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Generazione di immagini con BigBiGAN

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Questo notebook è una demo per i modelli BigBiGAN disponibili su TF Hub .

BigBiGAN estende GANS standard (grande) con l'aggiunta di un modulo encoder che può essere utilizzato per l'apprendimento non supervisionato la rappresentazione. Grosso modo, si inverte encoder generatore prevedendo latenti z proposta reale dati x . Vedere la carta BigBiGAN su arXiv per ulteriori informazioni su questi modelli [1].

Dopo esserti connesso a un runtime, inizia seguendo queste istruzioni:

  1. (Facoltativo) Aggiornamento selezionato module_path nella prima cella codice sottostante per caricare un generatore BigBiGAN per una diversa architettura encoder.
  2. Clicca Runtime> Esegui tutto per eseguire ogni cella in ordine. Successivamente, gli output, comprese le visualizzazioni di campioni e ricostruzioni BigBiGAN, dovrebbero apparire automaticamente di seguito.

[1] Jeff Donahue e Karen Simonyan. Large Scale Adversarial Rappresentanza di apprendimento . arXiv: 1.907,02,544 mila, 2019.

Innanzitutto, imposta il percorso del modulo. Per default, si carica il modello BigBiGAN con il codificatore minore basata RESNET-50 da https://tfhub.dev/deepmind/bigbigan-resnet50/1 . Per caricare il RevNet-50-x4 modello più grande base utilizzato per ottenere i migliori risultati di apprendimento rappresentazione, commentare l'attiva module_path impostazione e rimuovere il commento l'altro.

module_path = 'https://tfhub.dev/deepmind/bigbigan-resnet50/1'  # ResNet-50
# module_path = 'https://tfhub.dev/deepmind/bigbigan-revnet50x4/1'  # RevNet-50 x4

Impostare

import io
import IPython.display
import PIL.Image
from pprint import pformat

import numpy as np

import tensorflow.compat.v1 as tf
tf.disable_v2_behavior()

import tensorflow_hub as hub
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow/python/compat/v2_compat.py:111: disable_resource_variables (from tensorflow.python.ops.variable_scope) is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
non-resource variables are not supported in the long term

Definire alcune funzioni per visualizzare le immagini

def imgrid(imarray, cols=4, pad=1, padval=255, row_major=True):
  """Lays out a [N, H, W, C] image array as a single image grid."""
  pad = int(pad)
  if pad < 0:
    raise ValueError('pad must be non-negative')
  cols = int(cols)
  assert cols >= 1
  N, H, W, C = imarray.shape
  rows = N // cols + int(N % cols != 0)
  batch_pad = rows * cols - N
  assert batch_pad >= 0
  post_pad = [batch_pad, pad, pad, 0]
  pad_arg = [[0, p] for p in post_pad]
  imarray = np.pad(imarray, pad_arg, 'constant', constant_values=padval)
  H += pad
  W += pad
  grid = (imarray
          .reshape(rows, cols, H, W, C)
          .transpose(0, 2, 1, 3, 4)
          .reshape(rows*H, cols*W, C))
  if pad:
    grid = grid[:-pad, :-pad]
  return grid

def interleave(*args):
  """Interleaves input arrays of the same shape along the batch axis."""
  if not args:
    raise ValueError('At least one argument is required.')
  a0 = args[0]
  if any(a.shape != a0.shape for a in args):
    raise ValueError('All inputs must have the same shape.')
  if not a0.shape:
    raise ValueError('Inputs must have at least one axis.')
  out = np.transpose(args, [1, 0] + list(range(2, len(a0.shape) + 1)))
  out = out.reshape(-1, *a0.shape[1:])
  return out

def imshow(a, format='png', jpeg_fallback=True):
  """Displays an image in the given format."""
  a = a.astype(np.uint8)
  data = io.BytesIO()
  PIL.Image.fromarray(a).save(data, format)
  im_data = data.getvalue()
  try:
    disp = IPython.display.display(IPython.display.Image(im_data))
  except IOError:
    if jpeg_fallback and format != 'jpeg':
      print ('Warning: image was too large to display in format "{}"; '
             'trying jpeg instead.').format(format)
      return imshow(a, format='jpeg')
    else:
      raise
  return disp

def image_to_uint8(x):
  """Converts [-1, 1] float array to [0, 255] uint8."""
  x = np.asarray(x)
  x = (256. / 2.) * (x + 1.)
  x = np.clip(x, 0, 255)
  x = x.astype(np.uint8)
  return x

Carica un modulo Hub BigBiGAN TF e visualizza le sue funzionalità disponibili

# module = hub.Module(module_path, trainable=True, tags={'train'})  # training
module = hub.Module(module_path)  # inference

for signature in module.get_signature_names():
  print('Signature:', signature)
  print('Inputs:', pformat(module.get_input_info_dict(signature)))
  print('Outputs:', pformat(module.get_output_info_dict(signature)))
  print()
Signature: default
Inputs: {'x': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 256, 256, 3) dtype=float32 is_sparse=False>}
Outputs: {'default': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 120) dtype=float32 is_sparse=False>}

Signature: generate
Inputs: {'z': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 120) dtype=float32 is_sparse=False>}
Outputs: {'default': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 128, 128, 3) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'upsampled': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 256, 256, 3) dtype=float32 is_sparse=False>}

Signature: discriminate
Inputs: {'x': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 128, 128, 3) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'z': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 120) dtype=float32 is_sparse=False>}
Outputs: {'score_x': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?,) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'score_xz': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?,) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'score_z': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?,) dtype=float32 is_sparse=False>}

Signature: encode
Inputs: {'x': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 256, 256, 3) dtype=float32 is_sparse=False>}
Outputs: {'avepool_feat': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 2048) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'bn_crelu_feat': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 4096) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'default': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 120) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'z_mean': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 120) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'z_sample': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 120) dtype=float32 is_sparse=False>,
 'z_stdev': <hub.ParsedTensorInfo shape=(?, 120) dtype=float32 is_sparse=False>}

Definire una classe wrapper per un comodo accesso a varie funzioni

class BigBiGAN(object):

  def __init__(self, module):
    """Initialize a BigBiGAN from the given TF Hub module."""
    self._module = module

  def generate(self, z, upsample=False):
    """Run a batch of latents z through the generator to generate images.

    Args:
      z: A batch of 120D Gaussian latents, shape [N, 120].

    Returns: a batch of generated RGB images, shape [N, 128, 128, 3], range
      [-1, 1].
    """
    outputs = self._module(z, signature='generate', as_dict=True)
    return outputs['upsampled' if upsample else 'default']

  def make_generator_ph(self):
    """Creates a tf.placeholder with the dtype & shape of generator inputs."""
    info = self._module.get_input_info_dict('generate')['z']
    return tf.placeholder(dtype=info.dtype, shape=info.get_shape())

  def gen_pairs_for_disc(self, z):
    """Compute generator input pairs (G(z), z) for discriminator, given z.

    Args:
      z: A batch of latents (120D standard Gaussians), shape [N, 120].

    Returns: a tuple (G(z), z) of discriminator inputs.
    """
    # Downsample 256x256 image x for 128x128 discriminator input.
    x = self.generate(z)
    return x, z

  def encode(self, x, return_all_features=False):
    """Run a batch of images x through the encoder.

    Args:
      x: A batch of data (256x256 RGB images), shape [N, 256, 256, 3], range
        [-1, 1].
      return_all_features: If True, return all features computed by the encoder.
        Otherwise (default) just return a sample z_hat.

    Returns: the sample z_hat of shape [N, 120] (or a dict of all features if
      return_all_features).
    """
    outputs = self._module(x, signature='encode', as_dict=True)
    return outputs if return_all_features else outputs['z_sample']

  def make_encoder_ph(self):
    """Creates a tf.placeholder with the dtype & shape of encoder inputs."""
    info = self._module.get_input_info_dict('encode')['x']
    return tf.placeholder(dtype=info.dtype, shape=info.get_shape())

  def enc_pairs_for_disc(self, x):
    """Compute encoder input pairs (x, E(x)) for discriminator, given x.

    Args:
      x: A batch of data (256x256 RGB images), shape [N, 256, 256, 3], range
        [-1, 1].

    Returns: a tuple (downsample(x), E(x)) of discriminator inputs.
    """
    # Downsample 256x256 image x for 128x128 discriminator input.
    x_down = tf.nn.avg_pool(x, ksize=2, strides=2, padding='SAME')
    z = self.encode(x)
    return x_down, z

  def discriminate(self, x, z):
    """Compute the discriminator scores for pairs of data (x, z).

    (x, z) must be batches with the same leading batch dimension, and joint
      scores are computed on corresponding pairs x[i] and z[i].

    Args:
      x: A batch of data (128x128 RGB images), shape [N, 128, 128, 3], range
        [-1, 1].
      z: A batch of latents (120D standard Gaussians), shape [N, 120].

    Returns:
      A dict of scores:
        score_xz: the joint scores for the (x, z) pairs.
        score_x: the unary scores for x only.
        score_z: the unary scores for z only.
    """
    inputs = dict(x=x, z=z)
    return self._module(inputs, signature='discriminate', as_dict=True)

  def reconstruct_x(self, x, use_sample=True, upsample=False):
    """Compute BigBiGAN reconstructions of images x via G(E(x)).

    Args:
      x: A batch of data (256x256 RGB images), shape [N, 256, 256, 3], range
        [-1, 1].
      use_sample: takes a sample z_hat ~ E(x). Otherwise, deterministically
        use the mean. (Though a sample z_hat may be far from the mean z,
        typically the resulting recons G(z_hat) and G(z) are very
        similar.
      upsample: if set, upsample the reconstruction to the input resolution
        (256x256). Otherwise return the raw lower resolution generator output
        (128x128).

    Returns: a batch of recons G(E(x)), shape [N, 256, 256, 3] if
      `upsample`, otherwise [N, 128, 128, 3].
    """
    if use_sample:
      z = self.encode(x)
    else:
      z = self.encode(x, return_all_features=True)['z_mean']
    recons = self.generate(z, upsample=upsample)
    return recons

  def losses(self, x, z):
    """Compute per-module BigBiGAN losses given data & latent sample batches.

    Args:
      x: A batch of data (256x256 RGB images), shape [N, 256, 256, 3], range
        [-1, 1].
      z: A batch of latents (120D standard Gaussians), shape [M, 120].

    For the original BigBiGAN losses, pass batches of size N=M=2048, with z's
    sampled from a 120D standard Gaussian (e.g., np.random.randn(2048, 120)),
    and x's sampled from the ImageNet (ILSVRC2012) training set with the
    "ResNet-style" preprocessing from:

        https://github.com/tensorflow/tpu/blob/master/models/official/resnet/resnet_preprocessing.py

    Returns:
      A dict of per-module losses:
        disc: loss for the discriminator.
        enc: loss for the encoder.
        gen: loss for the generator.
    """
    # Compute discriminator scores on (x, E(x)) pairs.
    # Downsample 256x256 image x for 128x128 discriminator input.
    scores_enc_x_dict = self.discriminate(*self.enc_pairs_for_disc(x))
    scores_enc_x = tf.concat([scores_enc_x_dict['score_xz'],
                              scores_enc_x_dict['score_x'],
                              scores_enc_x_dict['score_z']], axis=0)

    # Compute discriminator scores on (G(z), z) pairs.
    scores_gen_z_dict = self.discriminate(*self.gen_pairs_for_disc(z))
    scores_gen_z = tf.concat([scores_gen_z_dict['score_xz'],
                              scores_gen_z_dict['score_x'],
                              scores_gen_z_dict['score_z']], axis=0)

    disc_loss_enc_x = tf.reduce_mean(tf.nn.relu(1. - scores_enc_x))
    disc_loss_gen_z = tf.reduce_mean(tf.nn.relu(1. + scores_gen_z))
    disc_loss = disc_loss_enc_x + disc_loss_gen_z

    enc_loss = tf.reduce_mean(scores_enc_x)
    gen_loss = tf.reduce_mean(-scores_gen_z)

    return dict(disc=disc_loss, enc=enc_loss, gen=gen_loss)

Crea tensori da utilizzare in seguito per calcolare campioni, ricostruzioni, punteggi discriminatori e perdite

bigbigan = BigBiGAN(module)

# Make input placeholders for x (`enc_ph`) and z (`gen_ph`).
enc_ph = bigbigan.make_encoder_ph()
gen_ph = bigbigan.make_generator_ph()

# Compute samples G(z) from encoder input z (`gen_ph`).
gen_samples = bigbigan.generate(gen_ph)

# Compute reconstructions G(E(x)) of encoder input x (`enc_ph`).
recon_x = bigbigan.reconstruct_x(enc_ph, upsample=True)

# Compute encoder features used for representation learning evaluations given
# encoder input x (`enc_ph`).
enc_features = bigbigan.encode(enc_ph, return_all_features=True)

# Compute discriminator scores for encoder pairs (x, E(x)) given x (`enc_ph`)
# and generator pairs (G(z), z) given z (`gen_ph`).
disc_scores_enc = bigbigan.discriminate(*bigbigan.enc_pairs_for_disc(enc_ph))
disc_scores_gen = bigbigan.discriminate(*bigbigan.gen_pairs_for_disc(gen_ph))

# Compute losses.
losses = bigbigan.losses(enc_ph, gen_ph)
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore
INFO:tensorflow:Saver not created because there are no variables in the graph to restore

Crea una sessione TensorFlow e inizializza le variabili

init = tf.global_variables_initializer()
sess = tf.Session()
sess.run(init)

Campioni del generatore

In primo luogo, ci visualizziamo campioni dal generatore BigBiGAN preaddestrato mediante campionamento generatore ingressi z da uno standard gaussiana (via np.random.randn ) e visualizzare le immagini che produce. Finora non stiamo andando oltre le capacità di un GAN standard: stiamo solo usando il generatore (e ignorando l'encoder) per ora.

feed_dict = {gen_ph: np.random.randn(32, 120)}
_out_samples = sess.run(gen_samples, feed_dict=feed_dict)
print('samples shape:', _out_samples.shape)
imshow(imgrid(image_to_uint8(_out_samples), cols=4))
samples shape: (32, 128, 128, 3)

png

Caricare test_images dal set di dati TF-Fiori

BigBiGAN è addestrato su ImageNet, ma poiché è troppo grande per essere utilizzato in questa demo, utilizziamo il set di dati TF-Flowers [1] più piccolo come input per la visualizzazione delle ricostruzioni e il calcolo delle funzionalità dell'encoder.

In questa cella caricate TF-Flowers (scaricando il set di dati se necessario) e memorizzare una serie fissa di 256x256 campioni di immagine RGB in NumPy matrice test_images .

[1] https://www.tensorflow.org/datasets/catalog/tf_flowers

def get_flowers_data():
  """Returns a [32, 256, 256, 3] np.array of preprocessed TF-Flowers samples."""
  import tensorflow_datasets as tfds
  ds, info = tfds.load('tf_flowers', split='train', with_info=True)

  # Just get the images themselves as we don't need labels for this demo.
  ds = ds.map(lambda x: x['image'])

  # Filter out small images (with minor edge length <256).
  ds = ds.filter(lambda x: tf.reduce_min(tf.shape(x)[:2]) >= 256)

  # Take the center square crop of the image and resize to 256x256.
  def crop_and_resize(image):
    imsize = tf.shape(image)[:2]
    minor_edge = tf.reduce_min(imsize)
    start = (imsize - minor_edge) // 2
    stop = start + minor_edge
    cropped_image = image[start[0] : stop[0], start[1] : stop[1]]
    resized_image = tf.image.resize_bicubic([cropped_image], [256, 256])[0]
    return resized_image
  ds = ds.map(crop_and_resize)

  # Convert images from [0, 255] uint8 to [-1, 1] float32.
  ds = ds.map(lambda image: tf.cast(image, tf.float32) / (255. / 2.) - 1)

  # Take the first 32 samples.
  ds = ds.take(32)

  return np.array(list(tfds.as_numpy(ds)))

test_images = get_flowers_data()
2021-11-05 12:42:36.340550: W tensorflow/core/kernels/data/cache_dataset_ops.cc:768] The calling iterator did not fully read the dataset being cached. In order to avoid unexpected truncation of the dataset, the partially cached contents of the dataset  will be discarded. This can happen if you have an input pipeline similar to `dataset.cache().take(k).repeat()`. You should use `dataset.take(k).cache().repeat()` instead.

Ricostruzioni

Ora visualizziamo ricostruzioni BigBiGAN passando immagini reali attraverso l'encoder e indietro attraverso il generatore, calcolando G(E(x)) dato immagini x . Qui di seguito, le immagini in ingresso x sono mostrati nella colonna di sinistra, e ricostruzioni corrispondenti sono mostrati a destra.

Nota che le ricostruzioni non sono corrispondenze perfette per i pixel con le immagini di input; piuttosto, tendono a catturare il contenuto semantico di livello superiore dell'input mentre "dimenticano" la maggior parte dei dettagli di basso livello. Ciò suggerisce che il codificatore BigBiGAN può imparare a catturare i tipi di informazioni semantiche di alto livello sulle immagini che vorremmo vedere in un approccio di apprendimento della rappresentazione.

Si noti inoltre che le ricostruzioni grezze delle immagini di input 256x256 sono alla risoluzione inferiore prodotta dal nostro generatore: 128x128. Li ricampioniamo per scopi di visualizzazione.

test_images_batch = test_images[:16]
_out_recons = sess.run(recon_x, feed_dict={enc_ph: test_images_batch})
print('reconstructions shape:', _out_recons.shape)

inputs_and_recons = interleave(test_images_batch, _out_recons)
print('inputs_and_recons shape:', inputs_and_recons.shape)
imshow(imgrid(image_to_uint8(inputs_and_recons), cols=2))
reconstructions shape: (16, 256, 256, 3)
inputs_and_recons shape: (32, 256, 256, 3)

png

Caratteristiche dell'encoder

Dimostriamo ora come calcolare le caratteristiche dall'encoder utilizzato per le valutazioni di apprendimento della rappresentazione standard.

Queste funzionalità potrebbero essere utilizzate in un classificatore lineare o basato sui vicini più prossimi. Includiamo una funzione standard presa dopo la messa in comune media globale (tasto avepool_feat ), così come la più grande caratteristica "BN + CReLU" (tasto bn_crelu_feat ) utilizzata per ottenere i migliori risultati.

_out_features = sess.run(enc_features, feed_dict={enc_ph: test_images_batch})
print('AvePool features shape:', _out_features['avepool_feat'].shape)
print('BN+CReLU features shape:', _out_features['bn_crelu_feat'].shape)
AvePool features shape: (16, 2048)
BN+CReLU features shape: (16, 4096)

Punteggi e perdite discriminatori

Infine, calcoleremo i punteggi e le perdite del discriminatore su batch di coppie di codificatori e generatori. Queste perdite potrebbero essere trasferite a un ottimizzatore per addestrare BigBiGAN.

Usiamo la nostra serie di immagini di cui sopra come gli ingressi encoder x , calcolando il punteggio encoder come D(x, E(x)) . Per gli ingressi del generatore abbiamo campione z da una serie 120D gaussiana via np.random.randn , calcolare il punteggio generatore come D(G(z), z) .

Il discriminatore prevede un punteggio congiunta score_xz per i (x, z) paia nonché colonne unari score_x e score_z per x e z da solo, rispettivamente. È addestrato per assegnare punteggi alti (positivi) alle coppie di codificatori e punteggi bassi (negativi) alle coppie di generatori. Ciò vale soprattutto sotto, sebbene il unario score_z è negativo in entrambi i casi, indicando che l'encoder uscite E(x) assomigliare campioni reali da una gaussiana.

feed_dict = {enc_ph: test_images, gen_ph: np.random.randn(32, 120)}
_out_scores_enc, _out_scores_gen, _out_losses = sess.run(
    [disc_scores_enc, disc_scores_gen, losses], feed_dict=feed_dict)
print('Encoder scores:', {k: v.mean() for k, v in _out_scores_enc.items()})
print('Generator scores:', {k: v.mean() for k, v in _out_scores_gen.items()})
print('Losses:', _out_losses)
Encoder scores: {'score_xz': 0.6921617, 'score_z': -0.50248873, 'score_x': 1.4621685}
Generator scores: {'score_xz': -0.8883822, 'score_z': -0.45992172, 'score_x': -0.5907474}
Losses: {'disc': 1.2274433, 'enc': 0.55200976, 'gen': 0.64635044}