Phase 08: Generative AI

GAN điều kiện & Pix2Pix

Type: Build

Languages: Python

Prerequisites: Phase 8 · 03 (GANs), Phase 4 · 06 (U-Net), Phase 3 · 07 (CNNs)

Time: ~75 minutes

Vấn đề

Một mẫu GAN vô điều kiện lấy mẫu khuôn mặt tùy ý. hữu ích cho một bản demo, vô dụng trong sản xuất. Bạn muốn: mở bản phác thảo sang một bức ảnh, mở bản đồ sang một bức ảnh trên không, mở cảnh ban ngày sang ban đêm, mở màu một hình ảnh quy mô xám. Trong tất cả những hình ảnh này, bạn được cung cấp một hình ảnh nhậpxvà phải phát hành yCó nhiều điều đáng tin cậy.yS/mxMột thất bại đối thủ không làm, bởi vì "có vẻ thật" là sắc bén.

GAN có điều kiện (Mirza & Osindero, 2014) thêm một điều kiện cnhư là một đầu vào cho cả hai Gvà DPix2Pix (Isola et al., 2017) chuyên về điều này: điều kiện là một hình ảnh nhập đầy đủ, máy phát điện là một U-Net, phân biệt là một phân loại dựa trên các bản vá (PatchGAN), và mất mát là đối kháng + L1.

Khái niệm

!Pix2Pix: U-Net generator, PatchGAN discriminator

Conditional G. G(x, z) → yTrong Pix2Pix,zlà trượt trong G (không có tiếng ồn nhập Isola tìm thấy tiếng ồn rõ ràng bị bỏ qua).

Conditional D. D(x, y) → [0, 1]. Input là pair (cấp, đầu ra). Đây là sự khác biệt chính: D phải đánh giá liệuyphù hợp với x, không chỉ làytrông thật.

U-Net generator.Mã hóa-kết giải có kết nối skip trên nút chai. Khí yết cho các nhiệm vụ mà đầu vào và đầu ra chia sẻ cấu trúc cấp thấp (về, hình xảo).

PatchGAN discriminator.Thay vì đưa ra một điểm thực/sự giả, D đưa ra một N×Nlưới mà mỗi tế bào đánh giá một lĩnh vực thụ thể của ~ 70 × 70 pixel. trung bình. Đây là một giả định trường ngẫu nhiên Markov: thực tế là địa phương.

Loss.

Copyloss_G = -log D(x, G(x)) + λ · ||y - G(x)||_1
loss_D = -log D(x, y) - log (1 - D(x, G(x)))

Thuật ngữ L1 ổn định đào tạo và đẩy G về phía mục tiêu được biết đến. L1 cung cấp cạnh sắc nét hơn L2 (tương đương, không phải là trung bình). λ = 100là Pix2Pix mặc định.

CycleGAN khi bạn không có cặp

Pix2Pix cần được ghép (x, y)Data. CycleGAN (Zhu et al., 2017) giảm yêu cầu này với chi phí của một tổn thất thêm: mất chu kỳ nhất quán hai máy phát G: X → Yvà F: Y → X- Đọc cho họ làm thế nàyF(G(x)) ≈ xvà G(F(y)) ≈ yĐiều này cho phép bạn chuyển đổi ngựa thành ngựa, mùa hè sang mùa đông, mà không có những ví dụ.

Năm 2026, không cặp hình ảnh-to-photos được thực hiện chủ yếu thông qua phân tán (ControlNet, IP-Adapter) thay vì CycleGAN, nhưng ý tưởng nhất quán chu kỳ tồn tại trong hầu hết các giấy thích ứng miền không cặp.

Hãy xây dựng nó

code/main.pythực hiện một GAN điều kiện nhỏ trên dữ liệu 1D.clà một nhãn lớp (0 hoặc 1). Nhiệm vụ: tạo ra một mẫu từ phân phối có điều kiện cho lớp được đưa ra.

Bước 1: thêm điều kiện cho cả hai đầu vào G và D

pythonCopydef G(z, c, params):
    return mlp(concat([z, one_hot(c)]), params)

def D(x, c, params):
    return mlp(concat([x, one_hot(c)]), params)

Mã hóa một lần là cách đơn giản nhất. Các mô hình lớn hơn sử dụng nhúng học, mô-đun FiLM hoặc sự chú ý chéo.

Bước 2: Đường xe có điều kiện

pythonCopyfor step in range(steps):
    x, c = sample_real_conditional()
    noise = sample_noise()
    update_D(x_real=x, x_fake=G(noise, c), c=c)
    update_G(noise, c)

Máy phát điện phải phù hợp với phân bố thực cho điều kiện được đưa ra , chứ không phải là biên.

Bước 3: xác minh đầu ra mỗi lớp

pythonCopyfor c in [0, 1]:
    samples = [G(noise, c) for noise in batch]
    mean_c = mean(samples)
    assert_near(mean_c, real_mean_for_class_c)

Những bẫy

• Condition ignored.G học cách bớt đi xa, D không bao giờ phạt vì tín hiệu điều kiện yếu.
• L1 weight too low.G di chuyển đến các kết quả thực sự tùy ý, không phải là trung thành. Bắt đầu λ≈100 cho các nhiệm vụ kiểu Pix2Pix.
• L1 weight too high.G tạo ra các kết quả mờ vì L1 vẫn là một chuẩn L_p.
• Ground-truth leakage in D.Concatenate (x, y)như D đầu vào, không chỉ yKhông có D này thì không thể kiểm tra sự phù hợp.
• Mode collapse per class.Mỗi lớp có thể sụp đổ một cách độc lập.

Sử dụng nó

2026 trạng thái các nhiệm vụ hình ảnh-đối với hình ảnh:

Pix2Pix vẫn là công cụ phù hợp khi (a) bạn có hàng ngàn ví dụ cặp, (b) nhiệm vụ là hẹp và lặp lại, và (c) bạn cần suy luận nhanh.

Chuyển nó

• Cứu lạioutputs/skill-img2img-chooser.md. Skill lấy mô tả nhiệm vụ, tính sẵn có dữ liệu (cặp với không cặp, mẫu N) và ngân sách độ trễ/ chất lượng, sau đó đưa ra: phương pháp tiếp cận (Pix2Pix, CycleGAN, biến thể ControlNet, SDXL + IP-Adapter), yêu cầu dữ liệu đào tạo, chi phí suy luận và giao thức đánh giá (LPIPS, FID, cụ thể cho nhiệm vụ).

Các bài tập

1. Easy.Thay đổi code/main.pyđể thêm một lớp thứ ba. xác nhận G vẫn lập bản đồ tiếng ồn của mỗi lớp vào chế độ chính xác.
2. Medium.Thay thế L1 bằng một mất mát theo kiểu nhận thức trong thiết lập 1-D (ví dụ: một D đông lạnh nhỏ hoạt động như chất thu thập tính năng).
3. Hard.Chụp một CycleGAN trong cài đặt 1-D: hai phân phối, hai bộ phát điện, mất chu kỳ.

Các điều khoản chính

Lưu ý sản xuất: Pix2Pix như một đường cơ sở bị ràng buộc bởi độ trễ

Khi bạn kết hợp dữ liệu và một nhiệm vụ hẹp (phác thảo → render, bản đồ ngữ nghĩa → ảnh, ban ngày → đêm), kết luận một lần của Pix2Pix đánh bại sự phân tán bằng một thứ tự về độ trễ.

Pix2Pix thắng trên thông suất trong các lô tĩnh (mỗi yêu cầu đều là FLOPs tương tự). Diffusion thắng trên chất lượng và tổng quát.

Đọc thêm

• Mirza & Osindero (2014). Conditional Generative Adversarial Nets giấy cGAN.
• Isola et al. (2017). Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks Pix2Pix.
• Zhu et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks CycleGAN.
• Wang et al. (2018). High-Resolution Image Synthesis with Conditional GANs Pix2PixHD.
• Park et al. (2019). Semantic Image Synthesis with Spatially-Adaptive Normalization SPADE / GauGAN.
• Miyato & Koyama (2018). cGANs with Projection Discriminator chiếu D.

This free lesson is part of the AI Engineering from Scratch curriculum. Read the full explanation, run the lesson code, and verify the result in the interactive reader or from the repository source.

Browse the complete course catalog or open this lesson on GitHub.