自建AI入门：生成模型介绍——GAN和VAE浅析

作者是：Trix Cyrus

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生成模型是机器学习中的一个迷人领域，能够生成与训练数据类似的新数据。在这篇文章里，我们将讨论两种受欢迎的生成模型：生成对抗网络（GAN）和变分自编码器（VAE）。这些模型可以用来生成逼真的图像、制作深度伪造视频，甚至作曲。

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1. 什么是生成模型？

生成模型旨在理解数据的分布，并生成与原数据相似的新数据点。与侧重于分类或预测的判别模型不同，生成模型生成全新的数据。

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2. 生成对抗网络 (GANs) 简介

生成对抗网络（GAN）是Ian Goodfellow在2014年提出的一种生成模型。GANs主要由两个神经网络构成。

• 生成模型: 生成与训练数据相似的新数据。
• 鉴别器: 判断样本是真实的（来自训练数据）还是假的（生成的）。

这些网络是通过一个被称为对抗性训练的竞争过程来进行训练的。

• 生成器试图通过生成逼真的样本来欺骗判别器。
• 判别器试图准确辨别真假样本。

GAN (生成对抗网络)工作流程

1. 生成器从随机噪声生成样本。
2. 辨别器评估样本。
3. 两个网络调整各自的权重以优化各自的任务。

GAN（生成对抗网络）的应用

• 生成逼真的图像，比如AI生成的肖像。
• 创建深度伪造的视频。
• 不平衡数据集的增强。
• 超分辨率，提升图像质量。

……

III. VAE简介：

变分自编码器（VAEs）也是一种生成模型。它们首先学习输入数据的压缩表示（通常称为潜在空间），然后通过从该潜在空间采样生成新数据。

VAE是如何工作的（变分自编码器）

1. 编码器: 将输入数据压缩成潜在空间表示。
2. 潜在空间: 表示数据底层结构的简化形式。
3. 解码器: 从潜在空间还原数据。

VAE是变分自动编码器，与传统的自动编码器不同，它们是加入了概率性的采样过程，这使得潜在空间中的插值更加平滑，从而可以生成新的数据。

VAE的应用

• 生成新的图像或视频内容。
• 通过比较重构和原始数据检测异常。
• 创建音乐和声音。

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4. 实战：生成图像的GAN模型构建

第一步：安装所需的库

    pip install tensorflow keras numpy matplotlib  # 安装TensorFlow、Keras、NumPy和Matplotlib

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第二步：导入所需的库

    import tensorflow as tf
    from tensorflow.keras import layers
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt

以下是代码的解释：

    # 导入TensorFlow库
    import tensorflow as tf
    # 从TensorFlow的keras模块中导入layers
    from tensorflow.keras import layers
    # 导入NumPy库
    import numpy as np
    # 导入Matplotlib的pyplot模块
    import matplotlib.pyplot as plt

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步骤三: 定义生成对抗网络组件

# 生成器
def build_generator(latent_dim):
    model = tf.keras.Sequential([
        layers.Dense(256, activation='relu', input_dim=latent_dim),
        layers.BatchNormalization(),
        layers.LeakyReLU(0.2),
        layers.Dense(28 * 28 * 1, activation='sigmoid'),
        layers.Reshape((28, 28, 1))
    ])
    return model

# 构建判别器
def build_discriminator(input_shape):
    model = tf.keras.Sequential([
        layers.Flatten(input_shape=input_shape),
        layers.Dense(128, activation='relu'),
        layers.LeakyReLU(0.2),
        layers.Dense(1, activation='sigmoid')
    ])
    return model

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第4步：训练这个GAN模型（生成对抗网络）

• 使用生成器生成图片。
• 使用判别器区分真假图像。

• 让这两个网络在对抗环境中训练。

• • *

5. 动手实践：构建用于生成数据的VAE

第一步：定义编码器和解码器，这两个部分

    ## 编码器部分
    latent_dim = 2
    encoder_input = layers.Input(shape=(28, 28, 1))
    x = layers.Flatten()(encoder_input)
    x = layers.Dense(128, activation='relu')(x)
    z_mean = layers.Dense(latent_dim, name='z_mean')(x)
    z_log_var = layers.Dense(latent_dim, name='z_log_var')(x)

    ## 解码器部分
    decoder_input = layers.Input(shape=(latent_dim,))
    x = layers.Dense(128, activation='relu')(decoder_input)
    x = layers.Dense(28 * 28, activation='sigmoid')(decoder_input)
    decoder_output = layers.Reshape((28, 28, 1))(x)

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步骤2：训练VAE（变分自编码器）

• 将输入数据编码到隐空间。
• 用公式 ( z = z{\text{mean}} + \text{exp}(z{\text{log_var}}) \cdot \epsilon ) 从隐空间中采样。

• 解码采样点以还原原始输入。

• • *

6. 来看看GANs和VAEs的比较吧

7. 生成模型面临的挑战

• GAN: 训练过程不稳定，模式崩溃（生成的样本多样性有限）。

• VAE: 相比 GAN，VAE 的输出更模糊。

• • *

8. 生成模型的未来趋势

• 结合GAN和VAE来提升性能。
• 如StyleGAN和BigGAN这样的高级架构。

• 在药物研发和创意艺术领域的应用。

• • *

~Trixsec