譯者 | 李睿

審校 | 重樓

事實(shí)上，生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）是人工智能領(lǐng)域中令人矚目的應(yīng)用之一。GAN風(fēng)靡全球，憑借生成逼真的圖像、深度偽造（Deepfake）視頻、人工智能生成的藝術(shù)作品，甚至合成的生物數(shù)據(jù)，其能力讓人們驚嘆不已。但是GAN也有不為人知的秘密，這是工程師、人工智能愛(ài)好者和研究人員多年來(lái)面臨的一個(gè)難題：模式崩潰。

如果你以前訓(xùn)練過(guò)GAN，那么就體會(huì)過(guò)其非凡的魅力。比如見(jiàn)證模型進(jìn)化，完善功能，并創(chuàng)造越來(lái)越逼真的對(duì)象——這真是令人興奮！但這種情況發(fā)生了一些變化，GAN不再生成多樣化的輸出，而是開始重復(fù)生成幾乎難以區(qū)分的同一類物體的變體。就像讓GAN生成形態(tài)各異的貓，但它卻總是一次又一次地展示出同一只黑貓，這有些令人哭笑不得。

為什么會(huì)這樣? 到底發(fā)生了什么？真的能解決這個(gè)問(wèn)題嗎？

在模式崩潰期間會(huì)發(fā)生什么？

從根本上來(lái)說(shuō)，什么是模式崩潰？為什么GAN這個(gè)具有如此巨大潛力的模型會(huì)崩潰，并拒絕生成多樣化的數(shù)據(jù)？

在GAN框架中，有兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：生成器和鑒別器。生成器將隨機(jī)噪聲作為輸入，并嘗試生成假數(shù)據(jù)（例如圖像或文本），而鑒別器則負(fù)責(zé)區(qū)分真實(shí)數(shù)據(jù)和生成器生成的假合成數(shù)據(jù)。如果生成器成功欺騙了鑒別器，就是生成器的勝利。如果鑒別器識(shí)別出假數(shù)據(jù)，那就是鑒別器的勝利。這是一個(gè)雙方參與的“對(duì)抗”游戲。

在理論上，隨著時(shí)間的推移，生成器應(yīng)該能夠創(chuàng)建出越來(lái)越逼真并且多樣化的樣本，捕捉到真實(shí)數(shù)據(jù)分布（稱為“模式”）中的所有微妙變化。但在實(shí)際操作中，這種平衡往往會(huì)失控。生成器找到了一條捷徑，通常是通過(guò)生成一些樣本能夠很好地欺騙鑒別器。其結(jié)果如何？生成器從有限的輸出集中采樣，而沒(méi)有捕獲真實(shí)數(shù)據(jù)中存在的所有潛在變化。

從形式上來(lái)說(shuō)，當(dāng)生成器將許多潛在空間點(diǎn)（應(yīng)該對(duì)應(yīng)多樣化的輸出）映射到僅包含少數(shù)（已經(jīng)崩潰）輸出的子集時(shí)，就會(huì)發(fā)生模式崩潰。所以，生成器不會(huì)合成不同類型的圖像，例如不同品種的狗，而是認(rèn)為：“這張哈巴狗的圖像曾經(jīng)奏效！我會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)哈巴狗的圖像。”這對(duì)哈巴狗愛(ài)好者來(lái)說(shuō)很酷；但對(duì)于希望生成拉布拉多犬或吉娃娃的人來(lái)說(shuō)，那就令人失望了。

為什么會(huì)出現(xiàn)模式崩潰？

我們從技術(shù)層面更深入地探討，因?yàn)榱私鈫?wèn)題的根源是直面并解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

問(wèn)題的根源在于GAN如何優(yōu)化其生成器的分布。需要記住，生成器和鑒別器之間的對(duì)抗游戲是基于最小化Jensen-Shannon（JS）散度的。這是一種復(fù)雜的說(shuō)法，GAN試圖將真實(shí)數(shù)據(jù)分布和虛假（生成）數(shù)據(jù)分布之間的距離最小化。JS散度之所以被廣泛使用，是因?yàn)樗藰O端的不平衡，但關(guān)鍵問(wèn)題在于：當(dāng)真實(shí)數(shù)據(jù)和生成的數(shù)據(jù)分布差異太大時(shí)，梯度就會(huì)停止流動(dòng)。

可以這樣想：當(dāng)鑒別器在區(qū)分真實(shí)與虛假方面變得過(guò)于出色時(shí)，生成器收到的有關(guān)如何改進(jìn)的反饋就會(huì)太少。其結(jié)果如何?生成器利用它可以精確再現(xiàn)的少數(shù)模式——通常會(huì)會(huì)陷入一組狹窄的輸出集合中，這些輸出足以欺騙鑒別器。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，GAN的優(yōu)化游戲陷入了一個(gè)局部最小值。

而且，這不僅僅是JS散度的問(wèn)題。KL散度也有其自身的問(wèn)題。如果真實(shí)分布中的一個(gè)模式在生成的樣本中缺失（想象GAN從未生成白貓的圖片）那么，KL散度最終將趨于無(wú)窮大。這只會(huì)讓事情變得更糟，因?yàn)楫?dāng)模型“試圖優(yōu)化”這個(gè)散度時(shí)，它已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)沒(méi)有什么可優(yōu)化的地步。它徹底崩潰了。

Wasserstein GAN：一個(gè)具有發(fā)展前景的解決方案？

那么應(yīng)該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？

人工智能領(lǐng)域引入的一種創(chuàng)新方法——Wasserstein GANs（WGANs）引起了廣泛討論。WGAN沒(méi)有使用JS散度，而是用Earth Mover’s Distance（或Wasserstein Distance）取而代之。這衡量的是將一個(gè)分布轉(zhuǎn)換為另一個(gè)分布所需的成本。

真正令人興奮的是，與JS散度不同，即使生成器的分布和實(shí)際數(shù)據(jù)分布相距甚遠(yuǎn)，Wasserstein距離也能給出有意義的梯度。這意味著，在訓(xùn)練過(guò)程中，生成器會(huì)獲得連續(xù)并且有用的反饋，指導(dǎo)它如何逐步調(diào)整其分布以更好地匹配真實(shí)數(shù)據(jù)，從而傾向于學(xué)習(xí)更平滑、更多樣化的表示。

但是，事情不可能這么簡(jiǎn)單。

盡管WGAN確實(shí)可以提供幫助，但并不是靈丹妙藥。WGAN最初面臨的一個(gè)問(wèn)題是，為了確保評(píng)論家（接替鑒別器的角色）表現(xiàn)良好，必須削減權(quán)重，這導(dǎo)致了優(yōu)化方面的問(wèn)題。因此出現(xiàn)了一個(gè)名為WGAN-GP（帶有梯度懲罰的Wasserstein GAN）的升級(jí)版本，它通過(guò)懲罰梯度而不是削減權(quán)重，以更平滑的方式強(qiáng)制執(zhí)行Lipschitz連續(xù)性約束。

簡(jiǎn)而言之：Wasserstein GAN在許多情況下能緩解模式崩潰問(wèn)題，但在面對(duì)高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)分布時(shí)仍會(huì)陷入困境。它們提供了信息更豐富的優(yōu)化路徑，但是即便有了這種復(fù)雜的修復(fù)方法，模式崩潰仍會(huì)發(fā)生。

微調(diào)GAN：小批量鑒別和展開式GAN（Unrolled GAN）

以下進(jìn)一步探索研究人員為解決模式崩潰而嘗試的一些更具創(chuàng)意的方法。

1.小批量鑒別

一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的想法來(lái)自于小批量鑒別。這個(gè)概念是為了讓鑒別器更智能——不僅在于區(qū)分單個(gè)假樣本和真實(shí)樣本，還能識(shí)別出缺乏多樣性的整批生成樣本。如果在同一批次中有太多生成的樣本過(guò)于相似，鑒別器就會(huì)發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，迫使生成器變得更加多樣化。

這是如何實(shí)現(xiàn)的？通過(guò)將鑒別器的小批量統(tǒng)計(jì)信息與生成的樣本進(jìn)行比較，可以增強(qiáng)鑒別器的能力。如果生成的樣本在特征空間中彼此過(guò)于接近，判別器就會(huì)察覺(jué)出問(wèn)題，并告訴生成器：“再試一次，你一直在給我重復(fù)同一種類型的數(shù)據(jù)！”

從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，基于特征的內(nèi)核應(yīng)用于整個(gè)批處理。如果某些特征空間中的兩個(gè)樣本非常相似，它們很可能會(huì)陷入同一模式。此時(shí)，鑒別器相應(yīng)地懲罰生成器。

但是，小批量鑒別并不是靈丹妙藥。它增加了計(jì)算成本，有時(shí)可能過(guò)于嚴(yán)格，導(dǎo)致生成器變得過(guò)于謹(jǐn)慎。

2.展開式GAN（Unrolled GAN）

還有一種更具前瞻性的方法：Unrolled GAN。這個(gè)解決方案是由谷歌DeepMind的研究人員提供的，它基于一個(gè)巧妙的想法。與其只更新鑒別器訓(xùn)練的一步生成器，不如將鑒別器的優(yōu)化展開到多個(gè)步驟中。

生成器不再局限于應(yīng)對(duì)短期的“游戲”，即欺騙當(dāng)前狀態(tài)的鑒別器，而是被迫預(yù)測(cè)并應(yīng)對(duì)判別器在訓(xùn)練過(guò)程中的演變。通過(guò)展開，生成器不斷嘗試預(yù)測(cè)其行為將如何影響未來(lái)的判別器，并基于這種長(zhǎng)期視角進(jìn)行訓(xùn)練。

從數(shù)學(xué)上講，這意味著生成器不能直接將傳統(tǒng)的對(duì)抗損失最小化。與其相反，它最小化了展開損失函數(shù)，包含了鑒別器的幾個(gè)梯度步驟的完全“展開”。

這是一種很好的修復(fù)方法，它通過(guò)迫使生成器經(jīng)常用沖其投注的方式來(lái)顯著減少模式崩潰的趨勢(shì)，而不是依賴立即利用當(dāng)前的鑒別器行為。

但是，展開會(huì)使GAN訓(xùn)練的計(jì)算成本更高。對(duì)于每次生成器的更新，可能需要多個(gè)鑒別器梯度步驟，這將顯著降低訓(xùn)練速度。

潛在問(wèn)題：InfoGAN和潛在空間正則化

在這里還沒(méi)有涉及導(dǎo)致模式崩潰的一個(gè)非常核心的因素：潛在空間。

傳統(tǒng)GAN在將隨機(jī)噪聲輸入（潛碼）映射到生成樣本方面沒(méi)有提供太多結(jié)構(gòu)。這是有問(wèn)題的，因?yàn)槿绻成淙狈Y(jié)構(gòu)，生成器可能會(huì)將多個(gè)潛碼分組到一個(gè)模式中，從而有效減少輸出的多樣性。

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的方法是InfoGAN——它是一種變體，可以最大限度地利用潛碼和生成輸出之間的互信息(Mutual Information)。

互信息鼓勵(lì)生成器尊重潛在空間中的變化。這產(chǎn)生了可解釋的潛在空間，其中潛碼的不同維度對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)中有意義的變化。例如，一個(gè)維度現(xiàn)在可以明確控制生成對(duì)象的旋轉(zhuǎn)或面部特征，從而帶來(lái)更多的模式多樣性。

這在圖像生成或解糾纏的圖像到圖像的轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域特別有用，在這些領(lǐng)域中，需要關(guān)心的是執(zhí)行不同的變化，而不是陷入少數(shù)幾個(gè)模式。

真的能消除模式崩潰嗎？

事實(shí)上，雖然已經(jīng)提出并實(shí)施了許多修復(fù)方法（從WGAN到Unrolled GAN等），但完全消除模式崩潰仍然難以實(shí)現(xiàn)。這并不是說(shuō)沒(méi)有取得進(jìn)展，已經(jīng)在很大程度上改進(jìn)了GAN。然而，模式崩潰似乎是生成器和鑒別器之間動(dòng)態(tài)關(guān)系的固有特性。這兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，而只要有競(jìng)爭(zhēng)，就可能學(xué)會(huì)利用模式或捷徑。

也就是說(shuō)，例如更健壯的損失函數(shù)、批量級(jí)反饋（小批量鑒別）和混合努力（InfoGAN）等緩解策略，已經(jīng)使模式崩潰在許多實(shí)際應(yīng)用中不再是交易破壞者。我們可以有效地引導(dǎo)GAN覆蓋有意義的模式。

在未來(lái)，可能會(huì)看到將對(duì)抗性框架與規(guī)范化流等方法結(jié)合起來(lái)的混合設(shè)計(jì)，這些方法通過(guò)設(shè)計(jì)自然地避免了模式崩潰。

那么能否徹底消除模式崩潰？可能不會(huì)。但只要了解它發(fā)生的原因以及有哪些工具可用，就可以有效緩解模式崩潰，從而構(gòu)建出一些出色的模型。

雖然GAN有一些問(wèn)題，但它們?nèi)匀皇侨斯ぶ悄馨l(fā)展中最令人興奮的領(lǐng)域之一。模式崩潰只是使這個(gè)領(lǐng)域如此豐富和引人注目的眾多謎題之一。如果你在解決模式崩潰方面有新突破，歡迎分享。讓我們一起解決這個(gè)問(wèn)題。

原文標(biāo)題：Mode Collapse in GANs: Can We Ever Completely Eliminate This Problem?，作者：Ashish Pawar