一些fancy的GAN应用
前 言
GAN全称是Generative adversarial networks,中文是生成对抗网络，是一种生成式模型，由good fellow在14年提出，近四年来被AI研究者疯狂研（guan）究（shui），更有大神建立一个GAN zoo，收集了上百种不同的GAN：
https://github.com/hindupuravinash/the-gan-zoo
事实上随着GAN理论的不断完善，GAN逐渐展现出了自己非凡的魅力，在一些应用领域开始大放异彩，由此衍生了一些非常fancy的应用。本文对其中的一部分做一些汇总展示给读者，希望在枯燥的科研生活之余给读者一些消遣。
注：本文不牵涉复杂的公式说明，旨在用结果展示GAN的应用场景，文中包含大量的图片。
图像生成
前言里提到了GAN是一个生成模型，可以用来生成图像、音频等等，生成质量逐年增加，看下图：
image
从32x32分辨率生成都困难的GAN，到生成2K真假难辨高清分辨率图像的proGAN，GAN正在发挥着自己独特的优势，并且逐渐渗透到二次元领域。
上图是同济大学的一个工作，生成二次元软妹子。
不仅仅作用于图像，GAN用来生成3D目标和音乐上也是不含糊：
说到这里，就可能有一些疑问，图像生成除了养眼，究竟有什么用呢，事实上用处还是很广泛的，比如可以用来制作海报，自己用来生成一个高清美女图像作为海报主角，省了一大批广告费。
图像转换
图像转换或者说是图像翻译，是将图像转换为另一种形式的图像，与风格迁移稍有不同，这方面典型的工作是pixel-2-pixel
一般的GAN的生成器G输入是一个随机向量，输出的是图像，这里的生成器的输入是图像，输出的是转换后的图像。
感兴趣的可以玩一下pix2pix的demo，还是很有趣的：https://affinelayer.com/pixsrv/
说到这里，就需要提到cycle-GAN了，可以实现风景画和油画互变，马和斑马互相转换等domain transfer等任务，更多有意思的变化可以在论文主页上看到：https://junyanz.github.io/CycleGAN/，cycleGAN的主要贡献是提供了一种unpaired的图像翻译方法，这是pix2pix所做不到的：
除了cycleGAN还有一篇和其比较相似的论文，就是DiscoGAN，DiscoGAN在不需要label标记和图像pairing的情况下学习交叉domain之间的联系，比如它可以将包包的图像风格迁移到鞋子的图像上，效果上图：
事实上，理工科的可爱的研究员们可不会仅满足于此，他们更希望全世界充满笑容，于是用cycleGAN给冷酷大哥加上笑容，将人脸图像转换为卡通图像，类似之前很火的脸萌APP，这个工作见DTN
（https://arxiv.org/pdf/1611.02200.pdf）。
图像合成
图像合成这个任务是通过某种形式的图像描述创建新图像的过程。pix2pix和cycleGAN 都属于图像合成领域的一部分。图像合成也有一些典型的工作，并且有很nice的应用场景。
场景合成
首先，第一个场景合成，此部分在于如何给定部分显示场景的信息还原出真实的场景信息，比如根据分割图像还原出原始场景信息，刚好是图像分割的逆过程，据说英伟达在不断的开拓这个方向，试想一下，只要GAN还原的场景足够真实，完全可以模拟无人驾驶的路况场景，从而在实验室阶段就可以完成无人驾驶汽车的上路测试工作，很nice的一个应用，但是面对的问题就是如何生成高分辨率的和足够真实的图像，此部分工作可以见pix2pixHD。
人脸合成
人脸合成主要是根据一张人脸的图像，合成出不同角度的人脸图像，可以用做人脸对齐，姿态转换等辅助手段提高人脸识别的精度，典型的工作是中科院的TP-GAN，可以根据半边人脸生成整张人脸的前向图，对人脸识别任务有很大的辅助效果。
文本到图像的合成
这个方向是NLP与CV碰撞的结果，任务描述为：从给定的一段文字描述，生成一张和图像文字匹配的图像。比如：根据文字：一只黑色冠冕和黄色喙的白色的鸟，生成下面的这张图像;
类似的工作还有stack GAN和attn GAN:https://arxiv.org/abs/1711.10485，后者更是在细粒度的text-to-image上做了一番功夫。
风格迁移
效果看上去很nice，此部分的工作是：Precomputed Real-Time Texture Synthesis with Markovian Generative Adversarial Networks，作者发明了一种马尔可夫GAN迁移图像的风格，算是不错的贡献了。
年龄变化
想不想知道自己20年后长什么样子呢，Age-cGAN可以告诉我们答案，只要有一张年轻时候的照片，就可以提前知道自己几十年之后的样子，还是蛮期待的，这个方向之前有朋友做过，生成了一张50岁的韩庚的样子，效果还不错。
图像超分辨率
图像超分辨率一直是一个很重要的研究课题，比较重要的是对天文图像和卫星图像做超分辨率，不管是在天文，军事还是其他方面，都有很重要的应用。在生活中，如果有标清的视频可以变为高清的视频，我相信很多人还是很乐意的，下图是超分之后的七龙珠和原版的七龙珠视频。
上述过程都是可逆的，既然可以增加图像的分辨率，那么同样可以减小图像的分辨率。既然都说到了图像超分辨率，那么就谈谈图像去马赛克的一些操作，知乎一位大佬集图像转化和超分辨率之大成，完成了对爱情动作片的添加和去除马赛克操作，详情请移步知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/27199954，36k的高赞文章，相信可以从中学到一些知识。
图像域的转换
GAN很适合学习数据的分布（只要是数据是连续的，对于离散的文本数据效果不是很好），同时也能完成domain转换的任务，比如使用GAN完成domain的迁移，此部分有比较典型的工作，CVPR的oral论文StarGAN是其中一个。Pix2Pix模型解决了有Pair对数据的图像翻译问题；CycleGAN解决了Unpaired数据下的图像翻译问题。但无论是Pix2Pix还是CycleGAN，都是解决了一对一的问题，即一个domain到另一个domain的转换。StarGAN就是在多个domain之间进行转换的方法。可以做多个图像翻译任务，比如更换头发颜色，表情变化，年龄变换等等，文章公布了代码：https://github.com/yunjey/StarGAN。
另外一个比较有意思的domain转换的是穿衣搭配问题，详细工作可见PixelDTGAN： https://github.com/fxia22/PixelDTGAN PixelDTGAN是指像素级的domain 转换，输入的是一张复杂的图片，输出的是不包含背景的单纯的服饰的图像，下图中第一行是数据集中的例子，第二行是左图是输入图像，右图是输出的效果。
感觉这个工作反过来就可以做穿衣搭配问题了，之前有个工作是穿衣搭配的，还被iangood fellow转发在了twitter上，奈何现在找不到这个内容了。穿衣搭配也可以看为是conditioned image generation，不过更加复杂。
图像修复
GAN在图像修复（image inpainting）上绝对是大放异彩了，且看英伟达最新的研究成果（Image Inpainting for Irregular Holes Using Partial Convolutions），给定一张缺失的图像，修复出完整的图像，下面左图为待修复图像，右图为修复好的图像，这个方法是目前的state-of-art：
之前借助GAN做过一段时间的image inpainting，奈何实验结果的更新速度总比不上arxiv上inpainting论文的更新速度。
文本填空
GAN在图像领域建树颇多，但是在文本领域作用并不是很大，主要是NLP中的词的数据都是离散数据，GAN不适合学习离散的数据分布，但是并不意味着没法学，Google brain的团队发明了一个结合强化学习的MaskGAN，可以用作完型填空，具体任务是补全句子中的缺失部分。
不得不说，作者起名字也是很有水平，论文的标题竟然空了一个单词，使用下划线来代替，一般能这么给论文起名字的作者都是大佬，比如attention is all you need。
** 其他**
另外，有研究者们希望将GAN的学习方式和学习能力用在药学分子和材料学领域，用来生成药学分子结构和合成新材料配方，不得不说，这相当的有创意，如果真的能完成的话，那么AI将无所不能。
上文总结的GAN应用并不包含所有的工作，举得例子也很有限，另外有GAN用在视频预测，视频生成等领域的，在目标检测、行人识别、重定位上也有辅助作用，了解有限，不详细展开，读者有意可自行Google查询。
参考文献
[1]Towards the Automatic Anime Characters Creation with Generative Adversarial Networks
[2] https://arxiv.org/pdf/1710.10196.pdf
[3] http://papers.nips.cc/paper/6096-learning-a-probabilistic-latent-space-of-object-shapes-via-3d-generative-adversarial-modeling.pdf
[4] https://arxiv.org/pdf/1703.10847.pdf
[5]pix2pix https://affinelayer.com/pixsrv/
[6]CycleGAN https://arxiv.org/pdf/1703.10593.pdf
[7] DiscoGAN https://github.com/carpedm20/DiscoGAN-pytorch
[8] TPGAN https://arxiv.org/pdf/1704.04086.pdf
[9]pix2pix HD https://tcwang0509.github.io/pix2pixHD/
[10]stackGAN https://arxiv.org/pdf/1612.03242.pdf
[11] AttnGAN https://arxiv.org/abs/1711.10485
[12] DTN https://arxiv.org/pdf/1611.02200.pdf
[13] MGAN https://arxiv.org/pdf/1604.04382.pdf
[14]Age-cGAN https://arxiv.org/pdf/1702.01983.pdf
[15] StarGAN https://arxiv.org/abs/1711.09020
[16]image inpainting https://arxiv.org/abs/1804.07723
[17] MaskGAN https://arxiv.org/abs/1801.07736
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