要大概了解一下损失函数是怎么设计的)
核心思想: 生成器试图生成逼真数据欺骗判别器,判别器试图区分真实数据和生成数据。

2. 学习经典的GAN模型及其变种:
原始GAN (Goodfellow et al., 2014): 最基础的模型,了解它的优缺点。
DCGAN (Radford et al., 2015): 如何用卷积网络实现GAN?它的一些技巧(如反卷积、Batch Normalization)为什么有效?
WGAN (Arjovsky et al., 2017): 解决原始GAN训练不稳定的问题,理解Wasserstein距离和Lipschitz约束。
WGANGP (Gulrajani et al., 2017): WGAN的改进版,梯度惩罚的作用是什么?
CycleGAN (Zhu et al., 2017): 无配对图像翻译的经典,理解CycleConsistency Loss。
Pix2Pix/Pix2PixHD (Isola et al., 2017 / Wang et al., 2018): 配对图像翻译,条件GAN的应用。

3. 了解常见的评估指标:
GAN的效果好不好,不能光靠“眼看”。
Inception Score (IS): 衡量生成图像的多样性和清晰度,但也有局限性。
Fréchet Inception Distance (FID): 目前比较常用的指标,计算生成数据和真实数据在某个特征空间(通常是InceptionNet的特征)的距离。FID越低越好。
Perceptual Path Length (PPL): 用于衡量生成器潜在空间的可插值性,对于StyleGAN这类模型比较重要。
人工评估: 有时最直观的还是找人来评价生成数据的质量。

第三步:动手实践,从简单开始

理论学得差不多了,该撸起袖子干了!

1. 选择合适的框架和库:
PyTorch 或 TensorFlow: 这是深度学习的“双雄”,根据你的熟悉程度选择一个。PyTorch因为其灵活性和易用性,在研究领域很受欢迎。
NumPy, SciPy, Matplotlib: 必备的科学计算和可视化工具。
OpenCV, Pillow: 用于图像预处理和后处理。

2. 找一个经典的实现作为起点:
别从零开始写代码!现在网上有很多优秀的GitHub项目,实现了各种GAN模型。
推荐资源:
官方教程/示例: PyTorch官方文档里有DCGAN的教程。
GitHub搜索: 搜索“PyTorch DCGAN”, “TensorFlow WGAN”, “CycleGAN PyTorch”等,你会找到很多高质量的代码库。
Awesome GANs List: 在GitHub上搜索这个关键词,会有很多GAN相关的资源汇总。

3. 复现一个简单的GAN模型(DCGAN 是个不错的选择):
找一个公开数据集(如MNIST, CIFAR10, CelebA 等)。
跟着教程,把代码跑起来。
修改参数,观察现象: 学习率、batch_size、网络结构(层数、卷积核大小)、噪声维度等等,看看它们对训练过程和生成结果有什么影响。
理解训练过程: 观察判别器和生成器的损失曲线,它们是怎么波动的?什么时候会 collapse(模式崩溃)?什么时候会收敛?

4. 开始你的毕业设计项目:
数据集准备:
如果你要做图像生成,需要准备一个你研究方向相关的图像数据集。如果是公开数据集,要注意格式和大小。
如果是自己收集数据,要考虑数据量、质量和标注。
数据预处理: 图片缩放、裁剪、归一化、数据增强等。
模型选择与修改:
选择一个适合你问题的经典GAN模型作为基础。
根据你的具体任务,可能需要对模型进行改进或修改:
调整网络结构: 比如增加/减少层数,改变卷积核大小,使用残差块。
改变损失函数: 加入正则项,或者尝试不同的判别器损失。
引入条件控制: 如果你想控制生成的内容,比如生成特定类别的图像,需要用到条件GAN(cGAN)。
融合其他技术: 例如,可能需要结合注意力机制,或者使用一些更高级的采样方法。
训练和调参:
这是最耗时但也最关键的部分。
耐心! GAN的训练非常容易不稳定,需要反复调试。
记录实验: 每次修改参数、网络结构都要详细记录,方便回溯。
善用可视化工具: 实时查看生成图像的变化,观察损失曲线。
调试技巧:
先用小数据集或小批量数据跑通,确保代码逻辑没问题。
遇到训练不稳定的情况,可以尝试:
降低学习率。
使用WGANGP或SNGAN等更稳定的模型。
仔细检查数据预处理是否正确。
batch_size 对稳定性也有影响。
尝试不同的优化器(Adam, RMSprop)。
如果生成图像出现模式崩溃(所有生成图像都差不多),可能是生成器太弱,或者判别器太强,或者损失函数设置不当。

第四步:实验验证与论文撰写

项目做出来了,接下来就是展示成果的时候了。

1. 设计实验:
消融实验: 如果你对模型进行了修改,要通过消融实验来证明你提出的修改是有效的。比如,分别去掉某个模块或正则项,看效果如何。
对比实验: 将你的模型与基线模型(比如原始的DCGAN)在相同数据集上进行比较,展示你的优势。
主观评价: 展示一些高质量的生成样本,用肉眼观察它们是否逼真、多样。
客观评价: 使用上面提到的FID、IS等指标对生成结果进行量化评估。

2. 撰写毕业论文:
结构清晰: 按照标准的学术论文结构来写:引言、相关工作、模型设计、实验设置、实验结果、讨论、结论与未来工作。
引言: 介绍研究背景、研究问题、你的工作贡献和主要成果。
相关工作: 回顾你所参考的经典GAN模型和相关研究,说明你的工作与前人的区别和联系。
模型设计: 清晰地描述你的GAN模型架构、损失函数以及任何创新性的修改。配上模型图会很有帮助。
实验设置: 详细说明你使用的数据集、预处理方法、训练参数、硬件环境等。
实验结果: 展示你的实验结果,包括生成样本的图片、量化指标的表格、损失曲线图等。要解释清楚这些结果的含义。
讨论: 分析你的模型为什么有效,优点是什么,也诚实地指出你的模型的局限性,以及可能存在的不足。
结论与未来工作: 总结你的工作,并提出未来可以改进的方向。
图表规范: 生成的图片要清晰,评估结果的表格要规范,引用要准确。

一些额外的建议,让你少走弯路:

尽早开始: GAN的项目周期可能比你想象的要长,尤其是训练和调参部分。
多跟导师沟通: 定期向导师汇报你的进展和遇到的问题,听取他们的建议。
善用社区资源: 如果遇到问题,去GitHub Issues、Stack Overflow、Reddit等地方搜索答案,或者提问。
保持好奇心和耐心: GAN是深度学习领域一个非常有挑战但又充满乐趣的方向,享受这个过程!
不要害怕失败: 毕设就是一个学习和探索的过程,即使最终的结果不如预期,你在这个过程中学到的东西才是最重要的。

希望这些详细的步骤和建议能帮助你更有信心地开始你的GAN毕业设计!祝你项目顺利!

网友意见

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不知道题主是本科生还是硕士研究生。我都说一下吧。

先说做什么,什么能做,最后再说怎么做。

如果你是本科生

如果是本科生,通常毕设只关注应用,对论文的contribution没有什么实质性要求,所以比较好的思路就是利用现在相对易学、易用的开源网络,来构造一个应用场景,然后把模型跑起来并用在这个场景中OK了。

从易到难,GAN常见的应用场景有以下几种:

1、把GAN直接当分类器来用。

先考虑一种简单情况,例如你有一个只包含卡通人物的数据集,你在该数据集上可以做一个最简单的原生GAN,该GAN在训练好后可以让生成器从一个含有随机高斯噪声的图像去生成一张卡通人物。这的确没有什么用....... But,与此同时,你得到了一个判别器D。D可以用来判断一张图像是否是被生成出来的。如果你熟悉了GAN,你会明白以下事实:D工作的原理是判断一张图像是否与你的卡通人物数据集的分布相近。所以D可以用来判断出那些不是卡通人物的图像。换句话说,你可以说你在做异常检测

再考虑稍微复杂点的例子,你含有一个包含许多动物的数据集,并且有标签。也就是说,每张图像是什么动物是事先知道的。这个时候你可以使用Conditional GAN来让生成器从一张含有随机高斯噪声的图像和一个指定标签(例如“猫”)来生成一种动物的图像。同上面第一个例子相似,在模型训练完成后,你除了会得到一个生成器G,还会有一个判别器D。此时的判别器在某些设计下(题主有兴趣再追更吧)能够作为动物的分类器来使用。那么这样做和传统直接练一个分类网络的区别在哪? 答案是你多了一个生成器。 通过生成器生成的图像(尤其是图像质量并不那么逼真的情况下),你可以分析模型学到了什么。 换言之,你可以说你在做模型可解性的部分工作。这样就把你和传统分类网络区别开了。但这么做不一定能说服真正懂GAN的boss,有一些细节需要理解清楚才能忽悠的过去。

2、风格迁移

风格迁移和很多GAN任务一样,都属于image-to-image translation这个大的topic下面。但是因为种种原因(例如,很难找到一个统一的模型在所有image-to-image translation任务上都表现得好),不同任务大概率还是会用不同的模型。

风格迁移可以算是最简单的场景了。你可以把风格迁移嵌入到一个小的图像编辑app里,例如可以让一张冬天的照片变成夏天,或者梵高的画变成莫奈的画,诸如此类。

在仅仅只考虑毕业的问题上,我个人强烈建议题主尝试这个题目。它既简单,同时给老师的视觉效果又非常不错,容易弥补contribution不足的问题。

3、表情迁移

一样属于image-to-image translation。但是因为任务有一些特殊性,所以现在已经衍生出了非常多的算法。简单来做,可以和风格迁移采用几乎完全一样的方法。但是要做的稍微那么不错,就需要付出巨大努力。并且因为表情迁移任务本身过于简单直白,老师可能会提出一堆让你难以回答的问题。例如,你把一张在哭的图像变成了在笑的图像,老师可能会问怎么笑的更灿烂一点???为什么人物的头发有些许小变化???

如果你能下决心去读50篇paper的话,这些基本都不会难住你。But。。。。你都在知乎提问了,不是吗?

好吧,场景大概就这么几个。

如果你是硕士生

通常硕士论文需要一定的contribution在里面。如果你们不要求,那么请参照上述本科生。如果要求了,恭喜你,你掉入了一个比你其他同学都大很多的坑。

闲话少说,我来救你于水生火热。

要有contribution,你必须要知道现状。目前为止,关于GAN的研究最重要的一点就是如何让GAN的训练更加稳定。目前有许多非常著名的方法都是针对这个问题提出来的,比如WGAN、Spectral Norm,Projection discriminator等等。以事后诸葛亮的角度来看,这些方法其实都不够精美。但请注意,此刻的我是“事后诸葛亮”。。。

我把上面这个点稍微展开一点,希望题主能认真看,看明白,然后我会说该怎么做。

我们的问题是:GAN怎么训练才能更加稳定。目前为数不多的理论是关于网络的Lipschitz 连续性。研究者们相信(不是特别严谨,但不影响理解),如果网络满足Lipschitz 连续性,那么GAN的训练会比较稳定。

简单来说,如果一个函数的变化是有界的,那么我们说它是Lipschitz 连续的。而对于一个函数,它的变化率通常可以用梯度来表示。所以我们自然地想到在训练GAN的过程中,让梯度有界不就行了吗?

所以就出现了对GAN中的梯度进行截断、对梯度归一化、对梯度做惩罚项等等操作。But,所有这些操作都是“强行”让网络看起来是Lipschitz 连续的。所以它们各自的有效性并不能轻易看出。

所以你可以尝试做以下工作。

1、找一个你能跑地动的数据集,详细、充分地尝试并对比上述方法,找到它们各自特点和有效性。你可以改变的实验设置包括数据集大小,图像尺寸等等(这点真不是凑工作量,实际中很有意义)。

2、考虑这些方法可应用在不同任务上,题主可以尝试最简单的原生GAN和Conditional GAN;

3、使用Inception score和FID作为你的评价指标,来分析你的结论。

上述工作量看起来很weak吗?Google的BigGAN也只比上述三点多做了一两点。所以你不要怕被diss。

最后,说怎么做。

不管你最后尝试哪一种做法,我都强烈建议题主按照如下顺序开展工作:

1、仔细阅读CycleGAN这篇文章,链接如下:

2、Github上拉下CycleGAN的源码,读会每一行(代码量不大),地址:

github.com/junyanz/Cycl

3、阅读BigGAN这篇文章,这篇文章是实践性文章代表,里面列举许多有效的训练GAN的策略和套路,非常值得读,文章链接如下:

4、做完123,你会发现GAN真的不难。现在就train你自己的模型,写你自己的场景。

5、遇到不会的怎么办?继续读论文,读完论文读源码。当你把CycleGAN彻底读懂后,你会发现大多数论文和源码原来都差不多。

6、还有问题怎么办?Call me pls.

有疑问,再追更。

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