Deep-Fake原理揭示：使用WGAN-GP算法构造精致人脸

在上一节中可以看到基于”推土距离“的WGAN网络能够有效生成马图片，但是网络构造能力有所不足，因此导致有些图片模糊，甚至有些图片连马的轮廓都没有构建出来，本节我们改进WGAN网络，让它具有更强大的图像生成能力。

在介绍WGAN网络算法时提到，如果把网络看成一个函数，那么网络要想具备好的图像生成能力就必须满足1-Lipshitz条件，也就是要满足公式：

根据微积分的中值定理，如果函数f(x)可导，那么对任意x1,x2，可以找到位于(x1,x2)之间的x3，使得如下公式成了：

将它带入到上面公式就有：

这意味着如果函数满足1-Lipshitz条件，那么它必须在定义域内的没一点都可导，而且其求倒数后的结果绝对值不能大于1，这是一个相当苛刻的条件。所以上一节描述WGAN网络时，算法作者想不到好的办法让构造的网络满足这个条件，于是”拍脑袋“想出了将网络内部参数的数值全部剪切到(-1,1)之间，这也是造成网络生成图像质量不好的原因。

如果把函数f看做鉴别者网络，把输入的参数x看做是输入网络的图片，那么需要网络对所有输入图片求导后，所得结果求模后不大于1.这里需要进一步解释的是，由于图片含有多个像素点，如果把每一个像素点的值都看成是输入网络的参数，那么网络就是一个多元函数f(x1,x2,….xn)，其中x1,x2…xn就是输入图片的像素值，对其求导就是分别针对x1,x2…xn求导，如果使用f1对应与针对x1求导后的结果，那么对所有x1,x2…xn求导后就会得到一个向量(f1,f2….fn),将该向量求模就对应第二个公式中的|f’(xn)|。

问题在于算法要求对所有输入图片都要满足求模后结果不大于1的要求，这点我们无法做到，因为我们不可能拿所有图像输入到网络。例如要让网络生成人脸，我们也不可能拿所有人脸图像来训练网络，因此就要做折中或妥协，我们拿一张真的人脸图像，然后用构造者网络生成一张假的人脸图像，在这两个人脸图像之间取一点，然后让网络对该点求导后结果的绝对值不大于1即可，算法流程如下图所示：

由于WGAN-GP算法相对于上一节的WGAN算法，只是针对鉴别者网络的训练过程做了修改，其他都没变，因此这里只给出WGAN-GP的鉴别者网络训练代码：

def train_discriminator(self, image_batch):'''训练鉴别师网络，它的训练分两步骤，首先是输入正确图片，让网络有识别正确图片的能力。然后使用生成者网络构造图片，并告知鉴别师网络图片为假，让网络具有识别生成者网络伪造图片的能力'''with tf.GradientTape(persistent=True, watch_accessed_variables=False) as tape: #只修改鉴别者网络的内部参数tape.watch(self.discriminator.trainable_variables)noise = tf.random.normal([len(image_batch), self.z_dim])true_logits = self.discriminator(image_batch, training = True)gen_imgs = self.generator(noise, training = True) #让生成者网络根据关键向量生成图片fake_logits = self.discriminator(gen_imgs, training = True)d_loss_real = tf.multiply(tf.ones_like(true_logits), true_logits)#根据推土距离将真图片的标签设置为1d_loss_fake = tf.multiply(-tf.ones_like(fake_logits), fake_logits)#将伪造图片的标签设置为-1with tf.GradientTape(watch_accessed_variables=False) as iterploted_tape:#注意此处是与WGAn的主要差异t = tf.random.uniform(shape = (len(image_batch), 1, 1, 1)) #生成[0,1]区间的随机数interploted_imgs = tf.add(tf.multiply(1 - t, image_batch), tf.multiply(t, gen_imgs)) #获得真实图片与虚假图片中间的差值iterploted_tape.watch(interploted_imgs)interploted_loss = self.discriminator(interploted_imgs)interploted_imgs_grads = iterploted_tape.gradient(interploted_loss, interploted_imgs)#针对差值求导grad_norms = tf.norm(interploted_imgs_grads)penalty = 10 * tf.reduce_mean((grad_norms - 1) ** 2)#确保差值求导所得的模不超过1d_loss = d_loss_real + d_loss_fake + penalty #penalty 对应WGAN-GP中的GPgrads = tape.gradient(d_loss , self.discriminator.trainable_variables)self.discriminator_optimizer.apply_gradients(zip(grads, self.discriminator.trainable_variables)) #改进鉴别者网络内部参数self.d_loss.append(d_loss)self.d_loss_real.append(d_loss_real)self.d_loss_fake.append(d_loss_fake)

这里要注意代码中实现在真假图片中间取数值点，然后让其倒数求模不超过1的实现，也就是interploted_imgs_grads的计算过程，这一小片代码决定了网络最终生成图像的质量，使用WGA-GP算法训练网络后，最终生成的人脸图像如下：

可以看到网络生成的人脸图像非常细腻生动，虽然有些人脸图像不够清楚，但绝大多数人脸图像，例如第一行第一章人脸图像，你很难想象它是由神经网络生成的虚拟人脸图像，因为它太逼真了。前段时间流行的deep fake，其原理差不多，只是在实现的技术层面做了更多的优化和处理。

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