Towards Faster and Stabilized GAN Training for High-fidelity Few-shot Image Synthesis

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DLゼミ
Towards Faster and Stabilized GAN
Training for High-fidelity Few-shot
Image Synthesis
北海道大学大学院情報科学研究院
情報理工学部門複合情報工学分野調和系工学研究室
学部4年大倉博貴

• 著者
– Bingchen Liu, Yizhe Zhu, Kunpeng Song, Ahmed
Elgammal
• 発表
– ICLR 2021
• 論文URL
– https://openreview.net/pdf?id=1Fqg133qRaI
• GitHub
– https://github.com/odegeasslbc/FastGAN-pytorch
論文紹介 2

• 少数データで高解像度の画像生成モデル
(GAN)を高速に学習させる技術の提案
– 軽量かつ効率的に学習可能なgenerator
– 少ないデータでもdiscriminatorを効果的に学習す
るための正則化
論文概要 3

• generatorとdiscriminatorを競合させることで
の本物のデータに近いデータを生成
GANとは 4
generator
discriminator
ノイズ
本物のデータ
本物?偽物?

• 高解像度な画像生成を行うために、generator
は深いモデルになる
– up-samplingに合わせて畳み込み層が増える
• 深いモデルを学習するには、skip-connection
を使用するResBlockが必要だが、
– 同じ解像度同士しかskip-connectionできない
– 高解像度のskip-connectionは高コスト
• Skip-Layer Excitation(SLE)を提案
generatorの設計 5

• Skip-Layer Excitation(SLE)
– 異なる解像度で行える計算コストが低いskip-
connectionを実装
提案されたgenerator 6

• 高解像度側の特徴量の各チャ
ンネルごとの重みづけを低解
像度側の特徴量に基づいて行
う
– チャンネルごとなので異なる解
像度も可
– Layer間で勾配を保つ
• 重みづけの計算では早々に空
間方向を圧縮するため軽量
Skip-Layer Excitation(SLE) 7

• discriminatorをエンコーダとして扱い、小さ
いデコーダで学習を行いたい(オートエンコー
ディング)
– うまく再構成できる画像の特徴量を抽出すること
で、少数データの過学習を防ぐ
• Self-Supervised Discriminatorを提案
discriminatorに対するアイデア 8

• Self-Supervised Discriminator
– discriminatorの特徴量から入力画像(の縮小版や部
分領域)を再構成する
提案されたdiscriminator 9

• 再構成損失とヒンジ損失[1]で学習
– ヒンジ損失の計算が最も速かった
学習の定式化 10
f : discriminatorで抽出した特徴量
x : discriminatorへの入力画像
G() : デコーダ(再構成する処理)
T() : 縮小処理や部分領域を取り出す処理
[1] Jae Hyun Lim and Jong Chul Ye. Geometric gan. arXiv preprint arXiv:1705.02894, 2017.

• StyleGAN2[1][2]
– 最先端モデル
• Baseline
– DCGAN[3]をベースに様々な技術を統合した強力
なモデル
• Ours
– BaselineにSkip-Layer ExcitationとSelf-Supervised
Discriminatorを用いたモデル
実験で扱うモデル 11
[1] Tero Karras, Miika Aittala, Janne Hellsten, Samuli Laine, Jaakko Lehtinen, and Timo Aila. Training generative adversarial networks with
limited data. arXiv preprint arXiv:2006.06676, 2020a.
[2] Shengyu Zhao, Zhijian Liu, Ji Lin, Jun-Yan Zhu, and Song Han. Differentiable augmentation for data-efficient gan training. arXiv
preprint arXiv:2006.10738, 2020.
[3] Alec Radford, Luke Metz, and Soumith Chintala. Unsupervised representation learning with deep convolutional generative adversarial
networks. arXiv preprint arXiv:1511.06434, 2015.

• Pytorch[1]を使って実行
• 結果
– 計算時間はStyleGAN2のおよそ1/4、モデルのサイ
ズはおよそ半分
実験1 : 計算コスト比較 12
[1] Adam Paszke, Sam Gross, Soumith Chintala, Gregory Chanan, Edward Yang, Zachary DeVito, Zeming Lin, Alban Desmaison, Luca Antiga,
and Adam Lerer. Automatic differentiation in pytorch. 2017.

• データセット
– 様々なコンテンツの256×256と1024×1024の12個
の画像セット
– FFHQ[1], Animal-Face Dog and Cat[2], Oxford-
flowers[3]など
• 評価指標
– FID[4] : 実画像と生成画像の特徴距離を測定する最
も一般的な指標
実験2 : 定量評価と定性評価 13
[1] Tero Karras, Samuli Laine, and Timo Aila. A style-based generator architecture for generative adversarial networks. In Proceedings of
the IEEE conference on computer vision and pattern recognition, pp. 4401–4410, 2019.
[2] Zhangzhang Si and Song-Chun Zhu. Learning hybrid image templates (hit) by information projection. IEEE Transactions on pattern
analysis and machine intelligence, 34(7):1354–1367, 2011.
[3] Maria-Elena Nilsback and Andrew Zisserman. A visual vocabulary for flower classification. In IEEE Conference on Computer Vision and
Pattern Recognition, volume 2, pp. 1447–1454, 2006.
[4] Martin Heusel, Hubert Ramsauer, Thomas Unterthiner, Bernhard Nessler, and Sepp Hochreiter. Gans trained by a two time-scale
update rule converge to a local nash equilibrium. In Advances in neural information processing systems, pp. 6626–6637, 2017.

• 256×256(少数のデータ)
• 1024×1024(少数のデータ)
– 高性能で計算時間も短い
– Skipよりdecodeの恩恵が大きい
実験2 : 結果(定量評価) 14

• 1024×1024(多数のデータ)
– データが増えると徐々にStyleGAN2が有利
• Self-Supervised Discriminatorの比較
– 入力再構成(auto-encoding)が最も優れている
実験2 : 結果(定量評価) 15

• 1024×1024(10時間学習)
実験2 : 結果(定性評価) 16

• 1024×1024(10時間学習)
実験2 : 結果(定性評価) 17

• 少数データで高解像度の画像生成モデル
(GAN)を高速に学習させる技術の提案
– 軽量かつ効率的に学習可能なgenerator
– 少ないデータでもdiscriminatorを効果的に学習す
るための正則化
• 提案手法は少数データに対してStyleGAN2よ
り高性能
まとめ 18

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