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Keras实现对抗自编码器模型生成MNIST数字图像

toyiye 2024-06-06 22:12 15 浏览 0 评论

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当使用Keras实现Adversarial Autoencoder(对抗自编码器)模型生成MNIST数字图像时,需要按照以下步骤进行操作。

首先,导入所需的库和模块:

from keras.layers import Input, Dense, Reshape, Flatten, Dropout
from keras.layers import BatchNormalization, Activation, ZeroPadding2D
from keras.layers.advanced_activations import LeakyReLU
from keras.layers.convolutional import UpSampling2D, Conv2D
from keras.models import Sequential, Model
from keras.optimizers import Adam
from keras.datasets import mnist
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

接下来,定义生成器模型和判别器模型:

def build_generator():

    model = Sequential()

    model.add(Dense(256, input_dim=100))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
    model.add(Dense(512))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
    model.add(Dense(1024))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
    model.add(Dense(np.prod((28, 28, 1)), activation='tanh'))
    model.add(Reshape((28, 28, 1)))

    model.summary()

    noise = Input(shape=(100,))
    img = model(noise)

    return Model(noise, img)


def build_discriminator():

    model = Sequential()

    model.add(Flatten(input_shape=(28, 28, 1)))
    model.add(Dense(512))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(Dense(256))
    model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
    model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

    model.summary()

    img = Input(shape=(28, 28, 1))
    validity = model(img)

    return Model(img, validity)

然后,定义Adversarial Autoencoder模型:

def build_adversarial_autoencoder(generator, discriminator):

    discriminator.trainable = False

    autoencoder = Sequential()
    autoencoder.add(generator)
    autoencoder.add(discriminator)

    return autoencoder

接下来,加载MNIST数据集并进行预处理:

(X_train, _), (_, _) = mnist.load_data()

X_train = X_train / 127.5 - 1.
X_train = np.expand_dims(X_train, axis=3)

定义一些超参数:

epochs = 20000
batch_size = 32

sample_interval = 1000

然后,编译生成器、判别器和Adversarial Autoencoder模型:

generator = build_generator()
discriminator = build_discriminator()
adversarial_autoencoder = build_adversarial_autoencoder(generator, discriminator)

discriminator.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=Adam(0.0002, 0.5))
adversarial_autoencoder.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=Adam(0.0002, 0.5))

接下来,定义训练过程:

for epoch in range(epochs):

    # ---------------------
    #  训练判别器
    # ---------------------

    # 从训练集中随机选择一批图像
    idx = np.random.randint(0, X_train.shape[0], batch_size)
    imgs = X_train[idx]

    # 生成一批噪声数据
    noise = np.random.normal(0, 1, (batch_size, 100))

    # 使用生成器生成一批假图像
    gen_imgs = generator.predict(noise)

    # 训练判别器
    d_loss_real = discriminator.train_on_batch(imgs, np.ones((batch_size, 1)))
    d_loss_fake = discriminator.train_on_batch(gen_imgs, np.zeros((batch_size, 1)))
    d_loss = 0.5 * np.add(d_loss_real, d_loss_fake)

    # ---------------------
    #  训练生成器
    # ---------------------

    # 生成一批噪声数据
    noise = np.random.normal(0, 1, (batch_size, 100))

    # 训练生成器
    g_loss = adversarial_autoencoder.train_on_batch(noise, np.ones((batch_size, 1)))

    # 打印损失值
    print("%d [D loss: %f] [G loss: %f]" % (epoch, d_loss, g_loss))

    # 每隔一段时间保存并输出生成的图像样本
    if epoch % sample_interval == 0:
        r, c = 5, 5
        noise = np.random.normal(0, 1, (r * c, 100))
        gen_imgs = generator.predict(noise)

        gen_imgs = 0.5 * gen_imgs + 0.5

        fig, axs = plt.subplots(r, c)
        cnt = 0
        for i in range(r):
            for j in range(c):
                axs[i, j].imshow(gen_imgs[cnt, :, :, 0], cmap='gray')
                axs[i, j].axis('off')
                cnt += 1
        plt.show()
        plt.close()

最后,运行训练过程:

build_adversarial_autoencoder(generator, discriminator)

这是一个简单的使用Keras实现Adversarial Autoencoder模型生成MNIST数字图像的示例。请注意,这只是一个基础的实现,您可以根据需要进行修改和改进。

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