10分で動かすGAN on Google Colaboratory

## 目的
無料かつ適切に短い時間でGANを学習できる環境を作ること。

#### GAN(Generative Adversarial Networks)
機械学習技術の一種である画像生成技術。画像を描くという創作的な活動を計算機が出来るようになった。

#### Google Colaboratory
Googleが提供するクラウドサービスでJupyter Notebook環境が無料で使える。機械学習に必要とされるGPUが使えるのでとても有用。

## 結果
それなりに重い畳み込みが入ったDCGANを10分程度で結果が出せることがわかった。これが無料なのが凄い。やったことはGANのコードをコピペしてColaboratoryで実行しただけ。

```:結果
0 [D loss: 1.199293, acc.: 29.69%] [G loss: 0.575992]
5000 [D loss: 0.619358, acc.: 65.62%] [G loss: 0.996219]
10000 [D loss: 0.680767, acc.: 54.69%] [G loss: 0.977041]
15000 [D loss: 0.547127, acc.: 73.44%] [G loss: 1.443061]
```
Discriminatorの精度は上がってますが、Generatorのlossが下がってません。

<img src="https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/378642/995c047b-5cfb-c0a9-f505-67f05bad03c2.png" width=40%>
<img src="https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/378642/00ec8ae5-709b-0778-da2a-3a7103a4d034.png" width=40%>
<img src="https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/378642/e5efd4f3-dd07-b2f2-8fa3-355810edbb3f.png" width=40%>
<img src="https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/378642/75028a07-c91e-5a27-66d9-e4a21ea271f7.png" width=40%>
画像生成は出来ているようです。

## 詳細な手順
モデルには[DCGANのKerasコード](https://sonaeru-blog.com/dcgan/)を拝借させて頂きました。私はKeras書けないので本当にありがとうございます。

<details><summary>コード</summary>
<div>

```Python:DCGAN.py
from __future__ import print_function, division

from keras.datasets import mnist
from keras.layers import Input, Dense, Reshape, Flatten, Dropout
from keras.layers import BatchNormalization, Activation, ZeroPadding2D
from keras.layers.advanced_activations import LeakyReLU
from keras.layers.convolutional import UpSampling2D, Conv2D
from keras.models import Sequential, Model
from keras.optimizers import Adam

import matplotlib.pyplot as plt

import sys

import numpy as np

class DCGAN():
    def __init__(self):
        # Input shape
        self.img_rows = 28
        self.img_cols = 28
        self.channels = 1
        self.img_shape = (self.img_rows, self.img_cols, self.channels)
        self.latent_dim = 100

        optimizer = Adam(0.0002, 0.5)

        # Build and compile the discriminator
        self.discriminator = self.build_discriminator()
        self.discriminator.compile(loss='binary_crossentropy',
            optimizer=optimizer,
            metrics=['accuracy'])

        # Build the generator
        self.generator = self.build_generator()

        # The generator takes noise as input and generates imgs
        z = Input(shape=(self.latent_dim,))
        img = self.generator(z)

        # For the combined model we will only train the generator
        self.discriminator.trainable = False

        # The discriminator takes generated images as input and determines validity
        valid = self.discriminator(img)

        # The combined model  (stacked generator and discriminator)
        # Trains the generator to fool the discriminator
        self.combined = Model(z, valid)
        self.combined.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=optimizer)

    def build_generator(self):

        model = Sequential()

        model.add(Dense(128 * 7 * 7, activation="relu", input_dim=self.latent_dim))
        model.add(Reshape((7, 7, 128)))
        model.add(UpSampling2D())
        model.add(Conv2D(128, kernel_size=3, padding="same"))
        model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
        model.add(Activation("relu"))
        model.add(UpSampling2D())
        model.add(Conv2D(64, kernel_size=3, padding="same"))
        model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
        model.add(Activation("relu"))
        model.add(Conv2D(self.channels, kernel_size=3, padding="same"))
        model.add(Activation("tanh"))

        model.summary()

        noise = Input(shape=(self.latent_dim,))
        img = model(noise)

        return Model(noise, img)

    def build_discriminator(self):

        model = Sequential()

        model.add(Conv2D(32, kernel_size=3, strides=2, input_shape=self.img_shape, padding="same"))
        model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
        model.add(Dropout(0.25))
        model.add(Conv2D(64, kernel_size=3, strides=2, padding="same"))
        model.add(ZeroPadding2D(padding=((0,1),(0,1))))
        model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
        model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
        model.add(Dropout(0.25))
        model.add(Conv2D(128, kernel_size=3, strides=2, padding="same"))
        model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
        model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
        model.add(Dropout(0.25))
        model.add(Conv2D(256, kernel_size=3, strides=1, padding="same"))
        model.add(BatchNormalization(momentum=0.8))
        model.add(LeakyReLU(alpha=0.2))
        model.add(Dropout(0.25))
        model.add(Flatten())
        model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

        model.summary()

        img = Input(shape=self.img_shape)
        validity = model(img)

        return Model(img, validity)

    def train(self, epochs, batch_size=128, save_interval=50):

        # Load the dataset
        (X_train, _), (_, _) = mnist.load_data()

        # Rescale -1 to 1
        X_train = X_train / 127.5 - 1.
        X_train = np.expand_dims(X_train, axis=3)

        # Adversarial ground truths
        valid = np.ones((batch_size, 1))
        fake = np.zeros((batch_size, 1))

        for epoch in range(epochs):

            # ---------------------
            #  Train Discriminator
            # ---------------------

            # Select a random half of images
            idx = np.random.randint(0, X_train.shape[0], batch_size)
            imgs = X_train[idx]

            # Sample noise and generate a batch of new images
            noise = np.random.normal(0, 1, (batch_size, self.latent_dim))
            gen_imgs = self.generator.predict(noise)

            # Train the discriminator (real classified as ones and generated as zeros)
            d_loss_real = self.discriminator.train_on_batch(imgs, valid)
            d_loss_fake = self.discriminator.train_on_batch(gen_imgs, fake)
            d_loss = 0.5 * np.add(d_loss_real, d_loss_fake)

            # ---------------------
            #  Train Generator
            # ---------------------

            # Train the generator (wants discriminator to mistake images as real)
            g_loss = self.combined.train_on_batch(noise, valid)

            

            # If at save interval => save generated image samples
            if epoch % save_interval == 0:
                # Plot the progress
                print ("%d [D loss: %f, acc.: %.2f%%] [G loss: %f]" % (epoch, d_loss[0], 100*d_loss[1], g_loss))
                self.save_imgs(epoch)

    def save_imgs(self, epoch):
        r, c = 5, 5
        noise = np.random.normal(0, 1, (r * c, self.latent_dim))
        gen_imgs = self.generator.predict(noise)

        # Rescale images 0 - 1
        gen_imgs = 0.5 * gen_imgs + 0.5

        fig, axs = plt.subplots(r, c)
        cnt = 0
        for i in range(r):
            for j in range(c):
                axs[i,j].imshow(gen_imgs[cnt, :,:,0], cmap='gray')
                axs[i,j].axis('off')
                cnt += 1


if __name__ == '__main__':
    dcgan = DCGAN()
    dcgan.train(epochs=20000, batch_size=32, save_interval=5000)
```

</div>
</details>

環境はWindows10、Google Chrome、Google Colaboratoryです。Googleアカウントをお持ちであればブラウザから[Python3の新しいノートブック](https://colab.research.google.com/notebook?hl=ja#create=true&language=python3)を開くだけで環境が整います。ここのワンクリックで環境が整う軽快さが凄い。

GPUはメニューバーの[ランタイム]->[ランタイムのタイプを変更]->[ハードウェアアクセラレータ]->[GPU]を設定することで使えるようになります。
実行はコードをセルに貼り付けた後に![キャプチャ.JPG](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/378642/2e7d0380-b349-0f67-9258-35303b580d46.jpeg)ボタンをクリックするか、Ctrl + Enterで行えます。
結果は出てくるまでに数分かかるのでコーヒーでも淹れて待ちましょう。

以上。

## 今後
社に負けずChainerガシガシ書いてGANをブン回したい(希望的観測)。