源代码地址：https://github.com/NVlabs/stylegan2-ada-pytorch

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• 这是一篇代码阅读笔记，顾名思义是对代码进行阅读，讲解的笔记。对象是styleGAN2的pytorch版本的代码，在github上有一个开源库。一边笔记方便我回顾，一边也对深度学习初学者有一些阅读理解代码的示例作用吧。代码毕竟是基本功，看到我发的一些代码，评论区问的一些问题实在是代码基础不行。
• 读一个代码的目的很多样，有些只是想看它的预处理，有些只是想看他的模型，不同目的阅读方式和详略程度也不同。我这里是为了全部读懂给女朋友讲解的，所以会以全部读懂为目的来进行阅读和笔记。

train.py

• 起始点有很多种，我习惯从主函数开始读。train.py是主程序文件，直接拉到最后可以看到，主函数是从main函数开始的，那就找到main函数，438行开始

train.py/main（）

• 482行看名字就知道是输出日志用的，不重要，可以先跳过
• 486行，可以看到一些主要参数是在这里设置的，后续要找再来看，这里先跳过
• 491-498行，设置了一些输出路径，也是跳过，有需要再来看
• 520-524行，将训练设置保存到一个json文件中
• 526行到533行是程序的主体部分，在这里启用了多线程，运行subprocess_fn函数，因此下一步就看这个函数。这里稍微展开说一下这个多线程是怎么回事，就是利用了torch.multiprocessing实现了每个GPU分配一个线程，并且多线程之间是用spawn方式创建的。也就是说，你有多少个GPU，就会同时运行多少个subprocess_fn函数，并且spawn方式意味着这些线程都有独立的python解释器程序，资源是复制的，有自己的独立内存而非全部共享内存，而529行是指定了一个临时路径用来给这些线程进行交流，在这个路径下实现需要共享的部分变量。

train.py/subprocess_fn（）

• 367行到380行是torch分布式训练的一些初始化设置
• 主程序在training_loop模块的training_loop方法中，接下来就跳到这里

training/training_loop.py training/training_loop.py/training_loop（）

• 这里终于遇到第一个关键点，136行，数据集，调用了construct_class_by_name函数。后面会讲解construct_class_by_name这个函数，这里只需要知道它是个根据输入的参数，返回一个根据参数确定的类的方法即可。最近越来越多的深度学习代码使用这种包装方式，本质上就算想用字符串来调用类，又为了代码统一和简洁，包装得一层接一层，读起来是真的麻烦，而且类名隐藏起来了，甚至无法用vscode的智能追踪来找这里用到的到底是什么类。
• 这里直接说，training_set根据train.py的107行，是training.dataset.ImageFolderDataset类的对象
• 以及150行和151行，G和D根据train.py的176 177行分别是training.networks.Generator类和training.networks.Discriminator类的对象。而G_ema是G的一个指数移动平均版本，在训练过程中，G的参数会随着step而更新，而G_ema是G的迭代过程中各个时期的参数的指数移动平均版本，相比G，G_ema的变化更加柔和，这是个常用的技巧。
• 154到159行的代码加载了模型的参数，可能是预训练的也可能是训练中止接着跑的。
• 175行augment_pipe是train.py 287行 training.augment.AugmentPipe类的对象
• 180到190进行了多线程训练的模型包装
• 192到214行定义了训练的几个阶段。这里展开解释一下，GAN的训练策略相比普通模型稍微有些复杂，训练是分阶段的，每个iteration通常要分别训练G和D，并且在训练G的时候，D的参数要固定，训练D的时候，G的参数要固定。这段代码定义了4个阶段：Gmain Greg Dmain Dreg。
• 195行 loss 根据train.py 187行，是training.loss.StyleGAN2Loss类的对象
• 199行 opt 根据train.py 185行，是torch.optim.Adam类的对象
• 216-227行从训练集中采样了一些图片进行可视化（可做debug用），同时也将还没训练的G的输出也做了可视化（可用于检查resume是否加载或者pretrain模型的初始性能）
• 259行开始训练
• 260行获取真实图像和对应的label，261-262行归一化图像并划分图像和label到各个GPU
• 263行-264行生成随机向量作为Generator的输入，并划分到各个GPU
• 265-267行并从训练集中随机采样label作为条件label，并划分到各个GPU
• 270行，依次迭代前面提到的4个阶段
• 278行，把这个阶段需要训练的module设为计算梯度（如训练G的时候，设G的requires_grad为True，而D的为Flase）
• 281-284行，根据当前所处阶段，为每个GPU分别计算损失。每个阶段的损失介绍损失的时候会展开。
• 287-294行，根据当前所处阶段，更新待训练的参数（如Gmain和Greg阶段就只更新G的参数），并且把之前设为True的requires_grad改回去，然后进入下一阶段，直到4个阶段全部完成。
• 296-305行，为G计算指数移动平均，从而更新G_ema的参数
• 311-315行，根据训练过程的损失，调整数据增强策略的参数，具体在下面介绍数据增强的时候会展开。
• 318-320行，这里是设置了continue条件，使得每迭代4000（kimg_per_tick*1000）张图片才会运行322行以后的内容一次。实现方式是cur_nimg会一直增加，而tick_start_nimg只有在下面的代码会被设置为cur_nimg，这样一旦运行了一次下面的代码，下次判断小于号就会成立，直到cur_nimg增加了4000使得小于号不成立，然后又会运行一次下面的代码。而done条件是因为，break出循环之前需要运行一次下面的代码，所以设置了当迭代图像数满足图像总数的1000倍的时候，就要退出了，这时候不管是不是每4000次的间隔到了，我都要往下走。
• 341行设置了另一种退出的方法（代码里似乎没有设abort_fn所以应该这一段代码是没有用到），可以为training_loop传一个有效的abort_fn，使得如果准确率等满足条件返回True，从而不需要跑满1000epoch可以退出。
• 348-350行为当前iteration生成的图片保存到本地，因为这段代码在322行之后，所以每迭代4000张图片才会生成一次。
• 353-367行保存了模型参数，同理也是4000张图片才保存一次。
• 370-379行计算了指标，后续会展开介绍
• 381-389行和322-338行都说计算运行时间和存储消耗的，就跳过了
• 391-406行都是输出日志的，跳过
• 414行是while True循环的唯一退出点。如果运行完成了，就从这里退出循环，结束训练。

dnnlib/util.py/construct_class_by_name()

• 这个函数只有两行，调用了call_func_by_name函数并以其返回值作为自身的返回值。call_func_by_name函数定义在279行，调用了get_obj_by_name函数，并进一步调用得到的func_obj，以func_obj的返回值作为call_func_by_name的返回值。所以这里其实就是调用了get_obj_by_name函数得到了类，func_obj保存的就是得到的类，然后实例化并返回，所以返回的是类的实例化对象。
• get_obj_by_name函数在273行，调用了get_module_from_obj_name和get_obj_from_module。有点绕，其实是因为，name是xx.yy.zz的格式，zz才是类名，xx.yy是模块名，所以先调用222行的get_module_from_obj_name从xx.yy.zz中提取出xx.yy和zz，然后再借助get_obj_from_module函数从xx.yy模块中调用zz类。
• get_module_from_obj_name函数的核心就在231-239行，231-232行其实就是给出根据“.”的位置对字符串划分成两部分的全部可能，所以如果是xx.yy.zz就会被拆成xx和yy.zz或者xx.yy和zz。然后在235到239行，对每种可能性都进行尝试，尝试从xx.yy中import zz，尝试从xx中import yy.zz，因为用的是try，试不出来可以继续，直到试出来，就知道正确的划分方法是什么。
• 而get_obj_from_module函数是通过269行的getattr函数来获取模块中的类的。

training/dataset.py

• ImageFolderDataset类定义在training/dataset.py的154行，是同文件24行Dataset类的子类，一般看__getitem__函数即可。返回值有image和label。image根据210-220行的重写，是一个CHW的unit8（0-255）的np array。label是onehot的float32的np array

training/networks.py

• Generator类定义在training/networks.py的477行。476行是一个装饰器，意思是调用training.networks.Generator的时候，实质上返回的是persistence.persistent_class(Generator)，这个装饰器只是为这个类添加了一些辅助功能，不影响接下来的理解，所以先跳过，后续会解释这个装饰器，先接着看模型
• 模型由两个子模块组成：MappingNetwork 和 SynthesisNetwork

training/networks.py/MappingNetwork()

• MappingNetwork定义在174行，从初始化函数看起，200行前面定义了一些变量的维度，201行定义了中间全连接层的维度。
• 204行定义了第一个全连接层，当使用condition label的时候，对这个one hot的condition label进行embed，embed后的特征将和z连在一起作为后续网络的输入。
• 205-209行定义了网络的主体全连接层
• 211-212行定义了一个名为w_avg的变量，它不会随着step更新值，但会在一些特殊的时刻进行值的更新和被使用。
• 这里的FullyConnectedLayer（89行）相比普通的全连接层的区别在于，当lr_multiplier不为1时（208行定义的就不为1，是0.01），这些层的参数的学习率和其它参数的学习率相比会乘以一个lr_multiplier（具体实现其实就是把参数直接乘以一个lr_multiplier再去用，实际效果就等同于学习率乘了一个倍数，因为计算这些参数的梯度的时候也是会因此乘以一个lr_multiplier导致step的时候步长会乘以一个lr_multiplier的）
• 接下来看forward函数。219和222行都仅仅是检查向量的shape。normalize_2nd_moment函数看21行，其实就是先统计这些特征值的标准差（每个样本单独统计），接着除以标准差进行归一化。其实这么说不太准确，因为没有减去均值，仅仅是先平方，然后平均，然后开根，然后除（rsqrt是1/sqrt）。而20行的装饰器仅仅是使得torch.autograd.profiler.record_function能跟踪到这个函数而已。至于torch.autograd.profiler后续会介绍是个什么东西。
• 然后在223-224行，c向量送进一个全连接层编码，归一化，然后和归一化后的z向量被concatenate到一起，作为后面全连接层的输入
• 226-229行就是主体的mapping network，对合并的编码和z向量前向传播经过几层全连接层
• 231-234行保存全连接网络的输出的移动平均（lerp是根据w_avg_beta对w_avg和x进行插值的函数）到w_avg变量中
• 236-239行重复了num_ws份x，放在dimension 1上，也就是说现在shape是(B,num_ws,w_dim)，具体num_ws是什么下面介绍SynthesisNetwork时会展开说明
• 242-248行，查完整份代码没有看到哪里有把truncation_psi设为非1的值，所以理论上正常情况这部分代码是不会运行到的。看意思应该是利用w_avg对x进行进一步移动平均，这里的移动平均就是对x做了，影响的是x的值，前面的移动平均只是存下来而已，对实际训练过程不会有什么影响。之所以说是截断，是因为当x在训练过程中突然出现异常大或者异常小的值时，这段代码可以通过移动平均限制这些值不要偏离正常范围太远。

training/networks.py/SynthesisNetwork()

• SynthesisNetwork定义在424行。首先看init函数，440行根据要生成的图片的分辨率，定义了各个block的resolution，依次是2的2，3，4，。。n次方，使得2的n次方最接近要生成的图片的分辨率。441行则定义了各个block的通道数为32768除以block的resolution，但最小是512。
• 442定义了一个称为fp16_resolution的变量。FP16是一个降低运算量和内存占用的技巧，将32位浮点运算用半精度运算来近似。模型对分辨率最高的num_fp16_res个block进行FP16计算，所以这里是在算开始进行FP16计算的block的resolution。在448行当block的resolution大于等于这里算出来的fp16_resolution时，意味着这个block要进行FP16计算而非全精度的计算。
• 445-455行定义了SynthesisNetwork的主体由堆叠的几个SynthesisBlock组成。这里还统计了num_ws，后续会解释这个是什么。这里展开解释一下455行的setattr函数，是一种通过字符串变量定义类成员名的方法，比如setattr(a,'hah',1)，那么当调用a.hah的时候，返回值会是1，也可以用464行的getattr函数实现调用。
• SynthesisBlock后面解释，先接着看forward函数，forward函数的输入是MappingNetwork的输出，即是全连接并repeat了num_ws遍后的编码特征，shape为(B,num_ws,w_dim)，也就是说对于每个batch，有num_ws个重复的w_dim维的特征。为什么要重复，我的理解是这些副本在后续会被各个模块分别使用，可能是为了避免相互影响？
• 463-466行将输入的ws特征在dimension 1上拆成多份，每一份分给一个block。也就是说现在每个block的输入是(B,num_conv,w_dim)，其实就是每个block分到了num_conv个重复的特征向量。最后一个block会得到 num_conv+num_torgb份（因为只有最后一个block的num_torgb不为0）
• 468-471行则开始前向传播，每个block的输入是分得的ws和上一个block的输出（x和img），第一个block输入的（x和img）为None。最后一个block输出的img为SynthesisNetwork最终的输出

training/networks.py/SynthesisBlock()

• SynthesisBlock定义在329行，首先还是看init。354行定义了一个变量，和之前说的一样这个变量是不会被step更新值的。这里用到了upfirdn2d.setup_filter这个方法，参数是resample_filter，为[1,3,3,1]，其实是定义了一个torch的tensor，是输入的外积归一化后的结果。也就是[1,3,3,1]和自身的外积，得到一个（4,4）的tensor，并且进行归一化使得元素和为1。所以得到的是一个2D的低通滤波器。
• 359行定义了一个随机变量，这个变量仅在SynthesisNetwork的第一个block被定义，作为起始的随机变量用来生成图片。
• 361-364行定义了第一个SynthesisLayer，这个类后续会介绍。这里定义的这一层，第一个block是没有的。
• 366-368行定义了第二层SynthesisLayer，这一层每个block都有
• 370-373行根据现有代码是一定会运行的（architecture就是’skip’，除了cfg定义为’cifar’时，cfg默认是’auto’）所以每个block都定义了一个ToRGBLayer，后续会介绍。所以到这里可以看出，除了第一个SynthesisBlock为一个SynthesisLayer加一个ToRGBLayer外，其它的SynthesisBlock为两个SynthesisLayer加一个ToRGBLayer。
• 375-377行代码根据现有architecture的是不会运行的，不介绍。
• 接着看forward，381行，根据前面，ws是重复的特征向量，所以这里unbind就是把重复的那个维度解出来，再套上iter变成迭代器，那么每次next(w_iter)都会生成一个特征向量，并且每次next生成的特征向量不是同一个，但是内容相同。这个特征向量其实就是MappingNetwork生成的编码特征向量。
• 382行这里，和前面提到的FP16呼应了。因为styleGAN随着tensor往后传递，生成的tensor是越来越大的，分辨率越来越高，为了节约显存同时提高运算速度，可以把后面几个block的数据类型从float32改成float16，这样节约了一半的显存。
• 383行定义了向量在内存中的存储格式，连续的存储可以提高某些运算的速度，同时有些运算要求连续存储的tensor才合法，但将存储整理为连续存储会消耗时间。
• 384-386行定义了fused_modconvbool变量，后续用到的时候再展开，这里只需要知道只有测试的时候才有可能是true。
• 389-391行，因为第一个block的x是None，所以这里就根据init中自己生成的随机变量来定义x。从这个实现方式可以看出来一个关键信息，即只要模型定义了，随着训练过程，每次迭代，第一个block的输入x都是固定的，不会改变。并且由于const是torch.nn.Parameter，所以加载resume和load 已训练好的参数的时候也是生成和之前训练的时候同一个x。
• 396-406行即是主体SynthesisLayer的运行，可以看到SynthesisLayer是用来生成x的，而img则是ToRGBLayer生成的。
• 408-419行是生成img的过程。首先上采样上一个block生成的img（具体方式后续会介绍）。然后ToRGBLayer根据本block的x和ws，生成了残差图y，加到上采样了的img上形成本block输出的img
• 可以看出，其实网络中x的传递和img是无关的，每个x都只需要根据前一个block的x（第一个block则根据一个固定的x）和MappingNetwork生成的ws，即可生成本block的输出x。而img则是根据前一个block的img和本block的x以及MappingNetwork生成的ws来生成的。

training/networks.py/SynthesisLayer()

• 这个类是SynthesisLayer的核心组成部分之一，定义在254行，先看init函数，274-284行定义了几个参数，分别是resample_filter，affine，weight，noise_const（默认不会用到），noise_strength（定义为0）和bias。注意use_noise在这份代码中默认是True的，所以if是一定会执行的。这几个参数的类型前面都介绍过，而具体作用看forward
• 首先是290行，所以affine就是个把输入的w变成styles的全连接层。这里的w其实就是SynthesisBlock分给这个SynthesisLayer的ws的其中一条特征向量。
• 然后是293行，代码默认noise_mode就是’random‘而且use_noise是True，所以296不会运行，就是294行，重新生成了一个随机的噪声，满足0均值noise_strength标准差的正态分布。值得注意的是，虽然noise_strength在init中定义为0了，所以这里乘出来的noise最初是一个全0的tensor，但noise_strength是可训练参数，会随着训练过程变化，导致noise后面还是会不为0的。
• 然后298行，up变量在每个SynthesisBlock（除了第一个block）的第一个SynthesisLayer被设为了2，其余都是1，所以flip_weight在每个SynthesisBlock的最后一个SynthesisLayer是True的，其余时候都是False的。
• 299行是主体，但是包装在了modulated_conv2d函数中，可以先到下面看完再回来这里看。
• 欢迎回来，302行的gain就是1，self.act_gain根据276行是bias_act.activation_funcs['lrelu'].def_gain，再看torch_utils/ops/bias_act.py的26行，是0.2，所以act_gain就是0.2
• 303行self.conv_clamp根据train.py182行是256
• 304行可以先当作是x先加上self.bias再进一个lrelu的激活函数，具体后面会展开，到此SynthesisLayer介绍完成，可以到ToRGBLayer

training/networks.py/modulated_conv2d()

• 这个函数定义在了同文件的第27行。47-49行为了防止FP16计算溢出，对w和styles向量都除以了其各自的无穷范数（元素大值）进行归一化，同时w还除以了维度。demodulate在SynthesisLayer中都没有设定，所以SynthesisLayer的modulated_conv2d的demodulate参数都是True。也就是说54到60行都会运行。
• 55-56行用到了weight和styles两个tensor来构建w。weight是在SynthesisLayer定义的shape为[out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size]的卷积核，styles是affine这个全连接层输出的shape为[batch_size, in_channels]的tensor。所以55行把weight扩展了batch size那一维，变成了[1, out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size]的tensor，然后stylesreshape成[batch_size, 1, in_channels, 1, 1]的tensor，这两个tensor相乘，得到的是[batch_size, out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size]，广播操作在这里的作用其实就相当于，把两个tensor都repeat成[batch_size, out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size]，然后element-wise地相乘。直观上理解，这个相乘的作用是两个，一个是为同一个batch的不同sample分配不同的kernel，另一个是根据styles对每个channels的kernel进行rescale。
• 58行计算得到一个dcoefs，是w的二范数的倒数，对第2 3 4维度分别算的，所以dcoefs的维度是[batch_size, out_channels]
• 60行又用dcoefs来归一化w，但这段代码和62-72行的代码只有一个会运行。当fused_modconv为True时就运行60行的代码，否则运行62-72行的代码。这里用到了前面跳过的fused_modconv，在386行，这个bool值只有在测试的时候，并且是在前面的FP32层才是True，在FP16层则必须当batch size为1时才为True。所以如果单看训练阶段，60行的代码是不会运行的，只有62-72行会运行。
• 64行，x是[batch_size, in_channels, H, W]的，乘以一个[batch_size, in_channels]的向量，会自动广播，其实就是把stylesrepeat成x的形状，再乘以x
• 65行调用了conv2d_resample.conv2d_resample来实现weight对x的卷积，具体后面会展开说，这里就先暂且当作普通的卷积。
• 再然后是66-71行的三个判断，SynthesisLayer中调用的modulated_conv2d，noise都是tensor，不是None，所以只会运行67行，fma.fma是自定义的一个函数，其实就是x乘以dcoefs加noise。之所以这么写，而没有直接x * dcoefs.to(x.dtype).reshape(batch_size, -1, 1, 1) + noise.to(x.dtype)，是因为可以利用torch.addcmul来加速。
• 74到84行的代码也是在训练阶段是不会运行的，只有fused_modconv为True才会运行。相比63-72行差别在于卷积核从weight改成了w，并且因为乘以了styles，每个样本有一个单独的卷积核，卷积结果也不需要乘以dcoefs（应该是因为w本身就是weight乘以dcoefs的缘故）
• 所以其实到这里，fused_modconv的作用就很明显了。如果fused_modconv是True，那么进行卷积的x和w，x不做操作，w是weight乘以styles再乘以dcoefs的结果，并且对每个样本有一个卷积核；如果fused_modconv是False，那么进行的是普通卷积，卷积的双方是x和weight，x要乘以styles，weight不做操作，但卷积结果要乘以dcoefs再输出。
• 看完这个可以回到SynthesisLayer继续下去

training/networks.py/ToRGBLayer

• 这个类和SynthesisLayer很类似，而且大多数函数都介绍过了，就不再一一介绍了。只需要注意一点的是，ToRGBLayer没有Noise，所以它调用的modulated_conv2d中不需要加上noise

training/networks.py/Discriminator

• 这个类定义在673行。709行定义了Discriminator的主体由数个DiscriminatorBlock组成，同时还有一个MappingNetwork和一个DiscriminatorEpilogue。注意，711行定义的变量名，最小是b8（从693行可知），所以和715行的b4并不会冲突。还有就是，和SynthesisBlock相反，前面的DiscriminatorBlock分辨率更大，也就是说变量名b后面的数字更大，但排得更前。
• 接着看forward函数。可以看到Discriminator的输入由两部分组成，一个是img，一个是条件向量c，根据719-721行，首先是按顺序调用堆叠的DiscriminatorBlock对输入的img进行处理，然后调用一个MappingNetwork对输入的c进行处理，最后用一个DiscriminatorEpilogue以DiscriminatorBlock的输出和MappingNetwork的输出作为输入，产生Discriminator最后的输出。

training/networks.py/DiscriminatorBlock

• 这个类定义在505行。和Genenrator不同，Discriminator的architecture是'resnet'(只有cfg为'cifar'的时候为'orig')。而其它的，如FP16的设定和resolution都和Generator类似，就不细说了。
• 533-540行定义了一个迭代器，每次next(trainable_iter)都会返回一个bool值，用来判断当前层是否freeze，freeze多少层由freeze_layers决定，默认参数下是0，也就是没有层会被freeze。如果要设定freeze多少层，可以通过train.py的freezed参数设定，是一个int，指向从Discriminator的第一个block的第一个conv开始的全局层序数，也就是说如果freezed设为5，那么从Discriminator的第一个block的第一个conv开始数，前5个conv都要freeze，后面的全都可训练。
• 542行的in_channels会在第一个DiscriminatorBlock为0，所以第一个block（分辨率大的那个）是会运行543-544行的，而后面的block则不会。所以第一个block有一个额外的Conv2dLayer
• 546-554行定义了3个Conv2dLayer，所以除了第一个block有4个Conv2dLayer外，其它的block都由3个Conv2dLayer组成
• 接着看forward，566-571行是第一个block独有的代码，其它的block不会运行这一段。这时x就是None，所以这段代码就是把输入的img经过一个Conv2dLayer产生x，同时把img设为None，后续的block再也不需要用到img了
• 575到578行就是把x分了两个支路，一个经过一层Conv2dLayer（在这个类内部会进行一次下采样使得分辨率变为原来的二分之一），一个经过两层Conv2dLayer（在第二层内部会进行一次下采样使得分辨率变为原来的二分之一），得到的两个支路的结果相加可以得到DiscriminatorBlock的输出。

training/networks.py/Conv2dLayer

• 这个类定义在123行，可以看作是一个卷积+上/下采样+激活函数。核心代码在conv2d_resample.conv2d_resample函数中，其它没什么难点，就偷懒一下不展开了。

training/networks.py/DiscriminatorEpilogue

• 这个类定义在615行，它的作用是以MappingNetwork的输出cmap和最后一个DiscriminatorBlock的输出x作为输入，产生最终的分类值。637-640定义了4个layer，具体作用看forward函数
• x依次经过一个MinibatchStdLayer和一个Conv2dLayer，然后展平，送进两个全连接层，得到的结果和cmap进行element-wise的相乘，然后全部求和并归一化得到最终的输出。这个输出同时也是Discriminator的输出，是一个[batch_size, 1]的tensor，就是对图片进行二分类的逻辑值，越高表示越real，越低表示越fake。

training/networks.py/MinibatchStdLayer

• 这个类定义在589行，不包含任何参数，仅仅是为x增加一些通道，这里初始化的group_size是4，num_channels是1
• 602行把xreshape成[4, N/4, 1, c, h, w]，即把样本分成了N/4组，每组4个样本，然后对特征的各个维度分别计算组内标准差，再对每个位置每个通道的标准差取平均，得到[N/4, 1]的向量，代表了每组的标准差，然后repeat到各个空间位置和组内样本上成为[N,1,H,W]的向量，concatenate到x上成为新的一个通道，所以x变成了[N,C+1,H,W]输出出去。

training/loss.py training/loss.py/StyleGAN2Loss

• 整个py文件就这一个类的定义。24行，init函数传进来的参数，根据training_loop.py的184-190行，G_mapping是Generator的MappingNetwork成员，G_synthesis是Generator的SynthesisNetwork成员，D是Discriminator。注意，这个Loss函数是有成员的，有一个初始化为0的pl_mean变量，在后续的accumulate_gradients函数中会对这个向量进行移动平均。
• 接着看run_G函数，这个函数在accumulate_gradients中被调用。41行的style_mixing_prob是0.9（只有cfg为'cifar'时才为0）。
• 43行声明了一个满足均匀分布的随机整数，范围为1到ws.shape[1].这里的ws是Generator的MappingNetwork的输出。
• 44行有点复杂，先看where函数内的第一个参数，这是个随机的bool值，有0.9的几率为True，0.1的几率为Flase；第二个参数是刚才提到的1到ws.shape[1]之间的随机整数（均匀分布）；第三个参数就是ws.shape[1]。然后看where函数，where函数的三个参数按顺序依次是condition、input、other，意思是，如果condition是True，那么where函数的输出就是input，如果condition是False，那么where函数的输出就是other。所以这一行的意思是，cutoff有0.9的几率会被置为1到ws.shape[1]之间的随机整数，有0.1的几率会被置为ws.shape[1]
• 45行就是把ws在cutoff后的那些向量替换成另一个根据随机z和同一c重新生成的向量。这里要回想一下ws的生成过程，其实是一堆重复的特征向量堆叠而成的，也就是说原本ws[:, i]和ws[:, j]都是相同的特征向量。
• 所以40-45行的意思是，根据z生成的ws，有0.9的几率会把其中随机数量的w替换成另一个随机向量z2生成的w，所以此时ws内就有两种w，一种是z生成的w，一种是z2生成的w，并且比例是随机的。
• 47行根据调整后的ws调用Generator的SynthesisNetwork生成图片并返回。
• run_D很简单，就是先对图片augment，然后调用Discriminator判断图像的真假，产生逻辑值。
• 接着看accumulate_gradients函数，这个函数在每个阶段都会调用一次，所以进来的时候可能是四个阶段的其中一个。
• 如果是Gmain阶段，则损失函数是71行，对Discriminator预测的logit值取反算损失，softplus是个单调增函数，是平滑的relu，具体见（https://pytorch.org/docs/master/generated/torch.nn.Softplus.html#torch.nn.Softplus），所以backward会使得logit值增加，从而Generator生成的图像更真实，但此时Discriminator的参数要禁用require_grad，不参与更新，这一点在train_loop.py中进行了。
• 74行gain在这一阶段是1
• 如果是Greg阶段，79-80行，pl_batch_shrink是2，所以是把batch_size变成了原来的二分之一。这段代码的意义在于它能够使得Greg阶段的batchsize比Gmain阶段的batchsize小。
• 81行生成了一个很小的正态分布随机噪声，这个噪声是用来产生83行梯度计算的扰动的。83行计算了SynthesisNetwork生成的图像对的MappingNetwork生成的编码的梯度，并乘以了pl_noise作为随机扰动。由于create_graph设为了True，所以这个算出来的梯度项也是可以用来计算损失并backward的，会根据二阶导来更新SynthesisNetwork的参数。这里得到的pl_grads的shape和gen_ws的shape是一样的，都是[batch_size, num_ws, dim_w]
• 84计算了pl_grads每个sample对不同w的平均向量二范数，得到的shape是[batch_size, ]
• 85行利用求得的pl_lengths对pl_mean进行移动平均，pl_decay是0.01，即是pl_mean = pl_mean + 0.01 * （pl_lengths - pl_mean），这里pl_mean初始值是0，所以随着训练的迭代，pl_mean会是一个保存了历次迭代的pl_lengths的移动平均。
• 86行把更新后的pl_mean从梯度图中分离出来，以防止被梯度更新改变值，这个变量只是用来保存pl_lengths的移动平均的，不应该被其它过程更新参数。
• 87行计算了一个pl_penalty变量，这个变量就是Greg阶段的损失了。所以可以看出，Greg阶段主要是惩罚pl_grads的变化。89行pl_weight是2，92行gain在这一阶段是4
• 95-104行Dmain阶段和Gmain阶段的区别仅在于，logit的符号不再取反，此时训练的是
  Discriminator，需要它输出正确的结果，gain在这一阶段是1
• 109-131行在Dmain阶段和Dreg阶段都会运行。109行写了个很绕的表达式，其实就是，Dmain阶段name为'Dreal'，Dreg阶段name为'Dr1'
• 110-114行为Discriminator送入了真实图片，所以118-119行（仅在Dmain阶段运行）计算了对真实图片的discriminator loss，加负号是表示需要Discriminator预测的值越高越好，因为高代表real，低代表fake。
• 123-128行仅在Dreg阶段运行。124行同样计算了Discriminator的输出对输入的真实图片的梯度，但这里则直接以梯度值的平方和作为损失
• 131行gain是16
• 损失函数到此介绍完，值得注意的是Greg阶段和Dreg阶段都取了网络的输出对输入的梯度来计算损失，这看起来与机器学习中以参数W的范数作为损失项的一种正则化方法有点类似，因为网络的输出对输入的梯度可以大体可以视作是网络的参数。

torch_utils/ops torch_utils/ops/persistence.py/persistent_class

• 这个函数在torch_utils/persistence.py文件的35行被定义。可以看到99行和130行，这个函数返回的是输入类的一个子类，这个子类为这个输入的类添加了一些功能，包括：保存类的初始化参数，为类添加打包函数（__reduce__方法的功能即为当代码被pickle打包时能输出正确的字符串等，展开说有点离题，具体可以自己去查，这里是暂时不需要了解的细节）

如何对这类代码进行修改以实现自己的idea

• 这类编程范式常见于微软和谷歌等大厂的完备API库，如mmdet等，他们提供了许多API接口和现有模型，也有API文档，代码层层包装，在接口外对代码进行修改是很困难的事情。但这些代码一般都提供了方便的自定义接口，只要找对方式，在这些库上实现自己的idea是很轻松的事情。
• 虽然个人对编程范式研究不是很多，但代码看得比较多，这类库个人感觉目的就是大程度地避免对已有的函数和类的修改。也就是说，你如果想要在这上面实现自己的idea，你应该通过新建的方式而非修改的方式。无论你是想要实现新模型、新训练过程、新损失函数、新数据集、新增强手段等，在深度学习的全环节，这些过程都被包装成一个个的类，而在主函数中通过字符串来索引这些类。因此想要对某个环节进行替换，只需要两个步骤：
  • 在对应的文件里新增该类的定义和实现。如你想把模型换成自己的模型，那就在network.py里面声明和定义自己的类。
  • 在config或者命令行参数中，通过字符串形式指定某环节使用的类的名字。比如你定义了一个叫mynewmodel的类，那么你可能是通过将命令行调用改写为python train.py --model mynewmodel这样的方式实现对自己模型的训练。亦或者，有些代码将参数全部从jsonyaml文件读取，那么你就应该新建自己的json/yaml文件，在其中将模型名改为自己的模型，然后通过python train.py --config myconfig.yaml等方式来运行代码。
• 总而言之，对这类代码的常规修改方式就应该是通过添加自己的类，然后修改config指向自己的类，来实现。当然自己的类的定义一般不是随心所欲的，通常需要遵循某些规则，比如要定义某些方法，或是在某些方法内提供特定格式的返回值，等等。
• 通常来说，常规的idea都能通过代码提供的这些常规接口实现，当然也会出现常规接口无法实现的时候，一般就是你创新性地需要利用到某些信息，而这份库恰好没有把这些信息从包装里面传出来，这时候无可避免就得对代码进行修改而非新建。不过通常这些情况非常少，所以建议能不修改代码还是不修改代码，否则会带来很多意想不到的bug和麻烦。

TODO: torch_utils/ops/conv2d_resample.py/conv2d_resample torch_utils/ops/bias_act.py/bias_act training.augment.AugmentPipe metric_main misc.assert_shape misc.profiled_function upfirdn2d.upsample2d upfirdn2d.downsample2d

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文章标题：StyleGAN2代码阅读笔记-创新互联
转载来于：http://lswzjz.com/article/dggjed.html