دليل خطوة بخطوة لإعداد وتدريب شبكات التخزين العالمية لتوليد الصور

فيما يلي برنامج تعليمي أساسي حول إعداد نماذج توليد الصور وتدريبها باستخدام شبكات الخصومة التوليدية (GANs) باستخدام TensorFlow و PyTorch. يفترض هذا الدليل فهمًا أساسيًا للبايثون والمفاهيم الأساسية للتعلم الآلي.

1. إعداد البيئة الخاصة بك

تثبيت المكتبات الضرورية

تأكد من تثبيت Python. ستحتاج أيضًا إلى تثبيت TensorFlow أو PyTorch مع بعض المكتبات الأساسية الأخرى.

بالنسبة ل TensorFlow:

Shell

 

pip install tensorflow numpy matplotlib

بالنسبة ل PyTorch:

Shell

 

pip install torch torchvision numpy matplotlib

استيراد المكتبات

Python

 

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# بالنسبة ل TensorFlow
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.layers import Dense, Reshape, Flatten, Conv2D, Conv2DTranspose, LeakyReLU, Dropout
from tensorflow.keras.models import Sequential

# بالنسبة ل PyTorch
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader

2. تحميل وإعداد مجموعة البيانات

باستخدام مجموعة بيانات MNIST كمثال.

بالنسبة إلى TensorFlow:

Python

 

(train_images, train_labels), (_, _) = tf.keras.datasets.mnist.load_data()
train_images = train_images.reshape(train_images.shape[0], 28, 28, 1).astype('float32')
train_images = (train_images - 127.5) / 127.5  # Normalize to [-1, 1]
BUFFER_SIZE = 60000
BATCH_SIZE = 256
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(train_images).shuffle(BUFFER_SIZE).batch(BATCH_SIZE)

بالنسبة إلى PyTorch:

Python

 

transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))
])
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, transform=transform, download=True)
train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)

3. تحديد بنية شبكة GAN

نموذج المولد

ل TensorFlow:

Python

 

def make_generator_model():
    model = Sequential()
    model.add(Dense(7*7*256, use_bias=False, input_shape=(100,)))
    model.add(LeakyReLU())
    model.add(Reshape((7, 7, 256)))
    model.add(Conv2DTranspose(128, (5, 5), strides=(1, 1), padding='same', use_bias=False))
    model.add(LeakyReLU())
    model.add(Conv2DTranspose(64, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', use_bias=False))
    model.add(LeakyReLU())
    model.add(Conv2DTranspose(1, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', use_bias=False, activation='tanh'))
    return model

ل PyTorch:

Python

 

class Generator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Generator, self).__init__()
        self.main = nn.Sequential(
            nn.ConvTranspose2d(100, 256, 7, 1, 0, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.ReLU(True),
            nn.ConvTranspose2d(256, 128, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(True),
            nn.ConvTranspose2d(128, 64, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(True),
            nn.ConvTranspose2d(64, 1, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.Tanh()
        )

    def forward(self, input):
        return self.main(input)

نموذج التمييز

ل TensorFlow:

Python

 

def make_discriminator_model():
    model = Sequential()
    model.add(Conv2D(64, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same', input_shape=[28, 28, 1]))
    model.add(LeakyReLU())
    model.add(Dropout(0.3))
    model.add(Conv2D(128, (5, 5), strides=(2, 2), padding='same'))
    model.add(LeakyReLU())
    model.add(Dropout(0.3))
    model.add(Flatten())
    model.add(Dense(1))
    return model

ل PyTorch:

Python

 

class Discriminator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Discriminator, self).__init__()
        self.main = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(1, 64, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Conv2d(64, 128, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Conv2d(128, 256, 4, 2, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
            nn.Conv2d(256, 1, 4, 1, 0, bias=False),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, input):
        return self.main(input)

4. تحديد الخسارة والمحسّنات

ل TensorFlow:

Python

 

cross_entropy = tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True)

def discriminator_loss(real_output, fake_output):
    real_loss = cross_entropy(tf.ones_like(real_output), real_output)
    fake_loss = cross_entropy(tf.zeros_like(fake_output), fake_output)
    total_loss = real_loss + fake_loss
    return total_loss

def generator_loss(fake_output):
    return cross_entropy(tf.ones_like(fake_output), fake_output)

generator = make_generator_model()
discriminator = make_discriminator_model()

generator_optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(1e-4)
discriminator_optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(1e-4)

ل PyTorch:

Python

 

criterion = nn.BCELoss()
fixed_noise = torch.randn(64, 100, 1, 1, device=device)
real_label = 1.
fake_label = 0.

optimizerD = optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999))
optimizerG = optim.Adam(generator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999))

5. تدريب شبكة GAN

لـ TensorFlow:

Python

 

EPOCHS = 50
noise_dim = 100
num_examples_to_generate = 16

seed = tf.random.normal([num_examples_to_generate, noise_dim])

@tf.function
def train_step(images):
    noise = tf.random.normal([BATCH_SIZE, noise_dim])

    with tf.GradientTape() as gen_tape, tf.GradientTape() as disc_tape:
        generated_images = generator(noise, training=True)

        real_output = discriminator(images, training=True)
        fake_output = discriminator(generated_images, training=True)

        gen_loss = generator_loss(fake_output)
        disc_loss = discriminator_loss(real_output, fake_output)

    gradients_of_generator = gen_tape.gradient(gen_loss, generator.trainable_variables)
    gradients_of_discriminator = disc_tape.gradient(disc_loss, discriminator.trainable_variables)

    generator_optimizer.apply_gradients(zip(gradients_of_generator, generator.trainable_variables))
    discriminator_optimizer.apply_gradients(zip(gradients_of_discriminator, discriminator.trainable_variables))

def train(dataset, epochs):
    for epoch in range(epochs):
        for image_batch in dataset:
            train_step(image_batch)

        display.clear_output(wait=True)
        generate_and_save_images(generator, epoch + 1, seed)

        print ('Epoch {} completed'.format(epoch+1))

def generate_and_save_images(model, epoch, test_input):
    predictions = model(test_input, training=False)

    fig = plt.figure(figsize=(4, 4))

    for i in range(predictions.shape[0]):
        plt.subplot(4, 4, i+1)
        plt.imshow(predictions[i, :, :, 0] * 127.5 + 127.5, cmap='gray')
        plt.axis('off')

    plt.savefig('image_at_epoch_{:04d}.png'.format(epoch))
    plt.show()

train(train_dataset, EPOCHS)

لـ PyTorch:

Python

 

num_epochs = 5

for epoch in range(num_epochs):
    for i, data in enumerate(train_loader, 0):
        # تحديث المميّز: تعظيم لوغاريتم(D(x)) + لوغاريتم (1 - D(D(G(z)))
        discriminator.zero_grad()
        real_cpu = data[0].to(device)
        b_size = real_cpu.size(0)
        label = torch.full((b_size,), real_label, dtype=torch.float, device=device)
        output = discriminator(real_cpu).view(-1)
        errD_real = criterion(output, label)
        errD_real.backward()
        D_x = output.mean().item()

        noise = torch.randn(b_size, 100, 1, 1, device=device)
        fake = generator(noise)
        label.fill_(fake_label)
        output = discriminator(fake.detach()).view(-1)
        errD_fake = criterion(output, label)
        errD_fake.backward()
        D_G_z1 = output.mean().item()
        errD = errD_real + errD_fake
        optimizerD.step()

        # تحديث المولد: تعظيم لوغاريتم (D(G(z))
        generator.zero_grad()
        label.fill_(real_label)
        output = discriminator(fake).view(-1)
        errG = criterion(output, label)
        errG.backward()
        D_G_z2 = output.mean().item()
        optimizerG.step()

        if i % 100 == 0:
            print(f'[{epoch}/{num_epochs}][{i}/{len(train_loader)}] '
                  f'Loss_D: {errD.item():.4f} Loss_G: {errG.item():.4f} '
                  f'D(x): {D_x:.4f} D(G(z)): {D_G_z1:.4f} / {D_G_z2:.4f}')

    with torch.no_grad():
        fake = generator(fixed_noise).detach().cpu()
    plt.figure(figsize=(10,10))
    plt.axis("off")
    plt.title("Fake Images")
    plt.imshow(np.transpose(vutils.make_grid(fake, padding=2, normalize=True).cpu(),(1,2,0)))
    plt.show()

توفر هذه الدروس نقطة انطلاق لإعداد وتدريب نماذج شبكة التخزين العالمية الأساسية في كل من TensorFlow و PyTorch. يمكن أن يؤدي تعديل المعلمات واستكشاف البنى الأكثر تعقيدًا إلى تعزيز الفهم والنتائج.

Source:
https://dzone.com/articles/step-by-step-guide-to-setting-up-and-training