根據顏色自動生成標識的LoGAN模型

標識設計是一個費時費力的過程。而最近生成式模型領域進展飛速，這就讓人好奇AI可不可以用來設計標識？生成對抗網絡（GAN）據說能夠學習模擬任何數據分布，已經取得了廣泛的應用，但目前很少有人研究如何用GAN來設計標識。年底召開的ICMLA 2018上有一篇論文，馬斯特里赫特大學的Ajkel Mino和Gerasimos Spanakis，提出了根據顏色自動生成標識的LoGAN模型，可以說是這一方向上的初步探索。

LoGAN架構

GAN

在介紹LoGAN架構之前，先溫習下GAN網絡。

GAN由生成器和判別器兩個神經網絡組成，以對抗的形式同時訓練。

GAN是出名的難訓練，飽受訓練不穩定、無法收斂、模式崩塌之苦。近年來有不少研究都試圖改進GAN的訓練過程，例如在GAN中引入深度卷積層（DCGAN），修改目標函數（LSGAN和WGAN）。

條件GAN

如前所述，LoGAN是根據顏色自動生成標識，換句話說，是以顏色為條件。能夠基于標簽數據生成特定分類的圖像的GAN架構，主要有兩種：

CGAN，生成器和判別器都額外接受一個類別標簽數據。

AC-GAN，判別器不僅需要識別圖像的真偽，還需要判斷圖像的類別（不論真偽）。

GAN、CGAN、AC-GAN架構對比

LoGAN即基于AC-GAN改造得到。

AC-WGAN-GP

在AC-GAN架構中（參見上圖），判別器同時優化真偽誤差和類別誤差：

不過，考慮到WGAN-GP更穩定，所以LoGAN用WGAN-GP的損失函數替換了AC-GAN的損失函數：

但是這就造成了一個問題，類別損失沒有了。所以，LoGAN在AC-GAN的基礎上額外增加了一個分類器Q，輔助判別器進行分類。也就是說，和AC-GAN不同，LoGAN由三個網絡組成：生成器G、判別器D、分類器Q。

經過改造的AC-GAN

分類器Q的損失函數定義如下：

為了避免訓練不穩和模式崩塌，LoGAN的訓練借鑒了一些最新研究成果，采取了以下措施：

判別器每迭代5次，分別迭代一次生成器和分類器。

z取樣自高斯分布。

應用了批歸一化。

試驗

數據集

LoGAN基于LLD-icons數據集訓練，該數據集包含486377張32×32像素的圖標。

使用了K均值聚類（k = 3）從圖像中提取主要色彩，然后分為黑、藍、棕等12類：

訓練

下為判別器、生成器、分類器的訓練損失圖像。

從圖中我們可以看到，判別器和生成器的損失圖像有下降趨勢，沒有收斂。不過這并不意味著訓練有問題，因為WGAN和WGAN-GP都不保證收斂。另一方面，分類器收斂至接近1的損失值。實際上，生成圖像的分類損失收斂至零，這意味著生成圖像都能被正確分類。

結果

400個epoch的訓練后，每個分類生成了64個標識：

由于是在32×32像素的圖標上訓練的，所以生成的標識有點模糊。生成的標識大多為圓形或方形，但也有不規則形狀，如心形和X形。

各個分類主要顏色的準確率、召回、F1數據如下表所示：

有些分類的評分偏低，這是因為很多圖標周圍使用白色作為背景，同理，灰色作為中性色，也有很多圖標使用。

各分類主要顏色分布

改進方向

盡管取得了很有潛力的結果，LoGAN目前還是有不少限制：

對抗生成網絡的常見問題，生成的標識很模糊。使用分辨率更高的訓練圖像應該能緩解這一問題。

僅僅使用顏色作為關鍵詞局限性太大。未來考慮加入形狀、公司的重心等其他關鍵詞。