生成式對抗網路GAN

到目前為止，我們主要討論的目標都是找到一個可以預測答案的方程式，而不是生成獨一無二的東西。那生成式對抗網路的創造，就是為了這個目標而生。

Generator不同的點在於，輸入會額外加入一個機率分布simple Distribution Z，以產生一個隨機的輸出。

1. 這組Distribution Z必須夠簡單，像是高斯、uniform這類的機率分佈都是可以的。
2. 在每次有input時，都會搭配一個Z作為輸入。

為什麼需要輸出一個generator?

我們可以先從一個例子來了解，EX: 小精靈遊戲

假設要輸出一個小精靈遊戲的video prediction，如果我們的輸入同時有小精靈向左轉和向右轉的遊戲內容，那就有可能會發生到轉角處，小精靈分裂成兩隻的狀況，因為機器想兩面討好，但這樣的答案我們不能用 ， 所以要加入一個Z的機率分佈，讓向左轉向右轉呈現出機率分佈，只產生一組答案。

假設z為random variable → 這樣向左轉或向右轉各1/2的機率

當我們的任務需要一點創造力時，需要每次的答案都不同時，就可以利用generator。

Unconditional generation 

Unconditional具體來說就是將input X拿掉的generator。

我們實際以生成一張二次元圖片為目標作為一個例子。

假設我們的simple distribution Z為normal distribution，那我們的目標就是要透過generator生成複雜的distribution與高維的向量(像是64x64x3的向量)。

*Low-dim vector與 high-dim vector指的就是低維與高維的向量

Distriminator

那在GAN裡頭，除了generator之外，我們還要另外訓練Distriminator作為generator的監視者。負責判別從generator生成的二次元圖片是不是真的二次元圖片。

此時，generator與discriminator彼此就會互相砥礪。

generator的目標就是讓Discriminator判別不出來，Discriminator就是要想辦法判別那些是generator創造的。最後就能得到最好的Generator。

具體流程:

1. 初始化generator與discriminator。
2. 固定目前的Generator，丟入一堆隨機產生的向量，產生一堆圖片輸出。
3. 另外找一些真實的二次元圖片，將二次元圖片與generator產生的圖片輸出都丟進Discriminator判斷。
4. 訓練Discriminator判斷哪些是真實圖片，那些是generator的輸出。可以想像成訓練分類問題，或是當作Regression訓練。
5. 訓練完Discriminator後，改訓練generator，更新generator的參數，想辦法騙過Discriminator。
6. 反覆以上流程，就能得到最好的二次元圖片。

*generator訓練的過程與一般network無異，都是採用gradient Decent。

*在訓練的過程不一定只有一組generator或是discriminator，也有可能有好幾層的Generator與Discriminator。

那要如何判別我們training出來的Generator的好壞呢?

1. 我們直接透過眼睛判別
2. 從Generator產生的圖片，丟進image classification，如果分類集中度越高，就代表分類器分類得出來，就代表Generator越好。 → 但這種方法會被Mode collapse騙過去。

*Mode collapse是一種generator走偏門的現象，當generator發現discriminator的某個盲點，從此只產生固定的那幾張圖，藉此騙過discriminator的現象，就被稱為mode collapse。除此之外，還有另外一種現象稱為Mode dropping，指的是Generator在產出的圖片中，某些特徵都使用相同的，只為了讓Discriminator能夠判別過，像是人臉都一樣，這樣多樣性就很小。

最後在了解了unconditional Generation之後，我們就可以加入input X，變成conditional Generation。Input X就會變成我們生成圖片的條件，結合我們設定的簡單機率分布，生成圖片。

那目前大多使用的訓練方式，就是將GAN結合supervised learning的方式訓練，除了生成圖片外，也希望與我們的條件X越接近越好。

但在訓練過程中，如果有其中一方停下來，就會無法繼續訓練，這也導致GAN本身是非常難訓練的model。

除此之外，我們回過頭看，之前篇章聊到的Transformer中的Decoder其實也是一種Generator，可以算是GAN在sequence上的訓練。但同樣的，如果在訓練的過程中發現，Decoder輸出的distribution與實際圖片之間的差距很小，就很難使用gradient decent改善參數，那就會很難Train GAN。

為了解決這問題，就有人提出Pre-train的概念。這一部分就牽扯到的BERT與GPT的部分，等到下一篇，我們再來好好討論~

Cycle GAN

那前面我們訓練GAN的方式都是supervised learning，也就是有參考答案來比較。但如果我們完全沒有參考的output Y(unsupervised learning)的話呢？在這樣的情況下，Generator有可能只確保在Discriminator上拿到高分就好，那就可能導致Generator都只產生一樣的圖，或是用偏門的方式過關，這樣就達不到訓練的效果。

那解決的方式就是可以使用cycle GAN的方式training。

Cycle GAN 的原理就是除了原有的Generator1以外，我們還額外增加一個Generator2，用來將Generator1輸出的vector還原成原有的圖片Y。

接著我們將還原的圖片Y與原有的圖片X比較，目標是越接近越好。

額外增加的Generator2作為條件，就能限制Generator1往正確的訓練過程。

*不同的learning方式整理：

supervised: 一般來說我們需要有成對的X與Y，我們才能訓練Network。

semi-supervised: 我們有一堆X與一堆Y，有一些成對，有一些沒有成對。

unsupervised: 完全沒有成對的資料。

那以上就是GAN的知識整理，我們下一篇見～