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| 本文作者： 陳伊莉 | 2020-03-30 23:24 |
當人們研究人工智能生成和檢測圖像的方式時，都需要明確一個研究主題。近期康奈爾大學的三位研究人員 Daniel V. Ruiz，Gabriel Salomon，Eduardo Todt 決定訓練人工智能將長頸鹿的圖片轉化成鳥的圖片，用生成對抗網絡（GANs） 產生新數據來研究這種圖像到圖像轉換（image-to-image translation）。這篇論文還投中了 Computer on the Beach (COTB'20) 2020 會議。
論文地址：https://arxiv.org/abs/2001.03637
目前圖像到圖像轉換的應用已經比較廣泛，包括從衛星圖像生成地圖到僅從輪廓生成完整的服裝圖像。這篇論文研究將長頸鹿轉變為鳥其實頗具挑戰，因為兩種動物有不同的大小、紋理和形態。他們訓練了一個名為 InstaGAN 的無監督跨域轉換模型，讓它接受了大量長頸鹿和鳥的圖片訓練。
InstaGAN 由韓國科學技術院和浦項科技大學的研究人員在 2019 年提出，相關論文《InstaGAN: Instance-Aware Image-to-Image Translation》還被 ICLR2019 接收。
最后鳥類成品保留原始圖片的布局和背景，只是將長頸鹿直接轉換成鳥類。需要強調的是，生成的鳥并不存在，這僅僅是 InstaGAN 生造的結果。
這次論文的創新點，用作者自己的話說就是，“我們這次沒有把蘋果變成橘子，而是把大象變成了香蕉”。因為之前無監督的圖像到圖像轉換，例子大多是將站著的獅子轉換為趴著，將貓轉化為狗，馬變成斑馬等，但這些訓練在比例、形狀都很相似，所以難度有所差異。
他們具體是怎么做的呢？
用于訓練 GAN 和生成相關的圖像有兩個數據集：COCO(Common objects in Context) 和 Caltech-UCSD Birds 200。COCO 數據集有超過 91 種類型的 328000 張圖片，作者們從中選了 2546 張和 101 張的長頸鹿圖片分別用于訓練和驗證，又從另一個主要涵蓋 200 多個種類的鳥數據集 Caltech-UCSD Birds 200-2011 中，八二分，選擇 80% 也就是 9414 張的鳥類圖片用于訓練，20% 也就是 374 張用于驗證。
每張圖片都能看到長頸鹿和鳥的輪廓。AI 主要工作是兩塊，一是把長頸鹿變成鳥，另一部分是判斷它看到的圖片是真的鳥還是假的長頸鹿—鳥。
接下來開始訓練。大多數參數與 InstaGAN 初始論文中一樣。通過雙線性插值（bilinear interpolation）將長頸鹿和小鳥數據集的圖像大小調整為 256x256 ，GPU 訓練花費了將近 3 周時間（如果用 2 個英偉達 RTX 2080 GPU，時間能減少到一周半)。
InstaGAN 在訓練中使用的 loss functions 包括：Least-squares GAN loss，cycle loss，context loss 和 identity loss，根據它們在最終結果中的重要性進行加權。cycle loss 權重最高。LSGAN 也是如此，因為它改善了收斂性，減少了可能消失的梯度問題（vanishing gradient issues），這需要超過 100 個 epoch 來實現良好的視覺效果和損失最小化。
在三周的訓練結束后，他們得到一個人造鳥圖集 FakeSet 。下圖顯示了圖像到圖像轉換的一些例子。
可以看到原始圖像和蒙版，以及轉換之后的圖像和蒙版。請注意，姿勢、空間排列和背景是沒有改變的的。也就是說，InstaGAN 已經相當好地學會了轉換圖像，這些圖像中，長頸鹿幾乎沒有遮擋，都是側身站立，而在相同的位置上如今也產生鳥類。有意思的是，InstaGAN 學到了一個有趣的“欺騙”方法——生成深色的鳥，與淺色背景形成對比，如此能更好地騙過人類、機器鑒別者。
接下來讓我們來看看 InstaGAN 生成的成品圖。
有些轉換的效果令人印象深刻。InstaGAN 學會了如何模糊頂部的風景，使它們看起來像微距鏡頭即使過渡的地方并不是十分絲滑，一只長頸鹿的肩膀還在，但是 AI 巧妙地把它處理成了一塊石頭，希望你不會注意到。
背景模糊效果還不錯，在處理前景時，InstaGAN 造了一根木頭作為鳥的棲息處，并突出了樹枝、巖石裂縫等細節，也模糊了附近的鳥腳，整個效果比較自然。但有幾張圖片還能隱隱看到長頸鹿的肚子和腿，于是 InstaGAN 把它們變成了綠色，可能是希望能錯認是一片葉子之類的植物。
當然很多時候轉換效果并不好。由于可能受到不尋常背景的影響，人工智能沒有成功地改變圖像外觀。這里也很明顯，人工智能移除長頸鹿的一般策略是，將鳥的身體復制粘貼到長頸鹿的頭、脖子和肩膀部分，然后盡力隱藏長頸鹿的腿。如果帶著這樣的想法看上圖幾張照片，你會立刻發現長頸鹿的大長腿還在那里，模型的多次失敗都與難以掩蓋的長頸鹿的腿有關。
為了評估生成的圖像的真實性和質量，作者進行了定性和定量分析。定性分析是，隨機挑選 FakeSet 335 張圖片去評估圖片，標準是轉換質量、輪廓和紋理幾項，選項只有兩個——"Good???? 或者 "Bad???? 。每個屬性的最終分數是 335 張圖片的平均分，用 0 到 1 之間的分數表示（ 0 表示質量差，1 表示質量好）。如果一個屬性的值等于 0.75 ，則意味著 3/4 的圖片在該屬性中表現良好，1/4 的圖片表現不佳。具體可見下表。
為了進行定量分析，他們使用了一個預先訓練好的 Mask R-CNN（Mask Region-based Convolutional Neural Network）新生成的數據集 FakeSet ，對 2546 張圖片進行分析，評估結果是，289 幅圖片是垃圾（甚至沒有檢測到鳥類存在），717 幅不令人滿意（常用指標 F-score 低于 0.8 ），1540 幅令人滿意。F-score 遵循一個偏斜的正態分布，傾向于最佳分數。
綜上，該論文結論是，FakeSet 實現了接近真實數據集的檢測和分割結果，雖然大多數圖像并不完全真實，但是正確轉化的比例也很高，檢測和分割結果也是高可信的（高于80%）。這說明生成的圖像足夠逼真，不管是肉眼難以察覺，也經得起最先進的深層神經網絡的檢驗。
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