基于百度飞浆的InfoGAN算法实现

InfoGAN是一种生成式对抗网络（GAN）的变体，它利用信息理论来学习数据的隐含表示。InfoGAN同时学习了生成器和判别器，以及一组连续和离散变量，这些变量用于控制生成器生成的图像的特征。在这个项目中，我们将使用百度飞浆实现InfoGAN算法。

首先，我们需要导入必要的库和模块：

import paddle
import paddle.fluid as fluid
import numpy as np
import os
import matplotlib.pyplot as plt

接下来，我们定义一些常量和超参数：

BATCH_SIZE = 128
EPOCH_NUM = 50
NOISE_DIM = 62
CAT_DIM = 10
CONT_DIM = 2
LR = 0.0002
BETA1 = 0.5
BETA2 = 0.999

其中，BATCH_SIZE是批大小，EPOCH_NUM是训练轮数，NOISE_DIM是噪声维度，CAT_DIM是离散变量的数量，CONT_DIM是连续变量的数量，LR是学习率，BETA1和BETA2是Adam优化器的超参数。

接下来，我们定义生成器和判别器网络：

def generator(noise, cat, cont):
    noise_cat_cont = fluid.layers.concat([noise, cat, cont], axis=1)
    fc1 = fluid.layers.fc(noise_cat_cont, size=1024)
    bn1 = fluid.layers.batch_norm(fc1, act='relu')
    fc2 = fluid.layers.fc(bn1, size=128 * 7 * 7)
    bn2 = fluid.layers.batch_norm(fc2, act='relu')
    reshape = fluid.layers.reshape(bn2, shape=(-1, 128, 7, 7))
    conv1 = fluid.layers.conv2d_transpose(reshape, num_filters=64, filter_size=4, stride=2, padding=1)
    bn3 = fluid.layers.batch_norm(conv1, act='relu')
    conv2 = fluid.layers.conv2d_transpose(bn3, num_filters=1, filter_size=4, stride=2, padding=1, act='sigmoid')
    return conv2

def discriminator(img, cat, cont):
    conv1 = fluid.layers.conv2d(img, num_filters=64, filter_size=4, stride=2, padding=1, act='leaky_relu')
    conv2 = fluid.layers.conv2d(conv1, num_filters=128, filter_size=4, stride=2, padding=1, act='leaky_relu')
    reshape = fluid.layers.reshape(conv2, shape=(-1, 128 * 7 * 7))
    cat_cont = fluid.layers.concat([cat, cont], axis=1)
    cat_cont_expand = fluid.layers.expand(cat_cont, expand_times=(0, 128 * 7 * 7))
    concat = fluid.layers.concat([reshape, cat_cont_expand], axis=1)
    fc1 = fluid.layers.fc(concat, size=1024, act='leaky_relu')
    fc2 = fluid.layers.fc(fc1, size=1)
    return fc2

在生成器中，我们将噪声、离散变量和连续变量连接起来，经过两个全连接层和两个反卷积层后生成图像。在判别器中，我们将图像、离散变量和连续变量连接起来，经过两个卷积层和两个全连接层后输出判别结果。

接下来，我们定义损失函数和优化器：

noise = fluid.layers.data(name='noise', shape=[NOISE_DIM], dtype='float32')
cat = fluid.layers.data(name='cat', shape=[CAT_DIM], dtype='int64')
cont = fluid.layers.data(name='cont', shape=[CONT_DIM], dtype='float32')
real_img = fluid.layers.data(name='real_img', shape=[1, 28, 28], dtype='float32')

fake_img = generator(noise, cat, cont)
d_real = discriminator(real_img, cat, cont)
d_fake = discriminator(fake_img, cat, cont)

loss_d_real = fluid.layers.sigmoid_cross_entropy_with_logits(d_real, fluid.layers.fill_constant_batch_size_like(d_real, shape=[BATCH_SIZE, 1], value=1.0))
loss_d_fake = fluid.layers.sigmoid_cross_entropy_with_logits(d_fake, fluid.layers.fill_constant_batch_size_like(d_fake, shape=[BATCH_SIZE, 1], value=0.0))
loss_d = fluid.layers.mean(loss_d_real + loss_d_fake)

loss_g_fake = fluid.layers.sigmoid_cross_entropy_with_logits(d_fake, fluid.layers.fill_constant_batch_size_like(d_fake, shape=[BATCH_SIZE, 1], value=1.0))
loss_g = fluid.layers.mean(loss_g_fake)

opt_d = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=LR, beta1=BETA1, beta2=BETA2)
opt_g = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=LR, beta1=BETA1, beta2=BETA2)
opt_d.minimize(loss_d)
opt_g.minimize(loss_g)

在损失函数中，我们使用二元交叉熵损失函数，其中对于判别器，真实图像的标签为1，生成图像的标签为0；对于生成器，生成图像的标签为1。我们使用Adam优化器来训练模型。

接下来，我们定义训练过程：

train_reader = paddle.batch(
    paddle.reader.shuffle(
        paddle.dataset.mnist.train(), buf_size=500
    ),
    batch_size=BATCH_SIZE
)

place = fluid.CUDAPlace(0) if fluid.core.is_compiled_with_cuda() else fluid.CPUPlace()
exe = fluid.Executor(place)
exe.run(fluid.default_startup_program())

for epoch_id in range(EPOCH_NUM):
    for batch_id, data in enumerate(train_reader()):
        noise_data = np.random.uniform(-1.0, 1.0, size=[BATCH_SIZE, NOISE_DIM]).astype('float32')
        cat_data = np.random.randint(low=0, high=10, size=[BATCH_SIZE, CAT_DIM]).astype('int64')
        cont_data = np.random.uniform(-1.0, 1.0, size=[BATCH_SIZE, CONT_DIM]).astype('float32')
        real_img_data = np.array([x[0].reshape([1, 28, 28]) for x in data]).astype('float32')

        d_loss, g_loss = exe.run(
            fluid.default_main_program(),
            feed={'noise': noise_data, 'cat': cat_data, 'cont': cont_data, 'real_img': real_img_data},
            fetch_list=[loss_d, loss_g]
        )

        if batch_id % 100 == 0:
            print("Epoch %d, Batch %d, D Loss: %f, G Loss: %f" % (epoch_id, batch_id, d_loss[0], g_loss[0]))

        if batch_id % 500 == 0:
            fake_img_data = exe.run(
                fluid.default_main_program(),
                feed={'noise': noise_data[:16], 'cat': cat_data[:16], 'cont': cont_data[:16]},
                fetch_list=[fake_img]
            )[0]

            fig, axes = plt.subplots(nrows=4, ncols=4, figsize=(8, 8))
            for i, ax in enumerate(axes.flatten()):
                img = fake_img_data[i][0]
                ax.imshow(img, cmap='gray')
                ax.axis('off')
            plt.show()

我们使用MNIST数据集进行训练，每次迭代从数据集中随机采样一个批次的数据。在每个迭代中，我们生成噪声、离散变量和连续变量，使用生成器生成图像，并对生成的图像和真实图像进行判别。根据损失函数计算判别器和生成器的损失，并使用Adam优化器更新网络参数。

每训练500个批次，我们使用生成器生成16张图像进行可视化。最后，我们输出生成的图像和训练过程中的损失。

完整代码如下：