GAN 没有收敛。鉴别器损失不断增加

Question

我正在 mnist 数据集上制作一个简单的生成逆向网络。

这是我的实现：

import tensorflow as tf
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/",one_hot=True)

def noise(batch_size):
    return np.random.uniform(-1, 1, (batch_size, 100))

learning_rate = 0.001
batch_size = 128

input = tf.placeholder('float', [None, 100])
real_data = tf.placeholder('float', [None, 784])

def generator(x):
    weights = {
        'hl1' : tf.Variable(tf.random_normal([100, 200])),
        'ol'  : tf.Variable(tf.random_normal([200, 784]))
    }
    biases = {
        'hl1' : tf.Variable(tf.random_normal([200])),
        'ol'  : tf.Variable(tf.random_normal([784]))
    }

    hl1 = tf.add(tf.matmul(x, weights['hl1']), biases['hl1'])
    ol = tf.nn.sigmoid(tf.add(tf.matmul(hl1, weights['ol']), biases['ol']))

    return ol


def discriminator(x):
    weights = {
        'hl1' : tf.Variable(tf.random_normal([784, 200])),
        'ol'  : tf.Variable(tf.random_normal([200, 1]))
    }
    biases = {
        'hl1' : tf.Variable(tf.random_normal([200])),
        'ol'  : tf.Variable(tf.random_normal([1]))
    }

    hl1 = tf.add(tf.matmul(x, weights['hl1']), biases['hl1'])
    ol = tf.nn.sigmoid(tf.add(tf.matmul(hl1, weights['ol']), biases['ol']))

    return ol

with tf.variable_scope("G"):
    G = generator(input)

with tf.variable_scope("D"):
    D_real = discriminator(real_data)

with tf.variable_scope("D", reuse = True):
    D_gen = discriminator(G)

generator_parameters = [x for x in tf.trainable_variables() if x.name.startswith('G/')]
discriminator_parameters = [x for x in tf.trainable_variables() if x.name.startswith('D/')]

G_loss = tf.reduce_mean(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=D_gen, labels=tf.ones_like(D_gen)))
D_real_loss = tf.reduce_mean(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=D_real, labels=tf.ones_like(D_real)))
D_fake_loss = tf.reduce_mean(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=D_gen, labels=tf.zeros_like(D_gen)))
D_total_loss = tf.add(D_fake_loss, D_real_loss)

G_train = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(G_loss,var_list=generator_parameters)
D_train = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(D_total_loss,var_list=discriminator_parameters)

sess = tf.Session()
init = tf.global_variables_initializer()

sess.run(init)

loss_g_function = []
loss_d_function = []

for epoch in range(200):
    for iteratiion in range(int(len(mnist.train.images)/batch_size)):
        real_batch, _ = mnist.train.next_batch(batch_size)

        _, d_err = sess.run([D_train, D_total_loss], feed_dict = {real_data : real_batch, input : noise(batch_size)})
        _, g_err = sess.run([G_train, G_loss], feed_dict = {input : noise(batch_size)})

    print("Epoch = ", epoch)
    print("D_loss = ", d_err)
    print("G_loss = ", g_err)
    loss_g_function.append(g_err)
    loss_d_function.append(d_err)

# Visualizing
import matplotlib.pyplot as plt

test_noise = noise(1)

plt.subplot(2, 2, 1)
plt.plot(test_noise[0])
plt.title("Noise")
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.imshow(np.reshape(sess.run(G, feed_dict = {input : test_noise})[0], [28, 28]))
plt.title("Generated Image")
plt.subplot(2, 2, 3)
plt.plot(loss_d_function, 'r')
plt.xlabel("Epochs")
plt.ylabel("Discriminator Loss")
plt.title("D-Loss")
plt.subplot(2, 2, 4)
plt.plot(loss_g_function, 'b')
plt.xlabel("Epochs")
plt.ylabel("Generator Loss")
plt.title("G_Loss")
plt.show()

我试过lr = 0.001lr = 0.0001和lr = 0.00003。

这是我的结果：https://imgur.com/a/6KUnO1H

可能是什么原因？我的权重初始化是从正态分布中随机抽取的。另外，请检查损失函数，它们是否正确？

Answer 1

问题：

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只有一层：

hl1 = tf.add(tf.matmul(x, weights['hl1']), biases['hl1'])    
ol = tf.nn.sigmoid(tf.add(tf.matmul(hl1, weights['ol']), biases['ol']))

为鉴别器和生成器定义的上述网络没有为第一层定义激活。这实际上意味着网络只是一层：y = act(w2(x*w1+b1)+b2) = act(x*w+b)

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Sigmoid 应用了两次：

ol = tf.nn.sigmoid(tf.add(tf.matmul(hl1, weights['ol']) ...
D_real_loss = tf.reduce_mean(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(...)

如 cmets 中所述，激活应用了两次。

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权重初始化：

tf.Variable(tf.random_normal([784, 200]))

在 sigmoid 激活的情况下，如果权重很大，梯度会很小，这意味着权重实际上不会改变值。 （更大的 w + 非常小的 delta(w)）。可能是当我运行上述代码时，损失似乎没有太大变化的原因。最好采用行业最佳实践并使用以下内容：xavier_initializer()。

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动态范围不一致： generator 的输入在 [-1, 1] 的动态范围内，它乘以 [-1, 1] 的权重，但输出到 [0 1] 范围。这并没有错，一个bias可以学习映射输出范围。但最好使用激活层，它像tanh 一样输出 [-1, 1]，这样网络可以更快地学习。如果tanh 被用作generator 的激活，那么输入到descriminator 的图像需要缩放到[-1 1] 以保证训练的一致性。

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通过上述更改，您可以获得类似于：

上面的网络非常简单，输出质量不是很好。我故意不改变复杂性来找出一个简单的网络可以得到什么样的输出。

您可以构建更大的网络（包括 CNN）并尝试最近的 GAN 模型以获得更好的质量结果。

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上面的复现代码可以从here获取。