OpenAI最新提出的可逆生成模型Glow

OpenAI最新提出的可逆生成模型Glow，可以使用相對少的數據，快速生成高清的逼真圖像，具有GAN和VAE所不具備的精確操作潛在變量、需要內存少等優勢。

OpenAI剛剛在博客介紹了他們的最新成果——Glow，一種使用可逆1x1卷積的可逆生成模型。

Glow 可以生成逼真的高分辨率圖像，支持高效采樣，并且可以自動學習圖像中屬性特征，比如人的五官。

先來看效果，加了胡子的Hinton，笑容調到最高，眼神也看起來更亮：

下圖是使用Glow操縱兩名研究人員面部圖像的屬性。模型在訓練的時候并沒有給出眼睛、年齡等屬性標簽，但自己學習了一個潛在空間，其中某些方向對應胡須密度，年齡，發色等屬性的變化。

人臉混合過度的效果也十分自然：

這是使用30,000個高分辨率面部數據集進行訓練后，Glow模型中的樣本，可以說很逼真了。如果不說明，應該有不少人會覺得是真人照片。

再放大來看，這個效果至少是不輸給GAN的：

Glow模型生成一個256x 256的樣本，在NVIDIA 1080 Ti GPU上只需要大約130ms。使用 reduced-temperature模型采樣結果更好，上面展示的例子是溫度0.7的結果。

數據利用率高，可泛化，優于GAN和VAE

Glow是一種可逆生成模型（reversible generative model），也被稱為基于流的生成模型（flow-based generative model）。目前，學界還很少關注基于流的生成模型，因為GAN和VAE這些顯而易見的原因。

OpenAI的研究人員在沒有標簽的情況下訓練基于流的模型，然后將學習到的潛在表示用于下游任務，例如操縱輸入圖像的屬性。這些屬性可以是面部圖像中的頭發顏色，也可以是音樂的音調或者文本句子的情感。

上述過程只需要相對少量的標記數據，并且可以在模型訓練完成后完成（訓練時不需要標簽）。使用GAN的工作需要單獨訓練編碼器。而使用VAE的方法僅能確保解碼器和編碼器數據兼容。Cycle-GAN雖然可以直接學習表示變換的函數，但每次變換都需要進行重新訓練。

訓練基于流的生成模型操縱屬性的簡單代碼：

Glow的具體操作過程

OpenAI研究人員表示，這項工作是建立在非線性成分估計（Dinh L. et, NICE: Non-linear Independent Components Estimation）和RealNVP（Dinh L. et, Density estimation using Real NVP）的基礎上。

他們的主要貢獻是增加了可逆的1x1卷積，并且刪除了RealNVP的其他組件，從而簡化了整體架構。

RealNVP架構包含兩種類型的層：一種是有棋盤格masking的層，一種是有channel-wise masking的層。OpenAI去掉了前一種棋盤格masking，簡化了整體結構。

在Glow模型的工作中，具有channel-wise masking的層不斷重復下列步驟：

通過在channel維度上反轉輸入的順序來置換輸入。

將輸入在特征和維度的中間分為A和B兩部分。

將A輸入一個淺層的卷積神經網絡，根據神經網絡的輸出線性變換B

連接A和B

將這些層鏈接起來，讓A更新B，B更新A，然后A再更新B，以此往復。這種雙向信息流非常rigid。研究人員發現，通過將步驟（1）的反向排列改變為（固定的）shuffle 排列還能改善模型性能。

使用1x1卷積的效果要顯著好于逆轉和Shuffle

此外，他們還將批歸一化（BN）換成了一個激活歸一化層（activation normalization layer）。這個層能夠轉變和放大激活。因此，能將大圖像最小的批量大小縮小到1，并擴大模型的大小。

這個架構結合了多種優化，例如梯度檢查點（gradient checkpointing），使研究人員能夠比平常更大規模地訓練基于流的生成模型。他們還使用Horovod在多臺機器的集群上訓練模型，上面演示中使用的模型在5臺機器上訓練，每臺有8個GPU。使用這種設置，他們訓練了具有超過一億個參數的模型。

基于流的生成模型，大有可為！

OpenAI研究人員表示，他們在這項工作中表明，可以訓練基于流的模型（flow-based）來生成逼真的高分辨率圖像，并且學習可以輕松用于下游任務（如數據操作）的潛在表示。

基于流的生成模型有以下優點：

精確的潛變量推斷和對數似然估計。在VAE中，只能近似推斷出與某個數據點相對應的潛在變量的值。GAN則根本沒有編碼器來推斷潛伏變量。但是，在可逆生成模型中，不僅可以實現準確的潛在變量推理，還可以優化數據的對數似然，而不是只是其下限。

高效的推理和有效的合成。自回歸模型，例如PixelCNN，也是可逆的，但是這些模型的合成難以并行化，往往在并行硬件上效率很低?；诹鞯纳赡Ｐ?，比如Glow和RealNVP，可以有效地進行推理與合成的并行化。

下游任務的有用潛在空間。自回歸模型的隱藏層邊際分布式未知的，因此很難進行有效的數據操作。在GAN中，數據點通常不能直接在潛在空間中表示，因為它們沒有編碼器，可能不完全支持數據分布。但可逆生成模型和VAE，就能進行數據點之間的插值，對現有數據點進行有意義的修改等操作。

節省內存的巨大潛力。如RevNet論文所述，在可逆神經網絡中計算梯度需要的內存是固定的，不會隨著深度的增加而增加。

他們建議未來可以繼續探索這兩個方向：

自回歸模型和VAE在對數似然性方面比基于流的模型表現更好，但它們分別具有采樣低效和推理不精確的缺點。未來，可以將基于流的模型、VAE和自回歸模型結合起來，權衡彼此優勢，這將是一個有趣的方向。

改進架構來提高計算效率和參數效率。為了生成逼真的高分辨率圖像，面部生成模型使用200M規模參數和大約600個卷積層，這需要花費很高的訓練成本。深度較小的模型在學習長時間依賴（long-range dependencies）方面表現較差。使用self attention結構，或者用漸進式訓練擴展到高分辨率，可以讓訓練流模型的計算成本更低。