跨物种造物，AI 将长颈鹿图片转换为鸟，还骗过了人类与机器

当人们研究人工智能生成和检测图像的方式时，都需要明确一个研究主题。近期康奈尔大学的三位研究人员 Daniel V. Ruiz，Gabriel Salomon，Eduardo Todt 决定训练人工智能将长颈鹿的图片转化成鸟的图片，用生成对抗网络（GANs） 产生新数据来研究这种图像到图像转换（image-to-image translation）。这篇论文还投中了 Computer on the Beach (COTB'20) 2020 会议。

论文地址：https://arxiv.org/abs/2001.03637

目前图像到图像转换的应用已经比较广泛，包括从卫星图像生成地图到仅从轮廓生成完整的服装图像。这篇论文研究将长颈鹿转变为鸟其实颇具挑战，因为两种动物有不同的大小、纹理和形态。他们训练了一个名为 InstaGAN 的无监督跨域转换模型，让它接受了大量长颈鹿和鸟的图片训练。

InstaGAN 由韩国科学技术院和浦项科技大学的研究人员在 2019 年提出，相关论文《InstaGAN: Instance-Aware Image-to-Image Translation》还被 ICLR2019 接收。

最后鸟类成品保留原始图片的布局和背景，只是将长颈鹿直接转换成鸟类。需要强调的是，生成的鸟并不存在，这仅仅是 InstaGAN 生造的结果。

这次论文的创新点，用作者自己的话说就是，“我们这次没有把苹果变成橘子，而是把大象变成了香蕉”。因为之前无监督的图像到图像转换，例子大多是将站着的狮子转换为趴着，将猫转化为狗，马变成斑马等，但这些训练在比例、形状都很相似，所以难度有所差异。

他们具体是怎么做的呢？

用于训练 GAN 和生成相关的图像有两个数据集：COCO(Common objects in Context)  和 Caltech-UCSD Birds 200。COCO 数据集有超过 91 种类型的 328000 张图片，作者们从中选了 2546 张和 101 张的长颈鹿图片分别用于训练和验证，又从另一个主要涵盖 200 多个种类的鸟数据集 Caltech-UCSD Birds 200-2011 中，八二分，选择 80% 也就是 9414 张的鸟类图片用于训练，20% 也就是 374 张用于验证。

每张图片都能看到长颈鹿和鸟的轮廓。AI 主要工作是两块，一是把长颈鹿变成鸟，另一部分是判断它看到的图片是真的鸟还是假的长颈鹿—鸟。

接下来开始训练。大多数参数与 InstaGAN 初始论文中一样。通过双线性插值（bilinear interpolation）将长颈鹿和小鸟数据集的图像大小调整为 256×256 ，GPU 训练花费了将近 3 周时间（如果用 2 个英伟达 RTX 2080 GPU，时间能减少到一周半)。

InstaGAN 在训练中使用的 loss functions 包括：Least-squares GAN loss，cycle loss，context loss 和 identity loss，根据它们在最终结果中的重要性进行加权。cycle loss 权重最高。LSGAN 也是如此，因为它改善了收敛性，减少了可能消失的梯度问题（vanishing gradient issues），这需要超过 100 个 epoch 来实现良好的视觉效果和损失最小化。

在三周的训练结束后，他们得到一个人造鸟图集 FakeSet 。下图显示了图像到图像转换的一些例子。

可以看到原始图像和蒙版，以及转换之后的图像和蒙版。请注意，姿势、空间排列和背景是没有改变的的。也就是说，InstaGAN 已经相当好地学会了转换图像，这些图像中，长颈鹿几乎没有遮挡，都是侧身站立，而在相同的位置上如今也产生鸟类。有意思的是，InstaGAN 学到了一个有趣的“欺骗”方法——生成深色的鸟，与浅色背景形成对比，如此能更好地骗过人类、机器鉴别者。

接下来让我们来看看 InstaGAN 生成的成品图。

有些转换的效果令人印象深刻。InstaGAN 学会了如何模糊顶部的风景，使它们看起来像微距镜头即使过渡的地方并不是十分丝滑，一只长颈鹿的肩膀还在，但是 AI 巧妙地把它处理成了一块石头，希望你不会注意到。

背景模糊效果还不错，在处理前景时，InstaGAN 造了一根木头作为鸟的栖息处，并突出了树枝、岩石裂缝等细节，也模糊了附近的鸟脚，整个效果比较自然。但有几张图片还能隐隐看到长颈鹿的肚子和腿，于是 InstaGAN 把它们变成了绿色，可能是希望能错认是一片叶子之类的植物。

当然很多时候转换效果并不好。由于可能受到不寻常背景的影响，人工智能没有成功地改变图像外观。这里也很明显，人工智能移除长颈鹿的一般策略是，将鸟的身体复制粘贴到长颈鹿的头、脖子和肩膀部分，然后尽力隐藏长颈鹿的腿。如果带着这样的想法看上图几张照片，你会立刻发现长颈鹿的大长腿还在那里，模型的多次失败都与难以掩盖的长颈鹿的腿有关。

为了评估生成的图像的真实性和质量，作者进行了定性和定量分析。定性分析是，随机挑选 FakeSet 335 张图片去评估图片，标准是转换质量、轮廓和纹理几项，选项只有两个——"Good 或者 "Bad 。每个属性的最终分数是 335 张图片的平均分，用 0 到 1 之间的分数表示（ 0 表示质量差，1 表示质量好）。如果一个属性的值等于 0.75 ，则意味着 3/4 的图片在该属性中表现良好，1/4 的图片表现不佳。具体可见下表。

为了进行定量分析，他们使用了一个预先训练好的 Mask R-CNN（Mask Region-based Convolutional Neural Network）新生成的数据集 FakeSet ，对 2546 张图片进行分析，评估结果是，289 幅图片是垃圾（甚至没有检测到鸟类存在），717 幅不令人满意（常用指标 F-score 低于 0.8 ），1540 幅令人满意。F-score 遵循一个偏斜的正态分布，倾向于最佳分数。

综上，该论文结论是，FakeSet 实现了接近真实数据集的检测和分割结果，虽然大多数图像并不完全真实，但是正确转化的比例也很高，检测和分割结果也是高可信的（高于80%）。这说明生成的图像足够逼真，不管是肉眼难以察觉，也经得起最先进的深层神经网络的检验。

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