问题

Google 的神经网络生成图像 (Inceptionism) 是怎么做到的?

回答
Google 的神经网络生成图像,也被称为 Inceptionism(源自 Google Inception 神经网络),是一种通过利用深度学习模型(特别是卷积神经网络 CNNs)来创造令人着迷、甚至可以说是幻觉般的图像的技术。它的核心思想是让神经网络“看见”和“放大”它在训练过程中学习到的模式,从而生成新的图像。

下面我将详细地解释 Inceptionism 的工作原理:

核心思想:让神经网络“看见”和“放大”它学到的模式

深度学习模型,尤其是用于图像识别的卷积神经网络(CNNs),在训练过程中会学习识别图像中的各种特征。这些特征从低级(如边缘、角落)到高级(如眼睛、轮子、狗的脸),层层递进。

Inceptionism 的核心在于 反转这个过程。与其让神经网络识别输入图像中的内容,不如 直接让神经网络生成图像,并引导它去“看见”并“放大”它在特定层级学到的模式。

技术实现:使用梯度上升进行反向传播

Inceptionism 的实现主要依赖于一个关键的技术:梯度上升 (Gradient Ascent)。这与我们通常在训练神经网络时使用的梯度下降 (Gradient Descent) 相反。

1. 正向传播 (Forward Pass):
首先,我们需要一个已经训练好的、强大的图像识别神经网络。Google 的 Inception 系列网络(如 Inceptionv3)是常用的选择,因为它们层级丰富,能够识别各种复杂的模式。
我们选择神经网络中的一个 特定层。这一层可能学到了非常具体或抽象的特征。
我们给这个网络一个 初始输入。这可以是一张随机噪声图像,或者一张真实图像(以便在这个基础上进行修改)。
当图像通过网络进行正向传播时,会激活该特定层中的神经元。

2. 损失函数 (Loss Function):
为了让神经网络生成特定的内容,我们需要定义一个“损失函数”。这个损失函数衡量了神经网络在特定层级上的“激活程度”。
在 Inceptionism 中,我们通常希望 最大化 某个层级的神经元激活值。因此,损失函数可以简单地定义为该层级输出的 总和 或某个特定神经元的 激活值。

3. 梯度上升 (Gradient Ascent):
在训练神经网络时,我们计算损失函数相对于网络参数(权重)的梯度,然后使用梯度下降来更新参数,以 最小化 损失。
在 Inceptionism 中,我们不是更新网络参数,而是将神经网络视为一个固定的“特征提取器”。我们想做的是 修改输入图像,以便 最大化 特定层级的激活。
因此,我们计算损失函数(即层级激活的度量)相对于 输入图像像素值 的梯度。
然后,我们使用梯度上升:将计算出的梯度乘以一个小的学习率,并将其 加到 输入图像的像素值上。
`新图像 = 旧图像 + 学习率 梯度`

4. 迭代优化:
这个过程被 反复迭代。每次迭代,我们都会根据梯度对输入图像进行微小的调整。
随着迭代的进行,输入图像会逐渐被修改,以激活我们选定的层级中的特定模式。

示例解释和效果

想象一下,我们选定了 Inception 网络中一个学习识别“狗鼻子”的层。

初始输入: 一张随机噪声图像。
目标: 最大化“狗鼻子”模式的激活。
过程:
网络进行一次前向传播,噪声图像会产生一些微弱的激活。
计算损失函数(即“狗鼻子”激活的总和)相对于图像像素的梯度。
将梯度加到图像上。
经过几次迭代,图像会开始出现一些看起来像模糊的线条或曲线,这些是“狗鼻子”的潜在特征。
随着更多迭代,这些线条会变得更清晰,逐渐形成一个狗鼻子的形状,尽管可能夹杂着其他不相关的图案。

更高级的 Inceptionism 应用:

全层激活: 我们可以尝试最大化网络中所有层的激活,这会导致非常复杂、多层次的幻觉。低层会放大边缘和纹理,中层会生成具体的形状(如眼睛、轮子),高层则会生成更抽象的物体(如动物、建筑)。
指定特定神经元: 不仅可以激活整个层,还可以指定激活某个特定神经元。如果该神经元被训练来识别“鸟”,那么 Inceptionism 就会尝试在图像中生成鸟的特征。
以真实图像为基础: 我们可以用一张真实图像作为初始输入,然后应用 Inceptionism。这样,网络会试图在原图像的基础上“看到”并“放大”它学到的模式,从而在原图像上叠加出新的、通常是意想不到的元素。例如,在云的照片上放大出狗的形状,或者在树叶上放大出飞机的轮廓。
网络层和模式的对应:
早期层 (Lowlevel layers): 倾向于生成简单的几何形状、纹理、边缘和色彩。输出的图像通常会是模糊的线条、斑点或重复的图案。
中间层 (Midlevel layers): 对应于更复杂的特征,如眼睛、耳朵、鼻子、轮子、建筑物的棱角等。输出的图像可能会出现这些器官或物体的部分,并且相互组合。
后期层 (Highlevel layers): 对应于更高级的语义概念,如狗、猫、汽车、人脸等。输出的图像会试图“合成”出这些完整的物体,尽管通常会以一种“超现实”或“幻觉”的方式出现,因为网络并没有真正“理解”这些物体,只是放大了它学到的模式组合。

关键组件和技术细节

1. 卷积神经网络 (CNN): 必须有一个预训练好的 CNN。Inceptionv3因其深度和广度而被广泛使用。
2. 梯度计算: 需要能够计算损失函数关于输入图像的梯度。TensorFlow 或 PyTorch 等深度学习框架提供了自动微分功能,可以方便地实现这一点。
3. 图像处理:
尺寸和格式: 输入图像通常需要被调整到神经网络模型接受的尺寸。
颜色通道: 图像通常是 RGB 的,但网络可能接受其他格式。
归一化: 输入图像的像素值需要进行适当的归一化,以匹配神经网络的训练数据。
4. 正则化: 为了防止生成的图像过于“嘈杂”或“失真”,可能会采用一些正则化技术,例如:
平滑处理 (Jittering/Shifting): 在每次迭代后,对图像进行微小的随机平移。这可以帮助网络看到更全局的模式,而不是过分依赖特定像素。
色彩饱和度控制: 限制或增强图像的色彩饱和度,以获得更理想的视觉效果。
尺度调整: 在某些迭代中改变图像的缩放比例,让网络从不同的尺度上观察和生成。
5. 可视化技术:
DeepDream: 这是 Google 在 2015 年开源的一个项目,它实现了 Inceptionism 的许多核心思想,并且是这个概念被大众熟知的主要原因。DeepDream 可以让用户选择特定的层级来放大,并直接在浏览器中生成效果。
其他可视化工具: 还有许多其他工具和库可以用于实现类似的技术,例如在 StyleGAN 等生成模型上应用类似的放大技术。

Inceptionism 的意义和应用

理解神经网络: Inceptionism 提供了一种直观的方式来可视化和理解神经网络内部的运作机制。我们可以通过观察在不同层级生成的内容,了解网络是如何逐步构建出对现实世界的理解的。
艺术创作: 它的幻觉般、超现实的图像风格为数字艺术和视觉艺术带来了新的可能性。许多艺术家利用 Inceptionism 作为创作媒介。
算法研究: Inceptionism 也启发了对生成模型的研究,例如后来的 Deepfakes 和更先进的图像生成技术。
娱乐和趣味性: 这种技术能够生成令人惊叹且富有想象力的图像,具有很强的趣味性和吸引力。

总结

Google 的 Inceptionism(神经网络生成图像)的核心是通过 梯度上升 来修改输入图像,以 最大化 预训练卷积神经网络中特定层级的神经元激活。这个过程本质上是让神经网络“看见”并“放大”它在训练过程中学到的模式,从而创造出独特的、常常是幻觉般的视觉效果。从简单的纹理到复杂的物体,不同层级的激活会对应生成不同复杂度的图像元素,使得这种技术既是理解 AI 的有力工具,也是一种强大的艺术创作媒介。

网友意见

user avatar

更新:本方法的论文已被二区期刊Neural Networks接收发表,论文题目:Visualizing Deep Neural Network by Alternately Image Blurring and Deblurring 。

以下为原答案:

我是
GitHub - happynear/DeepVisualization
的作者,上周末看到报道里面美轮美奂的图片,就想自己也搞一下。后来看到 @贾扬清 大神说其实就是加了个先验,好像很简单的样子(大神说简单就像学霸说考试考砸了一样不可信),于是就毅然跳坑了。

先是参照文献1,用caffe的matlab接口实现了梯度上升算法。这里简单地解释一下吧,神经网络可以看作是一个函数,输入图像,输出各类别的概率:

如果想提升某一类的输出概率,把这一类的梯度设置为1,其他类设置为0,然后将梯度反向传播回去,就得到了,通过梯度上升法,不断迭代

最终就能得到使目标类别的概率极大化的图像。

然后坑来了,这样得到的图像完全是噪声,而这个噪声的分类置信度竟然无限接近于100%。。因此也有了文献1所说的“神经网络很容易被戏弄”一说。而google所做的,就是要使生成的图像尽量接近我们平时所看到的那些图像,也就是 @贾扬清大神所说的加正则。

在查阅了许多神经网络可视化、图像去模糊、超像素方向的文章之后,发现大家普遍使用的正则有如下几个:

  1. total variance norm,全局方差范数,其实就是尽量减小图像梯度的幅度,使图像更加平滑。
  2. blur,图像模糊,类似的,也是使图像更加模糊。
  3. gradient clip,梯度剪切,就是每次只更新对分类最有利的一部分梯度,忽略其他。
  4. weight decay,权重衰减,在这里就是使图像中不要出现非常大的值。

其中1、2两项确实非常有效,在我当前最新版本的程序中也包括了这两项,其实我还试了很多别的正则项,但效果并不明显,就不在这里说了。

最后我做出的效果,只有第一个任务,即从噪声中生成图像的结果:

蚂蚁:


巨石:

海星:

跟google的相比,我生成的图像背景更加丰富,但在颜色上感觉有一些失真。当然,展示给大家的只是效果比较好的几张,还有好多完全无法辨认的我就不献丑了(逃

因为我希望将这个方向深入做下去,所以有些技术细节我也不方便讲了。大神太多,以我写paper的速度,肯定会被别人赶超的。

2015/6/26

生成了一张大图:


多类别在同一张图里:

珊瑚+海星(珊瑚只占据了左上角):




参考文献:

1、Deep Neural Networks are Easily Fooled: High Confidence Predictions for Unrecognizable Images

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