游戏AI的创造思路-技术基础-深度学习（4）

下面的内容是让AI进行左右互博，这就是传说中的GAN对抗网络

当然，周伯通和GAN真的是难兄难弟，欲练神功，结果被黄药师（欺骗）坑了

目录

3.4. 生成对抗网络（GAN）

3.4.1. 定义

3.4.2. 形成过程

3.4.3. 运行原理

3.4.4. 优缺点

3.4.5. 存在的问题和解决方法

3.4.6. 代码示例

3.4.6.1. 构建左右互博网络

3.4.6.1.1. 生成器网络

3.4.6.1.2. 判别器网络

3.4.6.2. 开启左右互博

3.4.7. 特别点：样本攻击

3.4.7.1. GAN算法常用的样本攻击方法

3.4.7.2. 对抗样本攻击的原理

3.4.7.3. 对抗样本攻击的方法归纳

3.4. 生成对抗网络（GAN）

3.4.1. 定义

生成对抗网络（GAN）是一种深度学习模型，由两个神经网络组成：

  • 一个生成器（Generator）
  • 一个判别器（Discriminator）

生成器的任务是捕捉样本数据的分布并生成新的数据样本，而判别器则试图区分输入数据是来自真实数据集还是由生成器生成的。

3.4.2. 形成过程

GAN的灵感来源于博弈论中的二人零和博弈，最初由Goodfellow等人在2014年提出。

其基本思想是通过让两个神经网络相互对抗，从而学习到数据的分布。

在训练过程中，生成器和判别器相互竞争，不断调整参数，以生成具有高质量和多样性的数据。

3.4.3. 运行原理

  1. 生成器接收随机噪声作为输入，并尝试生成与真实数据分布相似的数据。
  2. 判别器接收真实数据和生成器生成的数据作为输入，并尝试区分它们。
  3. 在训练过程中，生成器和判别器交替更新。判别器的目标是最大化分类准确率，而生成器的目标是最小化判别器的准确率。
  4. 通过多次迭代训练，生成器逐渐学会生成更逼真的数据，而判别器则逐渐提高区分真实与生成数据的能力。

3.4.4. 优缺点

优点：

  • 生成数据自然：GAN通过生成器和判别器的对抗训练，使得生成的数据更加自然和逼真。
  • 模型设计自由度高：可以通过调整神经网络的架构和选用不同的损失函数来优化GAN的效果。
  • 训练效率高：GAN的训练过程简单易控，改善了生成式模型的训练效率。
  • 样本生成效率高：生成器可以直接生成批量的样本数据，提高了新样本的生成效率。
  • 样本多样性：由于生成器的输入数据是从一定分布中采样得到的，因此增加了生成样本的多样性。

缺点：

  • “纳什均衡”不稳定：在GAN中，“纳什均衡”状态可能不是恒定的，而是一个振荡过程，导致训练不稳定。
  • 模式崩溃问题：GAN可能出现模式崩溃（mode collapse）问题，即生成器开始退化，总是生成同样的样本点。
  • 模型过于自由不可控：对于较大的图片或较多的像素情况，GAN可能变得难以控制。
  • 计算资源需求高：GAN的训练需要大量的计算资源和时间。
  • 调试难度大：由于GAN涉及两个网络的相互竞争，调试和优化可能相对困难。
  • 解释性差：GAN生成的图像或数据样本往往缺乏明确的解释性。

3.4.5. 存在的问题和解决方法

模式崩溃/坍塌：

  • 解决方法：使用多样性损失函数如最大期望传递（MED）损失函数；改进GAN结构如Wasserstein GAN（WGAN）或条件生成对抗网络（CGAN）。

训练不稳定：

  • 解决方法：采用渐进式训练、正则化技术和迁移学习等稳定训练技巧。

梯度消失/爆炸：

  • 解决方法：使用改进的优化算法如Adam、RMSProp等。

对抗样本攻击：

  • 解决方法：采用对抗训练、随机性防御等方法抵御对抗样本攻击。

3.4.6. 代码示例

3.4.6.1. 构建左右互博网络

在生成对抗网络（GAN）中，生成器（Generator）和判别器（Discriminator）通常是使用深度学习框架（如TensorFlow, PyTorch等）构建的神经网络。由于完整实现可能较长，我会给出简化的示例代码，用于说明如何在Python中使用PyTorch框架以及如何在C++中使用LibTorch（PyTorch的C++前端）来构建这些网络。

3.4.6.1.1. 生成器网络

Python代码

import torch  
import torch.nn as nn  class Generator(nn.Module):  def __init__(self, input_dim, output_dim):  super(Generator, self).__init__()  self.fc1 = nn.Linear(input_dim, 128)  self.fc2 = nn.Linear(128, output_dim)  def forward(self, x):  x = torch.relu(self.fc1(x))  x = torch.tanh(self.fc2(x))  # 使用tanh激活函数将输出限制在[-1, 1]之间  return x  # 实例化生成器  
input_dim = 100  # 噪声向量的维度  
output_dim = 784  # 假设生成的是28x28的图像，展平后为784维  
generator = Generator(input_dim, output_dim)

C++代码

#include <torch/torch.h>  struct GeneratorImpl : torch::nn::Module {  torch::nn::Linear fc1;  torch::nn::Linear fc2;  GeneratorImpl(int input_dim, int hidden_dim, int output_dim)  : fc1(torch::nn::LinearOptions(input_dim, hidden_dim)),  fc2(torch::nn::LinearOptions(hidden_dim, output_dim)) {}  torch::Tensor forward(torch::Tensor x) {  x = torch::relu(fc1(x));  x = torch::tanh(fc2(x));  return x;  }  
};  TORCH_MODULE(Generator);  // 在某处实例化生成器  
int input_dim = 100;  
int output_dim = 784;  
int hidden_dim = 128;  
Generator generator(input_dim, hidden_dim, output_dim);
3.4.6.1.2. 判别器网络

Python代码

class Discriminator(nn.Module):  def __init__(self, input_dim):  super(Discriminator, self).__init__()  self.fc1 = nn.Linear(input_dim, 128)  self.fc2 = nn.Linear(128, 1)  def forward(self, x):  x = torch.relu(self.fc1(x))  x = torch.sigmoid(self.fc2(x))  # 使用sigmoid激活函数将输出限制在[0, 1]之间  return x  # 实例化判别器  
discriminator = Discriminator(output_dim)

C++代码

struct DiscriminatorImpl : torch::nn::Module {  torch::nn::Linear fc1;  torch::nn::Linear fc2;  DiscriminatorImpl(int input_dim, int hidden_dim)  : fc1(torch::nn::LinearOptions(input_dim, hidden_dim)),  fc2(torch::nn::LinearOptions(hidden_dim, 1)) {}  torch::Tensor forward(torch::Tensor x) {  x = torch::relu(fc1(x));  x = torch::sigmoid(fc2(x));  return x;  }  
};  TORCH_MODULE(Discriminator);  // 在某处实例化判别器  
Discriminator discriminator(output_dim, hidden_dim);

这些代码只是示例，并且可能需要根据你的具体需求进行调整。在实际应用中，你可能还需要添加更多的层、正则化、批量归一化等。此外，C++代码需要链接到LibTorch库，并确保所有依赖项都已正确设置。

3.4.6.2. 开启左右互博

由于代码较为复杂，这里我将分别提供简化的Python和C++伪代码/框架来展示GAN的基本训练流程。请注意，完整的GAN实现会涉及更多的细节，包括网络架构的定义、优化器的选择、超参数的调整等。

Python代码

import torch  
import torch.nn as nn  
import torch.optim as optim  # 假设我们已经有了定义好的生成器G和判别器D的网络结构  
class Generator(nn.Module):  # ... (生成器的网络结构定义)  class Discriminator(nn.Module):  # ... (判别器的网络结构定义)  # 实例化网络  
generator = Generator()  
discriminator = Discriminator()  # 定义损失函数和优化器  
criterion = nn.BCELoss()  
optimizer_G = optim.Adam(generator.parameters(), lr=0.0002)  
optimizer_D = optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=0.0002)  # 训练过程  
for epoch in range(num_epochs):  for i, (real_samples, _) in enumerate(dataloader):  # 训练判别器  real_labels = torch.ones(batch_size, 1)  fake_labels = torch.zeros(batch_size, 1)  outputs = discriminator(real_samples)  d_loss_real = criterion(outputs, real_labels)  noise = torch.randn(batch_size, latent_dim)  fake_samples = generator(noise)  outputs = discriminator(fake_samples.detach())  d_loss_fake = criterion(outputs, fake_labels)  d_loss = d_loss_real + d_loss_fake  optimizer_D.zero_grad()  d_loss.backward()  optimizer_D.step()  # 训练生成器  noise = torch.randn(batch_size, latent_dim)  fake_samples = generator(noise)  outputs = discriminator(fake_samples)  g_loss = criterion(outputs, real_labels)  optimizer_G.zero_grad()  g_loss.backward()  optimizer_G.step()  print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], d_loss: {d_loss.item()}, g_loss: {g_loss.item()}')

C++代码

在C++中实现GAN会比较复杂，因为需要处理底层的张量操作和自动微分。以下是一个简化的伪代码框架，用于说明如何在C++中使用LibTorch实现GAN的训练。

#include <torch/torch.h>  
#include "generator.h"  // 假设这是生成器的头文件  
#include "discriminator.h"  // 假设这是判别器的头文件  int main() {  torch::manual_seed(1);  Generator generator;  // 假设这是已经定义好的生成器类  Discriminator discriminator;  // 假设这是已经定义好的判别器类  torch::optim::Adam optimizerG(generator.parameters(), torch::optim::AdamOptions(0.0002));  torch::optim::Adam optimizerD(discriminator.parameters(), torch::optim::AdamOptions(0.0002));  torch::nn::BCELoss loss;  generator.train();  discriminator.train();  for (int epoch = 0; epoch < num_epochs; ++epoch) {  for (auto& batch : dataloader) {  // 假设dataloader是数据加载器  torch::Tensor real_samples = batch.data;  // 真实样本  torch::Tensor labels_real = torch::ones(batch_size, 1);  torch::Tensor labels_fake = torch::zeros(batch_size, 1);  torch::Tensor noise = torch::randn({batch_size, latent_dim});  // 随机噪声  // 训练判别器  torch::Tensor outputs_real = discriminator(real_samples);  torch::Tensor d_loss_real = loss(outputs_real, labels_real);  torch::Tensor fake_samples = generator(noise);  torch::Tensor outputs_fake = discriminator(fake_samples.detach());  torch::Tensor d_loss_fake = loss(outputs_fake, labels_fake);  torch::Tensor d_loss = d_loss_real + d_loss_fake;  d_loss.backward();  optimizerD.step();  optimizerD.zero_grad();  // 训练生成器  noise = torch::randn({batch_size, latent_dim});  // 新的随机噪声  fake_samples = generator(noise);  torch::Tensor outputs = discriminator(fake_samples);  torch::Tensor g_loss = loss(outputs, labels_real);  // 生成器希望判别器将假样本识别为真  g_loss.backward();  optimizerG.step();  optimizerG.zero_grad();  }  // 打印损失等信息...  }  return 0;  
}

请注意，上述C++代码是一个高度简化的示例，用于说明如何使用LibTorch API。在实际应用中，您需要定义自己的Generator和Discriminator类，这些类应继承自torch::nn::Module，并实现相应的前向传播方法。

此外，数据加载部分（dataloader）也需要您根据实际情况实现。

3.4.7. 特别点：样本攻击

3.4.7.1. GAN算法常用的样本攻击方法
  1. 基于梯度的攻击方法：
    • 原理：这类方法通过计算模型对于输入的梯度信息，来生成能够最大化干扰模型预测的对抗样本。
    • 实例：快速梯度符号方法（FGSM）和投影梯度下降（PGD）是此类方法的代表。它们通过计算损失函数相对于输入的梯度，并沿着梯度方向添加微小的扰动来生成对抗样本。
  2. 基于优化的攻击方法：
    • 原理：这类方法将对抗样本的生成视为一个优化问题，通过最小化或最大化某个目标函数来生成对抗样本。
    • 实例：C&W攻击（Carlini & Wagner）是一种强大的基于优化的攻击方法，它通过解决一系列优化问题来找到能够误导目标模型的对抗样本。
  3. 基于GAN的攻击方法：
    • 原理：利用GAN的生成能力来制作对抗样本。GAN由生成器和判别器组成，生成器负责生成样本，判别器负责判断样本的真实性。在攻击场景中，生成器被训练来生成能够欺骗目标模型的对抗样本。
    • 实例：AdvGAN是一种代表性的基于GAN的攻击方法。它通过训练一个生成器来生成对抗扰动，这些扰动被添加到原始输入上，从而制作出对抗样本。AdvGAN的核心思想是将干净样本通过GAN的生成器映射成对抗扰动，然后加在对应的干净样本中。
3.4.7.2. 对抗样本攻击的原理
  • 逃避检测：对抗样本的主要目的是通过添加微小的、通常是人类视觉系统无法察觉的扰动来逃避模型的检测。这些扰动经过精心设计，以最大化模型的预测误差。
  • 利用模型的脆弱性：机器学习模型，尤其是深度学习模型，往往对输入数据的微小变化非常敏感。对抗样本攻击正是利用了这一脆弱性，通过精心构造的输入来误导模型。
3.4.7.3. 对抗样本攻击的方法归纳
  1. 确定攻击目标：根据攻击者的目的，可以选择减少置信度、无目标分类、有目标分类或源到目的分类等不同的攻击目标。
  2. 收集背景知识：攻击者可能需要了解目标模型的网络结构、训练数据或输入到输出的映射关系等信息，以便更有效地制作对抗样本。
  3. 选择攻击方法：根据攻击目标和可用的背景知识，选择合适的攻击方法，如基于梯度、基于优化或基于GAN的方法。
  4. 生成对抗样本：利用选定的攻击方法生成对抗样本，这些样本应该能够在不改变人类感知的情况下误导目标模型。
  5. 验证攻击效果：将生成的对抗样本输入到目标模型中，验证其是否能够成功误导模型并达到预期的攻击效果。

左右互搏的GAN有很多值得细聊的东西，限于篇幅，先写到这里，后面逐步+++++++++ 

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