A. 如何完善生成对抗网络
1.GAN最开始是设计用于生成连续数据，但是自然语言处理中我们要用来生成离散tokens的序列。因为生成器(Generator，简称G)需要利用从判别器(Discriminator，简称D)得到的梯度进行训练，而G和D都需要完全可微，碰到有离散变量的时候就会有问题，只用BP不能为G提供训练的梯度。在GAN中我们通过对G的参数进行微小的改变，令其生成的数据更加“逼真”。若生成的数据是基于离散的tokens，D给出的信息很多时候都没有意义，因为和图像不同。图像是连续的，微小的改变可以在像素点上面反应出来，但是你对tokens做微小的改变，在对应的dictionaryspace里面可能根本就没有相应的tokens.2.GAN只可以对已经生成的完整序列进行打分，而对一部分生成的序列，如何判断它现在生成的一部分的质量和之后生成整个序列的质量也是一个问题。
B. GAN生成对抗网络(一)
GAN(Generative Adversarial Networks)是两个网络的的组合， 一个网络生成模拟数据， 另一个网络判断生成的数据是真实的还是模拟的。生成模拟数据的网络要不断优化自己让判别的网络判断不出来， 判别的网络也要优化自己让自己判断得更准确。 二者关系形成对抗博弈，因此叫 对抗神经网络 （生成对抗网络）。实验证明， 利用这种网络间的对抗关系所形成的网络， 在无监督及半监督领域取得了很好的效果， 可以算是用网络来监督网络的一个自学习过程。在GAN发明之前，变分自编码器被认为是理论完美、实现简单，使用神经网络训练起来很稳定， 生成的图片逼近度也较高， 但是人类还是可以很轻易地分辨出真实图片与机器生成的图片。
生成对抗网络包含了 2 个子网络： 生成网络(Generator， G)和判别网络(Discriminator，D)， 其中生成网络负责学习样本的真实分布，判别网络负责将生成网络采样的样本与真实样本区分开来。
生成网络 G(𝐳) 生成网络 G 和自编码器的 Decoder 功能类似， 从先验分布 中采样隐藏变量 ，通过生成网络 G 参数化的 分布， 获得生成样本 ，如下图所示。 其中隐藏变量𝒛的先验分布 可以假设属于某中已知的分布，比如多元均匀分布 。
可以用深度神经网络来参数化， 如下图所示， 从均匀分布 中采样出隐藏变量𝒛， 经过多层转置卷积层网络参数化的 分布中采样出样本 。
判别网络 D(𝒙) 判别网络和普通的二分类网络功能类似，它接受输入样本𝒙，包含了采样自真实数据分布 的样本 ，也包含了采样自生成网络的假样本 ， 和 共同组成了判别网络的训练数据集。判别网络输出为𝒙属于真实样本的概率 ，我们把所有真实样本 的标签标注为1，所有生成网络产生的样本 标注为0， 通过最小化判别网络预测值与标签之间的误差来优化判别网络参数。
我们的目标很明确， 既要不断提升判断器辨别真假图像样本的能力， 又要不断提升生成器生成更加逼真的图像，使判别器越来越难判别。
对于判别网络 D ，它的目标是能够很好地分辨出真样本 与假样本 。即最小化图片的预测值和真实值之间的交叉熵损失函数：
其中 代表真实样本 在判别网络 的输出， 为判别网络的参数集， 为生成样本 在判别网络的输出， 为 的标签，由于真实样本标注为真，故 ， 为生成样本的 的标签，由于生成样本标注为假，故 。 根据二分类问题的交叉熵损失函数定义:
因此判别网络的优化目标是:
去掉 中的负号，把 问题转换为 问题，并写为期望形式：
对于生成网络G(𝒛) ，我们希望 能够很好地骗过判别网络 ， 假样本 在判别网络的输出越接近真实的标签越好。也就是说，在训练生成网络时， 希望判别网络的输出 越逼近 1 越好，此时的交叉熵损失函数：
把 问题转换为 问题，并写为期望形式：
再等价转化为：
GAN的优化过程不像通常的求损失函数的最小值， 而是保持生成与判别两股力量的动态平衡。 因此， 其训练过程要比一般神经网络难很多。
把判别网络的目标和生成网络的目标合并，写成min-max形式：
原GAN论文中：
这里为了好理解，把各个符号梳理的更清晰了，注意符号和网络参数的对应。
理想情况下 ， 会有更精确的鉴别真伪数据的能力，经过大量次数的迭代训练会使 尽可能模拟出以假乱真的样本， 最终整个GAN会达到所谓的纳什均衡， 即 对于生成样本和真实样本鉴别结果为正确率和错误率各占50%。下面具体从理论层面来推导。
现在从理论层面进行分析， 通过博弈学习的训练方式，生成器 G 和判别器 D 分别会达到什么状态。 具体地，来看以下 2 个问题：
首先我们通过 一维正态分布的例子给出一个直观的解释，如下图所示，黑色虚线曲线代表了真实数据的分布 ， 为某正态分布 ， 绿色实线代表了生成网络学习到的分布 ， 蓝色虚线代表了判别器的决策边界曲线， 图中(a)(b)(c)(d)分别代表了生成网络的学习轨迹。在初始状态，如图 (a)所示， 分布与 差异较大，判别器可以很轻松地学习到决策边界，即图(a)中的蓝色虚线，将来自 的采样点判定为 0， 中的采样点判定为 1。 随着生成网络的分布 越来越逼近真实分布 ，判别器越来越困难将真假样本区分开，如图 (b)(c)所示。 最后，生成网络性能达到最佳，学习到的分布 ，此时从生成网络中采样的样本非常逼真， 判别器无法区分，即判定为真假样本的概率均等，如图(d)所示。
固定生成器G的参数 ，判别器D最佳能达到的状态：
证明： 对于给定的生成器G，要让判别器D达到最优，我们的目标是最大化损失函数，其积分形式为：
对于给定的 ，真实分布始终是固定的，所以 和 都是定值，于是对于判别器D，要找出
的最大值，其中 是判别器网络参数，对于函数 ，不难得到 在 处取得极大值且是最大值。因此可得 的极值点也为
故判别器 能达到的最佳状态为定理中给出的式子。
现在考虑第二个问题。
JS 散度(Jensen–Shannon divergence)
对于KL散度， ，是不对称的。但JS散度是对称的。
当 达到 时，考虑此时 和 的 散度：
考虑到判别网络到达 时，此时的损失函数为：
于是我们可以得到：
对于生成网络 而言，目标是最小化损失函数，由于 ，因此 取得最小值仅在 时(此时 )， 取得最小值:
此时生成网络达到 状态是：
即 的学到的分布 与真实分布 一致，网络达到纳什均衡点，此时：
即对于生成器生成的图像有0.5的概率被判定为真，也有0.5的概率被判定为假。
C. 什么是生成对抗网络
生成式对抗网络（GAN, Generative Adversarial Networks ）是一种深度学习模型，是近年来复杂分布上无监督学习最具前景的方法之一。模型通过框架中（至少）两个模块：生成模型（Generative Model）和判别模型（Discriminative Model）的互相博弈学习产生相当好的输出。原始 GAN 理论中，并不要求 G 和 D 都是神经网络，只需要是能拟合相应生成和判别的函数即可。但实用中一般均使用深度神经网络作为 G 和 D 。一个优秀的GAN应用需要有良好的训练方法，否则可能由于神经网络模型的自由性而导致输出不理想。
D. LSGAN:最小二乘生成对抗网络
解决问题： 解决传统 GAN 生成图片质量不高，训练不稳定的问题。
做法： 将传统 GAN 的 交叉熵损失函数 换成 最小二乘损失函数
本篇主要通过GAN对比来学习LSGAN
通过例子介绍：
使用 位于决策边界正确侧 但仍然 远离真实数据的假样本 更新生成器时，交叉熵损失函数将导致梯度消失的问题。
如图 (b)所示，当我们使用 假样本 (品红色)通过使鉴别器相信它们来自真实数据来更新生成器时，它 几乎不会引起错误 ，因为它们在正确的一侧，既决策边界的真实数据面。
然而，这些样本 仍然离真实数据很远 ，我们想把它们拉得接近真实数据。
问题总结：在交叉熵损失函数情况下，判别器判定真实面的假数据距离真实数据较远，效果不足。
基于这一观察，我们提出了最小二乘生成对抗网络，它采用 最小二乘损失函数作为鉴别器 。
最小二乘损失函数能够 将伪样本移向决策边界 ，
因为最小二乘损失函数会 惩罚位于决策边界正确一侧很远的样本 。
如图 (c)所示，最小二乘损失函数将惩罚假样本(品红色)，并 将它们拉向决策边界 ，使它们被正确分类。
基于这一特性，最小二乘能够生成更接近真实数据的样本
总结概括
最小二乘： 最小二乘损失与交叉熵损失相比，优势在于生成样本在欺骗判别器的前提下同时让生成器把 距离决策边界比较远 的生成图片拉向 决策边界 ，这样保证了生成高质量的样本。
交叉熵： 以交叉熵作为损失，会使得生成器 不会再优化那些被判别器识别为真实图片的生成图片 ，即使这些生成图片距离判别器的决策边界仍然很远，也就是距离真实数据比较远，因为此时的交叉熵损失已经很小，生成器完成了为它设计的目标。
LSGAN的缺陷： 在于它并 没有解决当判别器足够优秀时生成器发生梯度弥散的问题
梯度弥散: 使用反向传播算法传播梯度的时候，随着传播深度的增加， 梯度的幅度会急剧减小，会导致浅层神经元的权重更新非常缓慢 ，不能有效学习。
这样一来，深层模型也就变成了前几层相对固定，只能改变最后几层的浅层模型。
GANs 的损失函数：
LSGANs的损失函数：
最小二乘
公式注释：
鉴别器 D
生成器 G
G 的目标是学习数据 x 上的分布 pg。
G 服从均匀或高斯分布 pz(z)对输入变量 z 进行采样开始，然后将输入变量 z 映射到数据空间 G(z； θg)。
D 是分类器 D(x； θd)，其目的是识别图像是来自训练数据还是来自g。
z 为噪音，它可以服从归一化或者高斯分布，为真实数据 x 服从的概率分布，为 z 服从的概率分布。为期望值，同为期望值。
假设我们对鉴别器使用 a-b 编码方案 ，其中a 和b 分别是假数据和真实数据的标签。
c 表示 G 预测的D 相信的假数据的值。
最小二乘法的具体优点：
1.决策边界固定（鉴别器参数固定），生成样本靠近决策边界，更接近真实数据。
2.惩罚远离决策边界的样本时，可以在更新生成器时生成更多的梯度，这反过来缓解了梯度消失的问题（梯度消失：前面隐藏层的学习速率低于后面隐藏层的学习速率，即随着隐藏层数目的增加，分类准确率反而下降）
GAN中：最小化等式 1 产生最小化詹森-香农散度:
LSGAN：探讨LSGAN与f散度的关系
公式解释：（下文关于a-b编码证明a,b,c条件）
将
加入到
并不会改变最佳值，因为并没有引入含有G的参数
从而我们可以推出G固定情况下的最佳鉴别器：
使用 pd 来表示 pdata，来重新表示4式
此处不详细证明
化简为：
如果： b-c = 1， b-a = 2，则
是皮尔逊散度，总之可证，当 a,b,c满足b-c = 1 和 b-a = 2的条件，则最小化等式 4 会使 pd + pg 和 2pg 之间的皮尔逊 χ2 散度最小化。
采用 a-b编码方案：
由上述证明可设a = 1， b = 1， c = 0
采用 0-1二进制编码方案 ：
两式接近，但此处，论文作者采用a-b编码方式，来实现实验：
带上其中一个实验：
参考论文：Mao X D, Li Q, Xie H R, et al. Least squares generative
adversarial networks[C]//Proceedings of the 2017 IEEE
International Conference on Computer Vision, Venice, Oct
22- 29, 2017. Washington: IEEE Computer Society, 2017:
2813-2821.
E. 生成式对抗网络GAN（一）
上面这张图很好的很好的阐述了生成式对抗网络的结构~~ 博弈论
此图给出了生成性对抗网络的概述。目前最重要的是要理解GAN是使两个网络协同工作的一种方式 - 而Generator和Discriminator都有自己的架构。为了更好地理解这个想法的来源，我们需要回忆一些基本的代数并问自己 - 我们怎么能欺骗一个比大多数人更好地分类图像的神经网络？
在我们详细描述GAN之前，让我们看一下类似的主题。给定一个训练有素的分类器，我们可以生成一个欺骗网络的样本吗？如果我们这样做，它会是什么样子？
事实证明，我们可以。
甚至更多 - 对于几乎任何给定的图像分类器，可以将图像变换为另一个图像，这将被高度置信地错误分类，同时在视觉上与原始图像无法区分！这种过程称为对抗性攻击，生成方法的简单性解释了很多关于GAN的内容。
精心计算的示例中的对抗性示例，其目的是错误分类。以下是此过程的说明。左边的熊猫与右边的熊猫无法区分 - 但它被归类为长臂猿。
图像分类器本质上是高维空间中的复杂决策边界。当然，在对图像进行分类时，我们无法绘制这个边界。但我们可以安全地假设，当训练结束时，网络并不是针对所有图像进行推广的 - 仅针对我们在训练集中的那些图像。这种概括可能不是现实生活的良好近似。换句话说，它适用于我们的数据 - 我们将利用它。
让我们开始为图像添加随机噪声并使其非常接近零。我们可以通过控制噪声的L2范数来实现这一点。数学符号不应该让您担心 - 出于所有实际目的，您可以将L2范数视为向量的长度。这里的诀窍是你在图像中拥有的像素越多 - 它的平均L2范数就越大。因此，如果噪声的范数足够低，您可以预期它在视觉上难以察觉，而损坏的图像将远离矢量空间中的原始图像。
为什么？
好吧，如果HxW图像是矢量，那么我们添加到它的HxW噪声也是矢量。原始图像具有相当密集的各种颜色 - 这增加了L2规范。另一方面，噪声是一组视觉上混乱的相当苍白的像素 - 一个小范数的矢量。最后，我们将它们添加到一起，为损坏的图像获取新的矢量，这与原始图像相对接近 - 但却错误分类！
现在，如果原始类 Dog 的决策边界不是那么远（就L2范数而言），这种加性噪声将新图像置于决策边界之外。
您不需要成为世界级拓扑学家来理解某些类别的流形或决策边界。由于每个图像只是高维空间中的矢量，因此在其上训练的分类器将“所有猴子”定义为“由隐藏参数描述的该高维斑点中的所有图像矢量”。我们将该blob称为该类的决策边界。
好的，所以，你说我们可以通过添加随机噪声轻松欺骗网络。它与生成新图像有什么关系？
现在我们假设有两个结构模型，相当于两个神经网络：
这是关于判别网络D和生成网络G的价值函数（Value Function），训练网络D使得最大概率地分对训练样本的标签（最大化log D(x)），训练网络G最小化log(1 – D(G(z)))，即最大化D的损失。训练过程中固定一方，更新另一个网络的参数，交替迭代，使得对方的错误最大化，最终，G 能估测出样本数据的分布。生成模型G隐式地定义了一个概率分布Pg，我们希望Pg 收敛到数据真实分布Pdata。论文证明了这个极小化极大博弈当且仅当Pg = Pdata时存在最优解，即达到纳什均衡，此时生成模型G恢复了训练数据的分布，判别模型D的准确率等于50%。
接着上面最后一个问题：怎么才能生成我指定的图像呢？
指定标签去训练
顾名思义就是把标签也带进公式，得到有条件的公式：
具体怎么让CGAN更好的优化，这里不解释，就是平常的优化网络了。
参考文章：
本文大部分翻译此外文
通俗易懂
小博客的总结
唐宇迪大神