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🍨 本文为🔗365天深度学习训练营中的学习记录博客
🍦 参考文章：365天深度学习训练营-第G3周：实现mnist手写数字识别
🍖 原作者：K同学啊|接辅导、项目定制

CGAN简单介绍

和前面所提及的文章一样,在 CGAN 中，生成器(Generator) 和 判别器（Discriminato都接收条件信息。生成器的目标是生成与条件信息相关的合成样本，而判别器的目标是将生成的样本与真实样本区分开来。二者之间通过不断的学习,不断提高自身的判别能力以及生成能力
当生成器和判别器通过反馈循环不断地进行训练时，生成器会逐渐学会如何生成符合条件信息的样本，而判别器则会逐渐变得更加准确。在二者达到一个平衡点时就能停止训练

在这里插入图片描述

根据网络结构可知，条件信息 $y$ 作为额外的输入被引入对抗网络中，与生成器 $G$ 中的噪声 $z$ 合并作为隐含层表达；
而在判别器 $D$ 中，条件信息y则与原始数据x合并作为判别函数的输入。

环境介绍

语言环境：Python3.9.12
编译器：jupyter notebook
深度学习环境：TensorFlow2

前置工作

数据

百度网盘:https://pan.baidu.com/s/1thsYtu_1bzd2yel0K97hYA?pwd=7e3q
将下载的数据集放到运行文件所在目录的data文件夹当中,data文件夹当中设置rps文件夹来放置图片
,同时设置文件夹images_GAN3为后续的训练做准备
在这里插入图片描述
运行文件生成手势图像.ipynb的目录下创建一个training_weights的文件夹

导入所需的包

import torch
import numpy as np
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.autograd import Variable
from torchvision.utils import save_image
from torchvision.utils import make_grid
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchsummary import summary
import matplotlib.pyplot as plt

加载数据

dataroot = "./data/rps"  # 数据路径
batch_size = 128  # 训练过程中的批次大小
image_size = 128   # 图像的尺寸（宽度和高度）
image_shape = (3, 128, 128)
image_dim = int(np.prod(image_shape))
latent_dim = 100
n_classes = 3     # 条件标签的总数
embedding_dim = 100device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

创建数据集

生成训练所用的数据集,并且创建数据加载器

train_dataset = datasets.ImageFolder(root=dataroot,transform=transforms.Compose([transforms.Resize(image_size),        # 调整图像大小transforms.ToTensor(),                # 将图像转换为张量transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), # 标准化图像张量(0.5, 0.5, 0.5)),]))# 创建数据加载器
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size,  # 批量大小shuffle=True,           # 是否打乱数据集num_workers=6 # 使用多个线程加载数据的工作进程数)

查看数据集

def show_images(images):fig, ax = plt.subplots(figsize=(20, 20))ax.set_xticks([]); ax.set_yticks([])ax.imshow(make_grid(images.detach(), nrow=22).permute(1, 2, 0))def show_batch(dl):for images, _ in dl:show_images(images)breakshow_batch(train_loader)

请添加图片描述

模型设置

初始化模型的权重

# 自定义权重初始化函数，用于初始化生成器和判别器的权重
def weights_init(m):# 获取当前层的类名classname = m.__class__.__name__# 如果当前层是卷积层（类名中包含 'Conv' ）if classname.find('Conv') != -1:# 使用正态分布随机初始化权重，均值为0，标准差为0.02torch.nn.init.normal_(m.weight, 0.0, 0.02)# 如果当前层是批归一化层（类名中包含 'BatchNorm' ）elif classname.find('BatchNorm') != -1:# 使用正态分布随机初始化权重，均值为1，标准差为0.02torch.nn.init.normal_(m.weight, 1.0, 0.02)# 将偏置项初始化为全零torch.nn.init.zeros_(m.bias)

定义生成器

class Generator(nn.Module):def __init__(self):super(Generator, self).__init__()# 定义条件标签的生成器部分，用于将标签映射到嵌入空间中# n_classes：条件标签的总数# embedding_dim：嵌入空间的维度self.label_conditioned_generator = nn.Sequential(nn.Embedding(n_classes, embedding_dim),  # 使用Embedding层将条件标签映射为稠密向量nn.Linear(embedding_dim, 16)             # 使用线性层将稠密向量转换为更高维度)# 定义潜在向量的生成器部分，用于将噪声向量映射到图像空间中# latent_dim：潜在向量的维度self.latent = nn.Sequential(nn.Linear(latent_dim, 4*4*512),  # 使用线性层将潜在向量转换为更高维度nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True)  # 使用LeakyReLU激活函数进行非线性映射)# 定义生成器的主要结构，将条件标签和潜在向量合并成生成的图像self.model = nn.Sequential(# 反卷积层1：将合并后的向量映射为64x8x8的特征图nn.ConvTranspose2d(513, 64*8, 4, 2, 1, bias=False),nn.BatchNorm2d(64*8, momentum=0.1, eps=0.8),  # 批标准化nn.ReLU(True),  # ReLU激活函数# 反卷积层2：将64x8x8的特征图映射为64x4x4的特征图nn.ConvTranspose2d(64*8, 64*4, 4, 2, 1, bias=False),nn.BatchNorm2d(64*4, momentum=0.1, eps=0.8),nn.ReLU(True),# 反卷积层3：将64x4x4的特征图映射为64x2x2的特征图nn.ConvTranspose2d(64*4, 64*2, 4, 2, 1, bias=False),nn.BatchNorm2d(64*2, momentum=0.1, eps=0.8),nn.ReLU(True),# 反卷积层4：将64x2x2的特征图映射为64x1x1的特征图nn.ConvTranspose2d(64*2, 64*1, 4, 2, 1, bias=False),nn.BatchNorm2d(64*1, momentum=0.1, eps=0.8),nn.ReLU(True),# 反卷积层5：将64x1x1的特征图映射为3x64x64的RGB图像nn.ConvTranspose2d(64*1, 3, 4, 2, 1, bias=False),nn.Tanh()  # 使用Tanh激活函数将生成的图像像素值映射到[-1, 1]范围内)def forward(self, inputs):noise_vector, label = inputs# 通过条件标签生成器将标签映射为嵌入向量label_output = self.label_conditioned_generator(label)# 将嵌入向量的形状变为（batch_size, 1, 4, 4），以便与潜在向量进行合并label_output = label_output.view(-1, 1, 4, 4)# 通过潜在向量生成器将噪声向量映射为潜在向量latent_output = self.latent(noise_vector)# 将潜在向量的形状变为（batch_size, 512, 4, 4），以便与条件标签进行合并latent_output = latent_output.view(-1, 512, 4, 4)# 将条件标签和潜在向量在通道维度上进行合并，得到合并后的特征图concat = torch.cat((latent_output, label_output), dim=1)# 通过生成器的主要结构将合并后的特征图生成为RGB图像image = self.model(concat)return imagegenerator = Generator().to(device)
generator.apply(weights_init)
print(generator)

Clipping input data to the valid range for imshow with RGB data ([0..1] for floats or [0..255] for integers).Generator((label_conditioned_generator): Sequential((0): Embedding(3, 100)(1): Linear(in_features=100, out_features=16, bias=True))(latent): Sequential((0): Linear(in_features=100, out_features=8192, bias=True)(1): LeakyReLU(negative_slope=0.2, inplace=True))(model): Sequential((0): ConvTranspose2d(513, 512, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)(1): BatchNorm2d(512, eps=0.8, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(2): ReLU(inplace=True)(3): ConvTranspose2d(512, 256, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)(4): BatchNorm2d(256, eps=0.8, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(5): ReLU(inplace=True)(6): ConvTranspose2d(256, 128, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)(7): BatchNorm2d(128, eps=0.8, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(8): ReLU(inplace=True)(9): ConvTranspose2d(128, 64, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)(10): BatchNorm2d(64, eps=0.8, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(11): ReLU(inplace=True)(12): ConvTranspose2d(64, 3, kernel_size=(4, 4), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)(13): Tanh())
)

构造判别器

class Discriminator(nn.Module):def __init__(self):super(Discriminator, self).__init__()# 定义一个条件标签的嵌入层，用于将类别标签转换为特征向量self.label_condition_disc = nn.Sequential(nn.Embedding(n_classes, embedding_dim),     # 嵌入层将类别标签编码为固定长度的向量nn.Linear(embedding_dim, 3*128*128)         # 线性层将嵌入的向量转换为与图像尺寸相匹配的特征张量)# 定义主要的鉴别器模型self.model = nn.Sequential(nn.Conv2d(6, 64, 4, 2, 1, bias=False),       # 输入通道为6（包含图像和标签的通道数），输出通道为64，4x4的卷积核，步长为2，padding为1nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),             # LeakyReLU激活函数，带有负斜率，增加模型对输入中的负值的感知能力nn.Conv2d(64, 64*2, 4, 3, 2, bias=False),    # 输入通道为64，输出通道为64*2，4x4的卷积核，步长为3，padding为2nn.BatchNorm2d(64*2, momentum=0.1, eps=0.8),  # 批量归一化层，有利于训练稳定性和收敛速度nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),nn.Conv2d(64*2, 64*4, 4, 3, 2, bias=False),  # 输入通道为64*2，输出通道为64*4，4x4的卷积核，步长为3，padding为2nn.BatchNorm2d(64*4, momentum=0.1, eps=0.8),nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),nn.Conv2d(64*4, 64*8, 4, 3, 2, bias=False),  # 输入通道为64*4，输出通道为64*8，4x4的卷积核，步长为3，padding为2nn.BatchNorm2d(64*8, momentum=0.1, eps=0.8),nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),nn.Flatten(),                               # 将特征图展平为一维向量，用于后续全连接层处理nn.Dropout(0.4),                            # 随机失活层，用于减少过拟合风险nn.Linear(4608, 1),                         # 全连接层，将特征向量映射到输出维度为1的向量nn.Sigmoid()                                # Sigmoid激活函数，用于输出范围限制在0到1之间的概率值)def forward(self, inputs):img, label = inputs# 将类别标签转换为特征向量label_output = self.label_condition_disc(label)# 重塑特征向量为与图像尺寸相匹配的特征张量label_output = label_output.view(-1, 3, 128, 128)# 将图像特征和标签特征拼接在一起作为鉴别器的输入concat = torch.cat((img, label_output), dim=1)# 将拼接后的输入通过鉴别器模型进行前向传播，得到输出结果output = self.model(concat)return outputdiscriminator = Discriminator().to(device)
discriminator.apply(weights_init)
print(discriminator)

在这里插入图片描述

模型训练

定义损失函数

使用的是BCELoss()
$L oss = - w * [p * l o g (q) + (1 - p) * l o g (1 - q)]$ ，其中 $p$ 、 $q$ 分别为理论标签、实际预测值， $w$ 为权重。这里的 $l o g$ 对应数学上的 $l n$ 。

torch.nn.BCELoss(weight=None, size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)
计算目标值和预测值之间的二进制交叉熵损失函数。有四个可选参数：weight、size_average、reduce、reduction

adversarial_loss = nn.BCELoss() def generator_loss(fake_output, label):gen_loss = adversarial_loss(fake_output, label)return gen_lossdef discriminator_loss(output, label):disc_loss = adversarial_loss(output, label)return disc_loss

设置超参数

设置学习率以及优化器

learning_rate = 0.0002G_optimizer = optim.Adam(generator.parameters(),     lr = learning_rate, betas=(0.5, 0.999))
D_optimizer = optim.Adam(discriminator.parameters(), lr = learning_rate, betas=(0.5, 0.999))

正式开始训练

每10轮就进行对生成图像的保存

# 设置训练的总轮数
num_epochs = 100
# 初始化用于存储每轮训练中判别器和生成器损失的列表
D_loss_plot, G_loss_plot = [], []# 循环进行训练
for epoch in range(1, num_epochs + 1):# 初始化每轮训练中判别器和生成器损失的临时列表D_loss_list, G_loss_list = [], []# 遍历训练数据加载器中的数据for index, (real_images, labels) in enumerate(train_loader):# 清空判别器的梯度缓存D_optimizer.zero_grad()# 将真实图像数据和标签转移到GPU（如果可用）real_images = real_images.to(device)labels      = labels.to(device)# 将标签的形状从一维向量转换为二维张量（用于后续计算）labels = labels.unsqueeze(1).long()# 创建真实目标和虚假目标的张量（用于判别器损失函数）real_target = Variable(torch.ones(real_images.size(0), 1).to(device))fake_target = Variable(torch.zeros(real_images.size(0), 1).to(device))# 计算判别器对真实图像的损失D_real_loss = discriminator_loss(discriminator((real_images, labels)), real_target)# 从噪声向量中生成假图像（生成器的输入）noise_vector = torch.randn(real_images.size(0), latent_dim, device=device)noise_vector = noise_vector.to(device)generated_image = generator((noise_vector, labels))# 计算判别器对假图像的损失（注意detach()函数用于分离生成器梯度计算图）output = discriminator((generated_image.detach(), labels))D_fake_loss = discriminator_loss(output, fake_target)# 计算判别器总体损失（真实图像损失和假图像损失的平均值）D_total_loss = (D_real_loss + D_fake_loss) / 2D_loss_list.append(D_total_loss)# 反向传播更新判别器的参数D_total_loss.backward()D_optimizer.step()# 清空生成器的梯度缓存G_optimizer.zero_grad()# 计算生成器的损失G_loss = generator_loss(discriminator((generated_image, labels)), real_target)G_loss_list.append(G_loss)# 反向传播更新生成器的参数G_loss.backward()G_optimizer.step()# 打印当前轮次的判别器和生成器的平均损失print('Epoch: [%d/%d]: D_loss: %.3f, G_loss: %.3f' % ((epoch), num_epochs, torch.mean(torch.FloatTensor(D_loss_list)), torch.mean(torch.FloatTensor(G_loss_list))))# 将当前轮次的判别器和生成器的平均损失保存到列表中D_loss_plot.append(torch.mean(torch.FloatTensor(D_loss_list)))G_loss_plot.append(torch.mean(torch.FloatTensor(G_loss_list)))if epoch%10 == 0:# 将生成的假图像保存为图片文件save_image(generated_image.data[:50], './data/images_GAN3/sample_%d' % epoch + '.png', nrow=5, normalize=True)# 将当前轮次的生成器和判别器的权重保存到文件torch.save(generator.state_dict(), './training_weights/generator_epoch_%d.pth' % (epoch))torch.save(discriminator.state_dict(), './training_weights/discriminator_epoch_%d.pth' % (epoch))

在这里插入图片描述

结果可视化

plt.figure(figsize=(10,5))
plt.title("Generator and Discriminator Loss During Training")
plt.plot(G_loss_plot,label="G")
plt.plot(D_loss_plot,label="D")
plt.xlabel("iterations")
plt.ylabel("Loss")
plt.legend()
plt.show()