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Pytorch使用MNIST數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)CGAN和生成指定的數(shù)字方式

 更新時(shí)間:2020年01月10日 09:58:04   作者:shiheyingzhe  
今天小編就為大家分享一篇Pytorch使用MNIST數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)CGAN和生成指定的數(shù)字方式,具有很好的參考價(jià)值,希望對(duì)大家有所幫助。一起跟隨小編過(guò)來(lái)看看吧

CGAN的全拼是Conditional Generative Adversarial Networks,條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò),在初始GAN的基礎(chǔ)上增加了圖片的相應(yīng)信息。

這里用傳統(tǒng)的卷積方式實(shí)現(xiàn)CGAN。

import torch
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.datasets import MNIST
from torchvision import transforms
from torch import optim
import torch.nn as nn
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from torch.autograd import Variable
import pickle
import copy
 
import matplotlib.gridspec as gridspec
import os
 
def save_model(model, filename): #保存為CPU中可以打開(kāi)的模型
 state = model.state_dict()
 x=state.copy()
 for key in x: 
  x[key] = x[key].clone().cpu()
 torch.save(x, filename)
 
def showimg(images,count):
 images=images.to('cpu')
 images=images.detach().numpy()
 images=images[[6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 54, 60, 66, 72, 78, 84, 90, 96]]
 images=255*(0.5*images+0.5)
 images = images.astype(np.uint8)
 grid_length=int(np.ceil(np.sqrt(images.shape[0])))
 plt.figure(figsize=(4,4))
 width = images.shape[2]
 gs = gridspec.GridSpec(grid_length,grid_length,wspace=0,hspace=0)
 for i, img in enumerate(images):
  ax = plt.subplot(gs[i])
  ax.set_xticklabels([])
  ax.set_yticklabels([])
  ax.set_aspect('equal')
  plt.imshow(img.reshape(width,width),cmap = plt.cm.gray)
  plt.axis('off')
  plt.tight_layout()
#  plt.tight_layout()
 plt.savefig(r'./CGAN/images/%d.png'% count, bbox_inches='tight')
 
def loadMNIST(batch_size): #MNIST圖片的大小是28*28
 trans_img=transforms.Compose([transforms.ToTensor()])
 trainset=MNIST('./data',train=True,transform=trans_img,download=True)
 testset=MNIST('./data',train=False,transform=trans_img,download=True)
 # device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 trainloader=DataLoader(trainset,batch_size=batch_size,shuffle=True,num_workers=10)
 testloader = DataLoader(testset, batch_size=batch_size, shuffle=False, num_workers=10)
 return trainset,testset,trainloader,testloader
 
class discriminator(nn.Module):
 def __init__(self):
  super(discriminator,self).__init__()
  self.dis=nn.Sequential(
   nn.Conv2d(1,32,5,stride=1,padding=2),
   nn.LeakyReLU(0.2,True),
   nn.MaxPool2d((2,2)),
 
   nn.Conv2d(32,64,5,stride=1,padding=2),
   nn.LeakyReLU(0.2,True),
   nn.MaxPool2d((2,2))
  )
  self.fc=nn.Sequential(
   nn.Linear(7 * 7 * 64, 1024),
   nn.LeakyReLU(0.2, True),
   nn.Linear(1024, 10),
   nn.Sigmoid()
  )
 def forward(self, x):
  x=self.dis(x)
  x=x.view(x.size(0),-1)
  x=self.fc(x)
  return x
 
class generator(nn.Module):
 def __init__(self,input_size,num_feature):
  super(generator,self).__init__()
  self.fc=nn.Linear(input_size,num_feature) #1*56*56
  self.br=nn.Sequential(
   nn.BatchNorm2d(1),
   nn.ReLU(True)
  )
  self.gen=nn.Sequential(
   nn.Conv2d(1,50,3,stride=1,padding=1),
   nn.BatchNorm2d(50),
   nn.ReLU(True),
 
   nn.Conv2d(50,25,3,stride=1,padding=1),
   nn.BatchNorm2d(25),
   nn.ReLU(True),
 
   nn.Conv2d(25,1,2,stride=2),
   nn.Tanh()
  )
 def forward(self, x):
  x=self.fc(x)
  x=x.view(x.size(0),1,56,56)
  x=self.br(x)
  x=self.gen(x)
  return x
 
if __name__=="__main__":
 criterion=nn.BCELoss()
 num_img=100
 z_dimension=110
 D=discriminator()
 G=generator(z_dimension,3136) #1*56*56
 trainset, testset, trainloader, testloader = loadMNIST(num_img) # data
 D=D.cuda()
 G=G.cuda()
 d_optimizer=optim.Adam(D.parameters(),lr=0.0003)
 g_optimizer=optim.Adam(G.parameters(),lr=0.0003)
 '''
 交替訓(xùn)練的方式訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)
 先訓(xùn)練判別器網(wǎng)絡(luò)D再訓(xùn)練生成器網(wǎng)絡(luò)G
 不同網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練次數(shù)是超參數(shù)
 也可以兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練相同的次數(shù),
 這樣就可以不用分別訓(xùn)練兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)
 '''
 count=0
 #鑒別器D的訓(xùn)練,固定G的參數(shù)
 epoch = 119
 gepoch = 1
 for i in range(epoch):
  for (img, label) in trainloader:
   labels_onehot = np.zeros((num_img,10))
   labels_onehot[np.arange(num_img),label.numpy()]=1
#    img=img.view(num_img,-1)
#    img=np.concatenate((img.numpy(),labels_onehot))
#    img=torch.from_numpy(img)
   img=Variable(img).cuda()
   real_label=Variable(torch.from_numpy(labels_onehot).float()).cuda()#真實(shí)label為1
   fake_label=Variable(torch.zeros(num_img,10)).cuda()#假的label為0
 
   #compute loss of real_img
   real_out=D(img) #真實(shí)圖片送入判別器D輸出0~1
   d_loss_real=criterion(real_out,real_label)#得到loss
   real_scores=real_out#真實(shí)圖片放入判別器輸出越接近1越好
 
   #compute loss of fake_img
   z=Variable(torch.randn(num_img,z_dimension)).cuda()#隨機(jī)生成向量
   fake_img=G(z)#將向量放入生成網(wǎng)絡(luò)G生成一張圖片
   fake_out=D(fake_img)#判別器判斷假的圖片
   d_loss_fake=criterion(fake_out,fake_label)#假的圖片的loss
   fake_scores=fake_out#假的圖片放入判別器輸出越接近0越好
 
   #D bp and optimize
   d_loss=d_loss_real+d_loss_fake
   d_optimizer.zero_grad() #判別器D的梯度歸零
   d_loss.backward() #反向傳播
   d_optimizer.step() #更新判別器D參數(shù)
 
   #生成器G的訓(xùn)練compute loss of fake_img
   for j in range(gepoch):
    z =torch.randn(num_img, 100) # 隨機(jī)生成向量
    z=np.concatenate((z.numpy(),labels_onehot),axis=1)
    z=Variable(torch.from_numpy(z).float()).cuda()
    fake_img = G(z) # 將向量放入生成網(wǎng)絡(luò)G生成一張圖片
    output = D(fake_img) # 經(jīng)過(guò)判別器得到結(jié)果
    g_loss = criterion(output, real_label)#得到假的圖片與真實(shí)標(biāo)簽的loss
    #bp and optimize
    g_optimizer.zero_grad() #生成器G的梯度歸零
    g_loss.backward() #反向傳播
    g_optimizer.step()#更新生成器G參數(shù)
    temp=real_label
  if (i%10==0) and (i!=0):
   print(i)
   torch.save(G.state_dict(),r'./CGAN/Generator_cuda_%d.pkl'%i)
   torch.save(D.state_dict(), r'./CGAN/Discriminator_cuda_%d.pkl' % i)
   save_model(G, r'./CGAN/Generator_cpu_%d.pkl'%i) #保存為CPU中可以打開(kāi)的模型
   save_model(D, r'./CGAN/Discriminator_cpu_%d.pkl'%i) #保存為CPU中可以打開(kāi)的模型
  print('Epoch [{}/{}], d_loss: {:.6f}, g_loss: {:.6f} '
     'D real: {:.6f}, D fake: {:.6f}'.format(
    i, epoch, d_loss.data[0], g_loss.data[0],
    real_scores.data.mean(), fake_scores.data.mean()))
  temp=temp.to('cpu')
  _,x=torch.max(temp,1)
  x=x.numpy()
  print(x[[6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 54, 60, 66, 72, 78, 84, 90, 96]])
  showimg(fake_img,count)
  plt.show()
  count += 1

和基礎(chǔ)GAN Pytorch使用MNIST數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)GAN 里面的卷積版網(wǎng)絡(luò)比較起來(lái),這里修改的主要是這幾個(gè)地方:

生成網(wǎng)絡(luò)的輸入值增加了真實(shí)圖片的類標(biāo)簽,生成網(wǎng)絡(luò)的初始向量z_dimension之前用的是100維,由于MNIST有10類,Onehot以后一張圖片的類標(biāo)簽是10維,所以將類標(biāo)簽放在后面z_dimension=100+10=110維;

訓(xùn)練生成器的時(shí)候,由于生成網(wǎng)絡(luò)的輸入向量z_dimension=110維,而且是100維隨機(jī)向量和10維真實(shí)圖片標(biāo)簽拼接,需要做相應(yīng)的拼接操作;

z =torch.randn(num_img, 100) # 隨機(jī)生成向量
z=np.concatenate((z.numpy(),labels_onehot),axis=1)
z=Variable(torch.from_numpy(z).float()).cuda()

由于計(jì)算Loss和生成網(wǎng)絡(luò)的輸入向量都需要用到真實(shí)圖片的類標(biāo)簽,需要重新生成real_label,對(duì)label進(jìn)行onehot。其中real_label就是真實(shí)圖片的標(biāo)簽,當(dāng)num_img=100時(shí),real_label的維度是(100,10);

labels_onehot = np.zeros((num_img,10))
labels_onehot[np.arange(num_img),label.numpy()]=1
img=Variable(img).cuda()
real_label=Variable(torch.from_numpy(labels_onehot).float()).cuda()#真實(shí)label為1
fake_label=Variable(torch.zeros(num_img,10)).cuda()#假的label為0

real_label的維度是(100,10),計(jì)算Loss的時(shí)候也要有對(duì)應(yīng)的維度,判別網(wǎng)絡(luò)的輸出也不再是標(biāo)量,而是要修改為10維;

nn.Linear(1024, 10)

在輸出圖片的同時(shí)輸出期望的類標(biāo)簽。

temp=temp.to('cpu')
_,x=torch.max(temp,1)#返回值有兩個(gè),第一個(gè)是按列的最大值,第二個(gè)是相應(yīng)最大值的列標(biāo)號(hào)
x=x.numpy()
print(x[[6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 54, 60, 66, 72, 78, 84, 90, 96]])

epoch等于0、25、50、75、100時(shí)訓(xùn)練的結(jié)果:

可以看到訓(xùn)練到后面圖像反而變模糊可能是訓(xùn)練過(guò)擬合

用模型生成指定的數(shù)字:

在訓(xùn)練的過(guò)程中保存了訓(xùn)練好的模型,根據(jù)輸出圖片的清晰度,用清晰度較高的模型,使用隨機(jī)向量和10維類標(biāo)簽來(lái)指定生成的數(shù)字。

import torch
import torch.nn as nn
import pickle
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.gridspec as gridspec
 
num_img=9
class discriminator(nn.Module):
 def __init__(self):
  super(discriminator, self).__init__()
  self.dis = nn.Sequential(
   nn.Conv2d(1, 32, 5, stride=1, padding=2),
   nn.LeakyReLU(0.2, True),
   nn.MaxPool2d((2, 2)),
 
   nn.Conv2d(32, 64, 5, stride=1, padding=2),
   nn.LeakyReLU(0.2, True),
   nn.MaxPool2d((2, 2))
  )
  self.fc = nn.Sequential(
   nn.Linear(7 * 7 * 64, 1024),
   nn.LeakyReLU(0.2, True),
   nn.Linear(1024, 10),
   nn.Sigmoid()
  )
 
 def forward(self, x):
  x = self.dis(x)
  x = x.view(x.size(0), -1)
  x = self.fc(x)
  return x
 
 
class generator(nn.Module):
 def __init__(self, input_size, num_feature):
  super(generator, self).__init__()
  self.fc = nn.Linear(input_size, num_feature) # 1*56*56
  self.br = nn.Sequential(
   nn.BatchNorm2d(1),
   nn.ReLU(True)
  )
  self.gen = nn.Sequential(
   nn.Conv2d(1, 50, 3, stride=1, padding=1),
   nn.BatchNorm2d(50),
   nn.ReLU(True),
 
   nn.Conv2d(50, 25, 3, stride=1, padding=1),
   nn.BatchNorm2d(25),
   nn.ReLU(True),
 
   nn.Conv2d(25, 1, 2, stride=2),
   nn.Tanh()
  )
 
 def forward(self, x):
  x = self.fc(x)
  x = x.view(x.size(0), 1, 56, 56)
  x = self.br(x)
  x = self.gen(x)
  return x
 
 
def show(images):
 images = images.detach().numpy()
 images = 255 * (0.5 * images + 0.5)
 images = images.astype(np.uint8)
 plt.figure(figsize=(4, 4))
 width = images.shape[2]
 gs = gridspec.GridSpec(1, num_img, wspace=0, hspace=0)
 for i, img in enumerate(images):
  ax = plt.subplot(gs[i])
  ax.set_xticklabels([])
  ax.set_yticklabels([])
  ax.set_aspect('equal')
  plt.imshow(img.reshape(width, width), cmap=plt.cm.gray)
  plt.axis('off')
  plt.tight_layout()
 plt.tight_layout()
 # plt.savefig(r'drive/深度學(xué)習(xí)/DCGAN/images/%d.png' % count, bbox_inches='tight')
 return width
 
def show_all(images_all):
 x=images_all[0]
 for i in range(1,len(images_all),1):
  x=np.concatenate((x,images_all[i]),0)
 print(x.shape)
 x = 255 * (0.5 * x + 0.5)
 x = x.astype(np.uint8)
 plt.figure(figsize=(9, 10))
 width = x.shape[2]
 gs = gridspec.GridSpec(10, num_img, wspace=0, hspace=0)
 for i, img in enumerate(x):
  ax = plt.subplot(gs[i])
  ax.set_xticklabels([])
  ax.set_yticklabels([])
  ax.set_aspect('equal')
  plt.imshow(img.reshape(width, width), cmap=plt.cm.gray)
  plt.axis('off')
  plt.tight_layout()
 
 
 # 導(dǎo)入相應(yīng)的模型
z_dimension = 110
D = discriminator()
G = generator(z_dimension, 3136) # 1*56*56
D.load_state_dict(torch.load(r'./CGAN/Discriminator.pkl'))
G.load_state_dict(torch.load(r'./CGAN/Generator.pkl'))
# 依次生成0到9
lis=[]
for i in range(10):
 z = torch.randn((num_img, 100)) # 隨機(jī)生成向量
 x=np.zeros((num_img,10))
 x[:,i]=1
 z = np.concatenate((z.numpy(), x),1)
 z = torch.from_numpy(z).float()
 fake_img = G(z) # 將向量放入生成網(wǎng)絡(luò)G生成一張圖片
 lis.append(fake_img.detach().numpy())
 output = D(fake_img) # 經(jīng)過(guò)判別器得到結(jié)果
 show(fake_img)
 plt.savefig('./CGAN/generator/%d.png' % i, bbox_inches='tight')
 
show_all(lis)
plt.savefig('./CGAN/generator/all.png', bbox_inches='tight')
plt.show()

生成的結(jié)果是:

以上這篇Pytorch使用MNIST數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)CGAN和生成指定的數(shù)字方式就是小編分享給大家的全部?jī)?nèi)容了,希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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