轉載從: Tech News 科技新報
當人們研究人工智慧生成和檢測圖像的方式時，都需要確定研究主題。近期康乃爾大學 3 位研究人員 Daniel V. Ruiz、Gabriel Salomon、Eduardo Todt 決定訓練人工智慧，將長頸鹿的圖片轉成鳥的圖片，用生成對抗網路（GANs）產生新數據研究這種圖像轉換圖像（image-to-image translation）。這篇論文在 Computer on the Beach（COTB ’20）2020 會議現身。
目前圖像轉圖像的應用較廣泛，包括從衛星圖像生成地圖到僅從輪廓生成完整的服裝圖。這篇論文研究將長頸鹿轉為鳥其實頗具挑戰性，因兩種動物大小、紋理和形態都不同。他們訓練名為 InstaGAN 的無監督跨域轉換模型，餵給 AI 大量長頸鹿和鳥的圖片訓練。
InstaGAN 由南韓科學技術院和浦項科技大學的研究人員 2019 年提出，相關論文《InstaGAN: Instance-Aware Image-to-Image Translation》還為 ICLR2019 接受。
最後鳥類成品保留原始圖片的布局和背景，只是將長頸鹿直接轉成鳥。需要強調的是，生成的鳥並不存在，僅是 InstaGAN 生成的結果。
這次論文的創新點，用作者自己的話說就是，「我們這次沒有把蘋果變成橘子，而是把大象變成香蕉」。因為之前無監督圖像轉圖像，例子大多是將站著的獅子轉成趴著、將貓轉為狗、馬變成斑馬等，但這些訓練的比例、形狀都很相似，所以難度有差異。
到底這次是怎麼做的呢？
用於訓練 GAN 和生成相關的圖像有兩個數據集：COCO（Common objects in Context）和 Caltech-UCSD Birds 200。COCO 數據集有超過 91 種類的 328,000 張圖片，研究者選了 2,546 張和 101 張長頸鹿圖片分別用於訓練和驗證，又從另一個涵蓋 200 多種鳥類的數據集 Caltech-UCSD Birds 200-2011，選擇 80% 也就是 9,414 張圖片用於訓練，20% 就是 374 張用於驗證。
每張圖片都能看到長頸鹿和鳥的輪廓。AI 主要工作有兩塊，一是把長頸鹿變成鳥，另一部分是判斷圖片是真的鳥還是假的長頸鹿─鳥。
接下來開始訓練。大多數參數與 InstaGAN 初始論文一樣。透過雙線性插值（bilinear interpolation）將長頸鹿和鳥數據集的圖像大小調整為 256×256 ，GPU 訓練花費將近 3 週（如果用 2 個 NVIDIA RTX 2080 GPU，時間能減少到一週半）。
InstaGAN 訓練使用的 loss functions 包括：Least-squares GAN loss、cycle loss、context loss 和identity loss，根據最終結果的重要性加權。cycle loss 權重最高，LSGAN 也是如此，因為改善了收斂性，減少可能消失的梯度問題（vanishing gradient issues），這需要超過 100 個 epoch 達成良好的視覺效果和損失最小化。
3 週訓練結束後，得到人造鳥圖集 FakeSet，下圖顯示圖像轉圖像的一些例子。
可看到原始圖像和蒙版，以及轉換之後的圖像和蒙版，姿勢、空間排列和背景沒有改變。也就是說，InstaGAN 已完整學會了轉換圖像，長頸鹿幾乎沒有遮擋，都是側身站立，而相同位置如今也產生鳥類。有意思的是，InstaGAN 學到有趣的「欺騙」法──生成深色鳥，與淺色背景形成對比，如此更能騙過人類、機器辨識者。
接下來讓我們來看看 InstaGAN 生成的圖。
有些轉換效果令人印象深刻。InstaGAN 學會如何模糊頂端背景，看起來像微距鏡頭，即使過渡之處並不是十分滑順，一隻長頸鹿的肩膀還在，但 AI 巧妙處理成一塊石頭，希望你不會注意。
背景模糊效果還不錯，處理前景時，InstaGAN 造出一根木頭當鳥的棲息點，並突出樹枝、岩石裂縫等細節，也模糊附近的鳥腳，效果較自然。但有幾張圖片還能隱約看到長頸鹿的肚子和腿，於是 InstaGAN 處理成綠色，可能是希望人錯認成葉子之類的植物。
當然很多時候轉換效果並不好。由於可能受特別背景的影響，人工智慧沒有成功改變圖像。這裡也很明顯，人工智慧移除長頸鹿的一般策略是，將鳥的身體複製黏貼到長頸鹿的頭、脖子和肩膀部分，然後盡力隱藏長頸鹿的腿。如果以先知角度看上圖，你會立刻發現長頸鹿的大長腿還在，模型多次失敗都與難以掩蓋的長頸鹿腿有關。
為了評估生成圖像的真實性和品質，研究者進行定性和定量分析。定性分析是，隨機挑選 FakeSet 335 張評估圖片，標準是轉換品質、輪廓和紋理幾項，選項只有兩個──「Good」或「Bad」。每個屬性的最終分數是 335 張圖片的平均分，用 0~1 分表示（ 0 表示品質差，1 表示品質好）。如果一個屬性的值為 0.75，意味著四分之三圖片在該屬性表現良好，四分之一圖片表現不佳。細節見下表。
為了定量分析，他們使用預先訓練好的 Mask R-CNN（Mask Region-based Convolutional Neural Network）新生成的數據集 FakeSet，分析 2,546 張圖片，評估結果是，289 幅圖片是垃圾（甚至沒有檢測到有鳥存在），717 幅不令人滿意（常用指標 F-score 低於 0.8 ），1,540 幅令人滿意。F-score 遵循偏斜的正態分佈，傾向最佳分數。
論文的結論是，FakeSet 做到了接近真實數據集的檢測和分割結果，雖然大多數圖像並不完全真實，但是正確轉化率也很高，檢測和分割結果也高度可信的（高於 80%）。這說明生成的圖夠逼真，不論肉眼難以察覺，也經得起最先進的深層神經網路檢驗。
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