進(jìn)入預(yù)訓(xùn)練時代后，視覺識別模型的性能得到飛速發(fā)展，但圖像生成類的模型，比如生成對抗網(wǎng)絡(luò)GAN似乎掉隊了。

通常GAN的訓(xùn)練都是以無監(jiān)督的方式從頭開始訓(xùn)練，費時費力不說，大型預(yù)訓(xùn)練通過大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)到的「知識」都沒有利用上，豈不是很虧？

而且圖像生成本身就需要能夠捕捉和模擬真實世界視覺現(xiàn)象中的復(fù)雜統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不然生成出來的圖片不符合物理世界規(guī)律，直接一眼鑒定為「假」。

 預(yù)訓(xùn)練模型提供知識、GAN模型提供生成能力，二者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，多是一件美事！

問題來了，哪些預(yù)訓(xùn)練模型、以及如何結(jié)合起來才能改善GAN模型的生成能力？

最近來自CMU和Adobe的研究人員在CVPR 2022發(fā)表了一篇文章，通過「選拔」的方式將預(yù)訓(xùn)練模型與GAN模型的訓(xùn)練相結(jié)合。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2112.09130

項目鏈接：https://github.com/nupurkmr9/vision-aided-gan

視頻鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=oHdyJNdQ9E4

GAN模型的訓(xùn)練過程由一個判別器和一個生成器組成，其中判別器用來學(xué)習(xí)區(qū)分真實樣本和生成樣本的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而生成器的目標(biāo)則是讓生成的圖像與真實分布盡可能相同。

理想情況下，判別器應(yīng)當(dāng)能夠測量生成圖像和真實圖像之間的分布差距。

但在數(shù)據(jù)量十分有限的情況下，直接上大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型作為判別器，非常容易導(dǎo)致生成器被「無情碾壓」，然后就「過擬合」了。

通過在FFHQ 1k數(shù)據(jù)集上的實驗來看，即使采用最新的可微分?jǐn)?shù)據(jù)增強(qiáng)方法，判別器仍然會過擬合，訓(xùn)練集性能很強(qiáng)，但在驗證集上表現(xiàn)得很差。

此外，判別器可能會關(guān)注那些人類無法辨別但對機(jī)器來說很明顯的偽裝。 

為了平衡判別器和生成器的能力，研究人員提出將一組不同的預(yù)訓(xùn)練模型的表征集合起來作為判別器。

這種方法有兩個好處：

1、在預(yù)訓(xùn)練的特征上訓(xùn)練一個淺層分類器是使深度網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)小規(guī)模數(shù)據(jù)集的常見方法，同時可以減少過擬合。

也就是說只要把預(yù)訓(xùn)練模型的參數(shù)固定住，再在頂層加入輕量級的分類網(wǎng)絡(luò)就可以提供穩(wěn)定的訓(xùn)練過程。

比如上面實驗中的Ours曲線，可以看到驗證集的準(zhǔn)確率相比StyleGAN2-ADA要提升不少。

2、最近也有一些研究證明了，深度網(wǎng)絡(luò)可以捕獲有意義的視覺概念，從低級別的視覺線索（邊緣和紋理）到高級別的概念（物體和物體部分）都能捕獲。

建立在這些特征上的判別器可能更符合人類的感知能力。

并且將多個預(yù)訓(xùn)練模型組合在一起后，可以促進(jìn)生成器在不同的、互補(bǔ)的特征空間中匹配真實的分布。

為了選擇效果最好的預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，研究人員首先搜集了多個sota模型組成一個「模型銀行」，包括用于分類的VGG-16，用于檢測和分割的Swin-T等。

 然后基于特征空間中真實和虛假圖像的線性分割，提出一個自動的模型搜索策略，并使用標(biāo)簽平滑和可微分的增強(qiáng)技術(shù)來進(jìn)一步穩(wěn)定模型訓(xùn)練，減少過擬合。

具體來說，就是將真實訓(xùn)練樣本和生成的圖像的并集分成訓(xùn)練集和驗證集。

對于每個預(yù)訓(xùn)練的模型，訓(xùn)練一個邏輯線性判別器來分類樣本是來自真實樣本還是生成的，并在驗證分割上使用「負(fù)二元交叉熵?fù)p失」測量分布差距，并返回誤差最小的模型。

一個較低的驗證誤差與更高的線性探測精度相關(guān)，表明這些特征對于區(qū)分真實樣本和生成的樣本是有用的，使用這些特征可以為生成器提供更有用的反饋。

研究人員我們用FFHQ和LSUN CAT數(shù)據(jù)集的1000個訓(xùn)練樣本對GAN訓(xùn)練進(jìn)行了經(jīng)驗驗證。

結(jié)果顯示，用預(yù)訓(xùn)練模型訓(xùn)練的GAN具有更高的線性探測精度，一般來說，可以實現(xiàn)更好的FID指標(biāo)。

為了納入多個現(xiàn)成模型的反饋，文中還探索了兩種模型選擇和集成策略

1）K-fixed模型選擇策略，在訓(xùn)練開始時選擇K個最好的現(xiàn)成模型并訓(xùn)練直到收斂；

2）K-progressive模型選擇策略，在固定的迭代次數(shù)后迭代選擇并添加性能最佳且未使用的模型。

實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與K-fixed策略相比，progressive的方式具有更低的計算復(fù)雜度，也有助于選擇預(yù)訓(xùn)練的模型，從而捕捉到數(shù)據(jù)分布的不同。例如，通過progressive策略選擇的前兩個模型通常是一對自監(jiān)督和監(jiān)督模型。

文章中的實驗主要以progressive為主。

最終的訓(xùn)練算法首先訓(xùn)練一個具有標(biāo)準(zhǔn)對抗性損失的GAN。

給定一個基線生成器，可以使用線性探測搜索到最好的預(yù)訓(xùn)練模型，并在訓(xùn)練中引入損失目標(biāo)函數(shù)。

在K-progressive策略中，在訓(xùn)練了與可用的真實訓(xùn)練樣本數(shù)量成比例的固定迭代次數(shù)后，把一個新的視覺輔助判別器被添加到前一階段具有最佳訓(xùn)練集FID的快照中。

在訓(xùn)練過程中，通過水平翻轉(zhuǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)，并使用可微分的增強(qiáng)技術(shù)和單側(cè)標(biāo)簽平滑作為正則化項。

還可以觀察到，只使用現(xiàn)成的模型作為判別器會導(dǎo)致散度（divergence），而原始判別器和預(yù)訓(xùn)練模型的組合則可以改善這一情況。

最終實驗展示了在FFHQ、LSUN CAT和LSUN CHURCH數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練樣本從1k到10k變化時的結(jié)果。

在所有設(shè)置中，F(xiàn)ID都能獲得顯著提升，證明了該方法在有限數(shù)據(jù)場景中的有效性。

為了定性分析該方法和StyleGAN2-ADA之間的差異，根據(jù)兩個方法生成的樣本質(zhì)量來看，文中提出的新方法能夠提高最差樣本的質(zhì)量，特別是對于FFHQ和LSUN CAT

當(dāng)我們逐步增加下一個判別器時，可以看到線性探測對預(yù)訓(xùn)練模型的特征的準(zhǔn)確性在逐漸下降，也就是說生成器更強(qiáng)了。

總的來說，在只有1萬個訓(xùn)練樣本的情況下，該方法在LSUN CAT上的FID與在160萬張圖像上訓(xùn)練的StyleGAN2性能差不多。

而在完整的數(shù)據(jù)集上，該方法在LSUN的貓、教堂和馬的類別上提高了1.5到2倍的FID。

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作者Richard Zhang在加州大學(xué)伯克利分校獲得了博士學(xué)位，在康奈爾大學(xué)獲得了本科和碩士學(xué)位。主要研究興趣包括計算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、圖形和圖像處理，經(jīng)常通過實習(xí)或大學(xué)與學(xué)術(shù)研究人員合作。

作者Jun-Yan Zhu是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院的機(jī)器人學(xué)院的助理教授，同時在計算機(jī)科學(xué)系和機(jī)器學(xué)習(xí)部門任職，主要研究領(lǐng)域包括計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和計算攝影。

在加入CMU之前，他曾是Adobe Research的研究科學(xué)家。本科畢業(yè)于清華大學(xué)，博士畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校，然后在MIT CSAIL做博士后。

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