A. 如何用 TensorFlow 实现生成式对抗网络
我们利用 TensorFlow 提供的 tf.train.AdamOptimizer 来控制学习速度。AdamOptimizer 通过使用动量（参数的移动平均数）来改善传统梯度下降，促进超参数动态调整。我们可以通过创建标签错误率的摘要标量来跟踪丢失和错误率：
# Create a placeholder for the summary statistics
with tf.name_scope("accuracy"):
# Compute the edit (Levenshtein) distance of the top path
distance =tf.edit_distance(tf.cast(self.decoded[0], tf.int32), self.targets)
# Compute the label error rate (accuracy)
self.ler =tf.rece_mean(distance, name='label_error_rate')
self.ler_placeholder =tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[])
self.train_ler_op =tf.summary.scalar("train_label_error_rate", self.ler_placeholder)
self.dev_ler_op =tf.summary.scalar("validation_label_error_rate", self.ler_placeholder)
self.test_ler_op =tf.summary.scalar("test_label_error_rate", self.ler_placeholder)
如何改进 RNN
现在我们构建了一个简单的 LSTM RNN 网络，下一个问题是：如何继续改进它看幸运的是，在开源社区里，很多大公司都开源了自己的最新语音识别模型。在 2016 年 9 月，微软的论文《The Microsoft 2016 Conversational Speech Recognition System》展示了在 NIST 200 Switchboard 数据中单系统残差网络错误率 6.9% 的新方式。他们在卷积+循环神经网络上使用了几种不同的声学和语言模型。微软的团队和其他研究人员在过去 4 年中做出的主要改进包括：
在基于字符的 RNN 上使用语言模型
使用卷积神经网络（CNN）从音频中获取特征
使用多个 RNN 模型组合
值得注意的是，在过去几十年里传统语音识别模型获得的研究成果，在目前的深度学习语音识别模型中仍然扮演着自己的角色。
修改自: A Historical Perspective of Speech Recognition, Xuedong Huang, James Baker, Raj Reddy Communications of the ACM, Vol. 57 No. 1, Pages 94-103, 2014
训练你的第一个 RNN 模型
在本教程的 Github 里，作者提供了一些介绍以帮助读者在 TensorFlow 中使用 RNN 和 CTC 损失函数训练端到端语音识别系统。大部分事例数据来自 LibriVox。数据被分别存放于以下文件夹中：
Train: train-clean-100-wav (5 examples)
Test: test-clean-wav (2 examples)
Dev: dev-clean-wav (2 examples)
当训练这些示例数据时，你会很快注意到训练数据的词错率（WER）会产生过拟合，而在测试和开发集中词错率则有 85% 左右。词错率不是 100% 的原因在于每个字母有 29 种可能性（a-z、逗号、空格和空白），神经网络很快就能学会：
某些字符（e，a，空格，r，s，t）比其他的更常见
辅音-元音-辅音是英文的构词特征
MFCC 输入声音信号振幅特征的增加只与字母 a-z 有关
B. 生成式对抗网络GAN（一）
上面这张图很好的很好的阐述了生成式对抗网络的结构~~ 博弈论
此图给出了生成性对抗网络的概述。目前最重要的是要理解GAN是使两个网络协同工作的一种方式 - 而Generator和Discriminator都有自己的架构。为了更好地理解这个想法的来源，我们需要回忆一些基本的代数并问自己 - 我们怎么能欺骗一个比大多数人更好地分类图像的神经网络？
在我们详细描述GAN之前，让我们看一下类似的主题。给定一个训练有素的分类器，我们可以生成一个欺骗网络的样本吗？如果我们这样做，它会是什么样子？
事实证明，我们可以。
甚至更多 - 对于几乎任何给定的图像分类器，可以将图像变换为另一个图像，这将被高度置信地错误分类，同时在视觉上与原始图像无法区分！这种过程称为对抗性攻击，生成方法的简单性解释了很多关于GAN的内容。
精心计算的示例中的对抗性示例，其目的是错误分类。以下是此过程的说明。左边的熊猫与右边的熊猫无法区分 - 但它被归类为长臂猿。
图像分类器本质上是高维空间中的复杂决策边界。当然，在对图像进行分类时，我们无法绘制这个边界。但我们可以安全地假设，当训练结束时，网络并不是针对所有图像进行推广的 - 仅针对我们在训练集中的那些图像。这种概括可能不是现实生活的良好近似。换句话说，它适用于我们的数据 - 我们将利用它。
让我们开始为图像添加随机噪声并使其非常接近零。我们可以通过控制噪声的L2范数来实现这一点。数学符号不应该让您担心 - 出于所有实际目的，您可以将L2范数视为向量的长度。这里的诀窍是你在图像中拥有的像素越多 - 它的平均L2范数就越大。因此，如果噪声的范数足够低，您可以预期它在视觉上难以察觉，而损坏的图像将远离矢量空间中的原始图像。
为什么？
好吧，如果HxW图像是矢量，那么我们添加到它的HxW噪声也是矢量。原始图像具有相当密集的各种颜色 - 这增加了L2规范。另一方面，噪声是一组视觉上混乱的相当苍白的像素 - 一个小范数的矢量。最后，我们将它们添加到一起，为损坏的图像获取新的矢量，这与原始图像相对接近 - 但却错误分类！
现在，如果原始类 Dog 的决策边界不是那么远（就L2范数而言），这种加性噪声将新图像置于决策边界之外。
您不需要成为世界级拓扑学家来理解某些类别的流形或决策边界。由于每个图像只是高维空间中的矢量，因此在其上训练的分类器将“所有猴子”定义为“由隐藏参数描述的该高维斑点中的所有图像矢量”。我们将该blob称为该类的决策边界。
好的，所以，你说我们可以通过添加随机噪声轻松欺骗网络。它与生成新图像有什么关系？
现在我们假设有两个结构模型，相当于两个神经网络：
这是关于判别网络D和生成网络G的价值函数（Value Function），训练网络D使得最大概率地分对训练样本的标签（最大化log D(x)），训练网络G最小化log(1 – D(G(z)))，即最大化D的损失。训练过程中固定一方，更新另一个网络的参数，交替迭代，使得对方的错误最大化，最终，G 能估测出样本数据的分布。生成模型G隐式地定义了一个概率分布Pg，我们希望Pg 收敛到数据真实分布Pdata。论文证明了这个极小化极大博弈当且仅当Pg = Pdata时存在最优解，即达到纳什均衡，此时生成模型G恢复了训练数据的分布，判别模型D的准确率等于50%。
接着上面最后一个问题：怎么才能生成我指定的图像呢？
指定标签去训练
顾名思义就是把标签也带进公式，得到有条件的公式：
具体怎么让CGAN更好的优化，这里不解释，就是平常的优化网络了。
参考文章：
本文大部分翻译此外文
通俗易懂
小博客的总结
唐宇迪大神
C. 【模型解读】历数GAN的5大基本结构
首发于微信公众号《有三AI》
【模型解读】历数GAN的5大基本结构
生成对抗网络是近几年来无监督学习领域里最大的进展，被誉为下一代深度学习，不管是研究热度还是论文数量，已经逼近甚至超越传统判别式的CNN架构。
这一次我们简单介绍一下生成对抗网络的主流模型结构，从一个生成器一个判别器到多个生成器多个判别器。
作者 | 言有三
编辑 | 言有三
我们这一期文章不打算从头开始讲述GAN，所以如果大家没有相关基础的，就先看一下我们上一期GAN的介绍。
【技术综述】有三说GANs（上）
一个基本的用于生成图像的GAN的结构就是这样的。
Generator就是生成器，它输入噪声，输出产生的图像。通常噪声就是一个一维的向量，经过reshape为二维图像，然后利用若干个反卷积层来学习上采样。
如全卷积的DCGAN模型[1]，输入就是1*100的向量，然后经过一个全连接层学习，reshape到4*4*1024的张量，再经过4个上采样的反卷积网络，生成64*64的图。
Discrimator就是普通的CNN分类器，输入真实样本或者生成的假样本进行分类，在DCGAN中也是4个卷积层。
采用多个判别器[2]的好处带来了类似于boosting的优势，训练一个过于好的判别器，会损坏生成器的性能，这是GAN面临的一个大难题。如果能够训练多个没有那么强的判别器，然后进行boosting，可以取得不错的效果，甚至连dropout技术都可以应用进来。
多个判别器还可以相互进行分工，比如在图像分类中，一个进行粗粒度的分类，一个进行细粒度的分类。在语音任务中，各自用于不同声道的处理。
一般来说，生成器相比判别器要完成的任务更难，因为它要完成数据概率密度的拟合，而判别器只需要进行判别，导致影响GAN性能的一个问题就是模式坍塌，即生成高度相似的样本。
采用多个生成器单个判别器的方法，可以有效地缓解这个问题。
从上图结构可以看出，多个生成器采用同样的结构，在网络的浅层还共享权重。
在利用GAN进行半监督的图像分类任务时，判别器需要同时担任两个角色，即判别生成的假样本，以及预测类别，这对判别器提出了较高的要求。通过增加一个分类器可以分担判别器的工作量，即将捕捉样本和标签的条件分布这一任务交给生成器和分类器，而判别器只专注于区分真实样本和生成的样本。
这一类结构以Triple Generative Adversarial Nets为代表，下图是它的网络结构。
多个生成器和多个判别器就又有几种。
5.1 级联结构[5]
早期以DCGAN为代表的网络生成的图片分辨率太低，质量不够好，都不超过100×100，在32×32或者64×64左右。这是因为难以一次性学习到生成高分辨率的样本，收敛过程容易不稳定。
类似的问题在图像分割，目标检测中都存在。在目标检测中，级联网络被广泛使用，即采用从粗到精的方法依次改进检测器的性能。在图像分割中进行上采样时也采用学习小倍率的放大而不是大倍率的方法，如利用两个2倍上采样替换一个4倍的上采样，不仅可以增强网络的表达能力，还降低了学习难度。
基于此，金字塔GAN结构被提出并广泛使用，它参考图像领域里面的金字塔结构由粗到精一步一步生成图像，并添加残差进行学习。
上图就是它的结构，从低分辨率z3开始，逐级提升，最终生成I0，这是一个金字塔形状的结构，以下符号较多用图片代替。
5.2 并行与循环结构[6]
GAN有一大应用就是风格化，实现两个域之间的风格互换，以CycleGAN[6]为典型代表。它包含了多个生成器和多个判别器。Cycle的典型结构如下：
X和Y分别表示两个域的图像，可知这里存在两个生成器G和F，分别用于从X到Y的生成和Y到X到生成，包含两个判别器，分别是Dx和Dy。而损失本身也增加了一个循环损失，感兴趣读者可以去细读文章。
另外在cross domain学习中也常用到多判别器多生成器多结构，分别学习不同的域。而且各个域的判别器和生成器通常会共享一些权重，如下图是CoGAN[7]的网络结构。
另外还有一些零零散散的结构，比如3D GAN，RNN GAN，由于都是上面这几类的变种，不再统一介绍。
[1] Radford A, Metz L, Chintala S, et al. Unsupervised Representation Learning with Deep Convolutional Generative Adversarial Networks[J]. international conference on learning representations, 2016.
[2] Durugkar I P, Gemp I, Mahadevan S, et al. Generative Multi-Adversarial Networks[J]. international conference on learning representations, 2017.
[3] Ghosh A, Kulharia V, Namboodiri V P, et al. Multi-Agent Diverse Generative Adversarial Networks[J]. computer vision and pattern recognition, 2018: 8513-8521.
[4] Chongxuan L I, Xu T, Zhu J, et al. Triple Generative Adversarial Nets[J]. neural information processing systems, 2017: 4088-4098.
[5] Denton E L, Chintala S, Szlam A, et al. Deep generative image models using a Laplacian pyramid of adversarial networks[J]. neural information processing systems, 2015: 1486-1494.
[6] Zhu J, Park T, Isola P, et al. Unpaired Image-to-Image Translation Using Cycle-Consistent Adversarial Networks[J]. international conference on computer vision, 2017: 2242-2251.
[7] Liu M, Tuzel O. Coupled Generative Adversarial Networks[J]. neural information processing systems, 2016: 469-477.
本系列的完整目录：
【模型解读】从LeNet到VGG，看卷积+池化串联的网络结构
【模型解读】network in network中的1*1卷积，你懂了吗
【模型解读】GoogLeNet中的inception结构，你看懂了吗
【模型解读】说说移动端基准模型MobileNets
【模型解读】pooling去哪儿了？
【模型解读】resnet中的残差连接，你确定真的看懂了？
【模型解读】“不正经”的卷积神经网络
【模型解读】“全连接”的卷积网络，有什么好？
【模型解读】从“局部连接”回到“全连接”的神经网络
【模型解读】深度学习网络只能有一个输入吗
【模型解读】从2D卷积到3D卷积，都有什么不一样
【模型解读】浅析RNN到LSTM
D. 一文看懂四种基本的神经网络架构
原文链接：
http://blackblog.tech/2018/02/23/Eight-Neural-Network/
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刚刚入门神经网络，往往会对众多的神经网络架构感到困惑，神经网络看起来复杂多样，但是这么多架构无非也就是三类，前馈神经网络，循环网络，对称连接网络，本文将介绍四种常见的神经网络，分别是CNN，RNN，DBN，GAN。通过这四种基本的神经网络架构，我们来对神经网络进行一定的了解。
神经网络是机器学习中的一种模型，是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。
一般来说，神经网络的架构可以分为三类：
前馈神经网络：
这是实际应用中最常见的神经网络类型。第一层是输入，最后一层是输出。如果有多个隐藏层，我们称之为“深度”神经网络。他们计算出一系列改变样本相似性的变换。各层神经元的活动是前一层活动的非线性函数。
循环网络：
循环网络在他们的连接图中定向了循环，这意味着你可以按照箭头回到你开始的地方。他们可以有复杂的动态，使其很难训练。他们更具有生物真实性。
循环网络的目的使用来处理序列数据。在传统的神经网络模型中，是从输入层到隐含层再到输出层，层与层之间是全连接的，每层之间的节点是无连接的。但是这种普通的神经网络对于很多问题却无能无力。例如，你要预测句子的下一个单词是什么，一般需要用到前面的单词，因为一个句子中前后单词并不是独立的。
循环神经网路，即一个序列当前的输出与前面的输出也有关。具体的表现形式为网络会对前面的信息进行记忆并应用于当前输出的计算中，即隐藏层之间的节点不再无连接而是有连接的，并且隐藏层的输入不仅包括输入层的输出还包括上一时刻隐藏层的输出。
对称连接网络：
对称连接网络有点像循环网络，但是单元之间的连接是对称的（它们在两个方向上权重相同）。比起循环网络，对称连接网络更容易分析。这个网络中有更多的限制，因为它们遵守能量函数定律。没有隐藏单元的对称连接网络被称为“Hopfield 网络”。有隐藏单元的对称连接的网络被称为玻尔兹曼机。
其实之前的帖子讲过一些关于感知机的内容，这里再复述一下。
首先还是这张图
这是一个M-P神经元
一个神经元有n个输入，每一个输入对应一个权值w，神经元内会对输入与权重做乘法后求和，求和的结果与偏置做差，最终将结果放入激活函数中，由激活函数给出最后的输出，输出往往是二进制的，0 状态代表抑制，1 状态代表激活。
可以把感知机看作是 n 维实例空间中的超平面决策面，对于超平面一侧的样本，感知器输出 1，对于另一侧的实例输出 0，这个决策超平面方程是 w⋅x=0。 那些可以被某一个超平面分割的正反样例集合称为线性可分(linearly separable)样例集合，它们就可以使用图中的感知机表示。
与、或、非问题都是线性可分的问题，使用一个有两输入的感知机能容易地表示，而异或并不是一个线性可分的问题，所以使用单层感知机是不行的，这时候就要使用多层感知机来解决疑惑问题了。
如果我们要训练一个感知机，应该怎么办呢？
我们会从随机的权值开始，反复地应用这个感知机到每个训练样例，只要它误分类样例就修改感知机的权值。重复这个过程，直到感知机正确分类所有的样例。每一步根据感知机训练法则来修改权值，也就是修改与输入 xi 对应的权 wi，法则如下：
这里 t 是当前训练样例的目标输出，o 是感知机的输出，η 是一个正的常数称为学习速率。学习速率的作用是缓和每一步调整权的程度，它通常被设为一个小的数值（例如 0.1），而且有时会使其随着权调整次数的增加而衰减。
多层感知机，或者说是多层神经网络无非就是在输入层与输出层之间加了多个隐藏层而已，后续的CNN，DBN等神经网络只不过是将重新设计了每一层的类型。感知机可以说是神经网络的基础，后续更为复杂的神经网络都离不开最简单的感知机的模型，
谈到机器学习，我们往往还会跟上一个词语，叫做模式识别，但是真实环境中的模式识别往往会出现各种问题。比如：
图像分割：真实场景中总是掺杂着其它物体。很难判断哪些部分属于同一个对象。对象的某些部分可以隐藏在其他对象的后面。
物体光照：像素的强度被光照强烈影响。
图像变形：物体可以以各种非仿射方式变形。例如，手写也可以有一个大的圆圈或只是一个尖头。
情景支持：物体所属类别通常由它们的使用方式来定义。例如，椅子是为了让人们坐在上面而设计的，因此它们具有各种各样的物理形状。
卷积神经网络与普通神经网络的区别在于，卷积神经网络包含了一个由卷积层和子采样层构成的特征抽取器。在卷积神经网络的卷积层中，一个神经元只与部分邻层神经元连接。在CNN的一个卷积层中，通常包含若干个特征平面(featureMap)，每个特征平面由一些矩形排列的的神经元组成，同一特征平面的神经元共享权值，这里共享的权值就是卷积核。卷积核一般以随机小数矩阵的形式初始化，在网络的训练过程中卷积核将学习得到合理的权值。共享权值（卷积核）带来的直接好处是减少网络各层之间的连接，同时又降低了过拟合的风险。子采样也叫做池化（pooling），通常有均值子采样（mean pooling）和最大值子采样（max pooling）两种形式。子采样可以看作一种特殊的卷积过程。卷积和子采样大大简化了模型复杂度，减少了模型的参数。
卷积神经网络由三部分构成。第一部分是输入层。第二部分由n个卷积层和池化层的组合组成。第三部分由一个全连结的多层感知机分类器构成。
这里举AlexNet为例：
·输入：224×224大小的图片，3通道
·第一层卷积：11×11大小的卷积核96个，每个GPU上48个。
·第一层max-pooling：2×2的核。
·第二层卷积：5×5卷积核256个，每个GPU上128个。
·第二层max-pooling：2×2的核。
·第三层卷积：与上一层是全连接，3*3的卷积核384个。分到两个GPU上个192个。
·第四层卷积：3×3的卷积核384个，两个GPU各192个。该层与上一层连接没有经过pooling层。
·第五层卷积：3×3的卷积核256个，两个GPU上个128个。
·第五层max-pooling：2×2的核。
·第一层全连接：4096维，将第五层max-pooling的输出连接成为一个一维向量，作为该层的输入。
·第二层全连接：4096维
·Softmax层：输出为1000，输出的每一维都是图片属于该类别的概率。
卷积神经网络在模式识别领域有着重要应用，当然这里只是对卷积神经网络做了最简单的讲解，卷积神经网络中仍然有很多知识，比如局部感受野，权值共享，多卷积核等内容，后续有机会再进行讲解。
传统的神经网络对于很多问题难以处理，比如你要预测句子的下一个单词是什么，一般需要用到前面的单词，因为一个句子中前后单词并不是独立的。RNN之所以称为循环神经网路，即一个序列当前的输出与前面的输出也有关。具体的表现形式为网络会对前面的信息进行记忆并应用于当前输出的计算中，即隐藏层之间的节点不再无连接而是有连接的，并且隐藏层的输入不仅包括输入层的输出还包括上一时刻隐藏层的输出。理论上，RNN能够对任何长度的序列数据进行处理。
这是一个简单的RNN的结构，可以看到隐藏层自己是可以跟自己进行连接的。
那么RNN为什么隐藏层能够看到上一刻的隐藏层的输出呢，其实我们把这个网络展开来开就很清晰了。
从上面的公式我们可以看出，循环层和全连接层的区别就是循环层多了一个权重矩阵 W。
如果反复把式2带入到式1，我们将得到：
在讲DBN之前，我们需要对DBN的基本组成单位有一定的了解，那就是RBM，受限玻尔兹曼机。
首先什么是玻尔兹曼机？
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如图所示为一个玻尔兹曼机，其蓝色节点为隐层，白色节点为输入层。
玻尔兹曼机和递归神经网络相比，区别体现在以下几点：
1、递归神经网络本质是学习一个函数，因此有输入和输出层的概念，而玻尔兹曼机的用处在于学习一组数据的“内在表示”，因此其没有输出层的概念。
2、递归神经网络各节点链接为有向环，而玻尔兹曼机各节点连接成无向完全图。
而受限玻尔兹曼机是什么呢？
最简单的来说就是加入了限制，这个限制就是将完全图变成了二分图。即由一个显层和一个隐层构成，显层与隐层的神经元之间为双向全连接。
h表示隐藏层，v表示显层
在RBM中，任意两个相连的神经元之间有一个权值w表示其连接强度，每个神经元自身有一个偏置系数b（对显层神经元）和c（对隐层神经元）来表示其自身权重。
具体的公式推导在这里就不展示了
DBN是一个概率生成模型，与传统的判别模型的神经网络相对，生成模型是建立一个观察数据和标签之间的联合分布，对P(Observation|Label)和 P(Label|Observation)都做了评估，而判别模型仅仅而已评估了后者，也就是P(Label|Observation)。
DBN由多个限制玻尔兹曼机（Restricted Boltzmann Machines）层组成，一个典型的神经网络类型如图所示。这些网络被“限制”为一个可视层和一个隐层，层间存在连接，但层内的单元间不存在连接。隐层单元被训练去捕捉在可视层表现出来的高阶数据的相关性。
生成对抗网络其实在之前的帖子中做过讲解，这里在说明一下。
生成对抗网络的目标在于生成，我们传统的网络结构往往都是判别模型，即判断一个样本的真实性。而生成模型能够根据所提供的样本生成类似的新样本，注意这些样本是由计算机学习而来的。
GAN一般由两个网络组成，生成模型网络，判别模型网络。
生成模型 G 捕捉样本数据的分布，用服从某一分布（均匀分布，高斯分布等）的噪声 z 生成一个类似真实训练数据的样本，追求效果是越像真实样本越好；判别模型 D 是一个二分类器，估计一个样本来自于训练数据（而非生成数据）的概率，如果样本来自于真实的训练数据，D 输出大概率，否则，D 输出小概率。
举个例子：生成网络 G 好比假币制造团伙，专门制造假币，判别网络 D 好比警察，专门检测使用的货币是真币还是假币，G 的目标是想方设法生成和真币一样的货币，使得 D 判别不出来，D 的目标是想方设法检测出来 G 生成的假币。
传统的判别网络：
生成对抗网络：
下面展示一个cDCGAN的例子（前面帖子中写过的）
生成网络
判别网络
最终结果，使用MNIST作为初始样本，通过学习后生成的数字，可以看到学习的效果还是不错的。
本文非常简单的介绍了四种神经网络的架构，CNN，RNN，DBN，GAN。当然也仅仅是简单的介绍，并没有深层次讲解其内涵。这四种神经网络的架构十分常见，应用也十分广泛。当然关于神经网络的知识，不可能几篇帖子就讲解完，这里知识讲解一些基础知识，帮助大家快速入（zhuang）门（bi）。后面的帖子将对深度自动编码器，Hopfield 网络长短期记忆网络（LSTM）进行讲解。