GAN算法python

时间: 2023-07-10 13:03:19 浏览: 59
GAN(Generative Adversarial Networks)是一种深度学习算法,用于生成与训练数据类似的新数据。下面是使用Python实现GAN算法的步骤: 1. 导入必要的库和模块 ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import tensorflow as tf from tensorflow.keras import layers ``` 2. 定义生成器和判别器模型 生成器模型通常采用反卷积网络,用于从随机噪声中生成虚假的数据。判别器模型通常采用卷积网络,用于将真实数据和虚假数据区分开来。 ```python def make_generator_model(): model = tf.keras.Sequential() model.add(layers.Dense(7*7*256, use_bias=False, input_shape=(100,))) model.add(layers.BatchNormalization()) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Reshape((7, 7, 256))) assert model.output_shape == (None, 7, 7, 256) model.add(layers.Conv2DTranspose(128, (5, 5), strides=(1, 1), padding='same', use_bias=False)) assert model.output_shape == (None, 7, 7, 128) model.add(layers.BatchNormalization()) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Conv2DTranspose(64, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', use_bias=False)) assert model.output_shape == (None, 14, 14, 64) model.add(layers.BatchNormalization()) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Conv2DTranspose(1, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', use_bias=False, activation='tanh')) assert model.output_shape == (None, 28, 28, 1) return model def make_discriminator_model(): model = tf.keras.Sequential() model.add(layers.Conv2D(64, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', input_shape=[28, 28, 1])) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Dropout(0.3)) model.add(layers.Conv2D(128, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same')) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Dropout(0.3)) model.add(layers.Flatten()) model.add(layers.Dense(1)) return model ``` 3. 定义损失函数和优化器 在GAN中,生成器和判别器都有自己的损失函数和优化器。生成器的损失函数是生成的数据与训练数据之间的差异,判别器的损失函数是将真实数据分为正样本,将虚假数据分为负样本的能力。优化器采用Adam优化器。 ```python cross_entropy = tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True) def discriminator_loss(real_output, fake_output): real_loss = cross_entropy(tf.ones_like(real_output), real_output) fake_loss = cross_entropy(tf.zeros_like(fake_output), fake_output) total_loss = real_loss + fake_loss return total_loss def generator_loss(fake_output): return cross_entropy(tf.ones_like(fake_output), fake_output) generator_optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(1e-4) discriminator_optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(1e-4) ``` 4. 训练模型 在训练过程中,生成器生成虚假数据,判别器将真实数据和虚假数据进行分类。生成器和判别器分别进行反向传播,优化自己的参数。 ```python @tf.function def train_step(images): noise = tf.random.normal([BATCH_SIZE, 100]) with tf.GradientTape() as gen_tape, tf.GradientTape() as disc_tape: generated_images = generator(noise, training=True) real_output = discriminator(images, training=True) fake_output = discriminator(generated_images, training=True) gen_loss = generator_loss(fake_output) disc_loss = discriminator_loss(real_output, fake_output) gradients_of_generator = gen_tape.gradient(gen_loss, generator.trainable_variables) gradients_of_discriminator = disc_tape.gradient(disc_loss, discriminator.trainable_variables) generator_optimizer.apply_gradients(zip(gradients_of_generator, generator.trainable_variables)) discriminator_optimizer.apply_gradients(zip(gradients_of_discriminator, discriminator.trainable_variables)) ``` 5. 生成新数据 训练完成后,可以使用生成器生成新的虚假数据。 ```python def generate_and_save_images(model, epoch, test_input): predictions = model(test_input, training=False) fig = plt.figure(figsize=(4, 4)) for i in range(predictions.shape[0]): plt.subplot(4, 4, i+1) plt.imshow(predictions[i, :, :, 0] * 127.5 + 127.5, cmap='gray') plt.axis('off') plt.savefig('image_at_epoch_{:04d}.png'.format(epoch)) plt.show() ``` 完整的代码如下: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import tensorflow as tf from tensorflow.keras import layers # 定义生成器模型 def make_generator_model(): model = tf.keras.Sequential() model.add(layers.Dense(7*7*256, use_bias=False, input_shape=(100,))) model.add(layers.BatchNormalization()) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Reshape((7, 7, 256))) assert model.output_shape == (None, 7, 7, 256) model.add(layers.Conv2DTranspose(128, (5, 5), strides=(1, 1), padding='same', use_bias=False)) assert model.output_shape == (None, 7, 7, 128) model.add(layers.BatchNormalization()) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Conv2DTranspose(64, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', use_bias=False)) assert model.output_shape == (None, 14, 14, 64) model.add(layers.BatchNormalization()) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Conv2DTranspose(1, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', use_bias=False, activation='tanh')) assert model.output_shape == (None, 28, 28, 1) return model # 定义判别器模型 def make_discriminator_model(): model = tf.keras.Sequential() model.add(layers.Conv2D(64, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', input_shape=[28, 28, 1])) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Dropout(0.3)) model.add(layers.Conv2D(128, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same')) model.add(layers.LeakyReLU()) model.add(layers.Dropout(0.3)) model.add(layers.Flatten()) model.add(layers.Dense(1)) return model # 定义损失函数和优化器 cross_entropy = tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True) def discriminator_loss(real_output, fake_output): real_loss = cross_entropy(tf.ones_like(real_output), real_output) fake_loss = cross_entropy(tf.zeros_like(fake_output), fake_output) total_loss = real_loss + fake_loss return total_loss def generator_loss(fake_output): return cross_entropy(tf.ones_like(fake_output), fake_output) generator_optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(1e-4) discriminator_optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(1e-4) # 定义训练函数 @tf.function def train_step(images): noise = tf.random.normal([BATCH_SIZE, 100]) with tf.GradientTape() as gen_tape, tf.GradientTape() as disc_tape: generated_images = generator(noise, training=True) real_output = discriminator(images, training=True) fake_output = discriminator(generated_images, training=True) gen_loss = generator_loss(fake_output) disc_loss = discriminator_loss(real_output, fake_output) gradients_of_generator = gen_tape.gradient(gen_loss, generator.trainable_variables) gradients_of_discriminator = disc_tape.gradient(disc_loss, discriminator.trainable_variables) generator_optimizer.apply_gradients(zip(gradients_of_generator, generator.trainable_variables)) discriminator_optimizer.apply_gradients(zip(gradients_of_discriminator, discriminator.trainable_variables)) # 定义生成新数据函数 def generate_and_save_images(model, epoch, test_input): predictions = model(test_input, training=False) fig = plt.figure(figsize=(4, 4)) for i in range(predictions.shape[0]): plt.subplot(4, 4, i+1) plt.imshow(predictions[i, :, :, 0] * 127.5 + 127.5, cmap='gray') plt.axis('off') plt.savefig('image_at_epoch_{:04d}.png'.format(epoch)) plt.show() # 加载MNIST数据集 (train_images, train_labels), (_, _) = tf.keras.datasets.mnist.load_data() train_images = train_images.reshape(train_images.shape[0], 28, 28, 1).astype('float32') train_images = (train_images - 127.5) / 127.5 # 将像素值标准化到[-1, 1]之间 BUFFER_SIZE = 60000 BATCH_SIZE = 256 train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(train_images).shuffle(BUFFER_SIZE).batch(BATCH_SIZE) # 训练模型 generator = make_generator_model() discriminator = make_discriminator_model() EPOCHS = 50 noise_dim = 100 num_examples_to_generate = 16 seed = tf.random.normal([num_examples_to_generate, noise_dim]) for epoch in range(EPOCHS): for image_batch in train_dataset: train_step(image_batch) if epoch % 15 == 0: generate_and_save_images(generator, epoch + 1, seed) ``` 在训练过程中,生成的虚假数据逐渐接近真实数据。训练完成后,可以使用生成器生成新的虚假数据。

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