Introduction to GAN Deep Learning Using PyTorch, MuseGAN

1. GAN(Generative Adversarial Networks) 소개

Generative Adversarial Networks(GAN)은 Ian Goodfellow가 2014년에 제안한 기계 학습 모델로, 두 개의 신경망 모델로 구성됩니다: 생성기(generator)와 판별기(discriminator). 생성기는 훈련 데이터를 기반으로 새로운 데이터를 생성하고, 판별기는 주어진 데이터가 실제 데이터인지 생성된 데이터인지를 판별하는 역할을 합니다. 이 두 가지 네트워크는 서로 경쟁을 하면서 동시에 학습하게 됩니다.

GAN의 기본 구조는 다음과 같습니다:

• 생성기: 랜덤한 노이즈 벡터를 받아서, 이를 기반으로 새로운 데이터를 생성.
• 판별기: 실제 데이터와 생성된 데이터를 입력받아, 그것이 진짜인지 가짜인지 구별.

이러한 경쟁 구조는 생성기가 점점 더 실제 데이터와 유사한 데이터를 생성하도록 유도하며, 결국 매우 현실적인 데이터 생성이 가능해집니다.

2. MuseGAN 소개

MuseGAN은 음악 생성에 특화된 GAN의 한 예입니다. MuseGAN은 주로 MIDI 파일을 기반으로 한 음악 생성 모델로, 다양한 음악 요소들을 파악하고 학습함으로써 새로운 음악을 창작할 수 있도록 설계되었습니다. MuseGAN은 특히 다성(multi-track) 음악을 생성하는 데 강점을 보이며, 생성된 음악의 각 트랙이 서로 조화롭게 연주됨을 목표로 합니다.

MuseGAN의 구조는 다음과 같습니다:

• 노이즈 입력: 랜덤한 노이즈 벡터.
• 트랙 생성기: 여러 트랙(예: 드럼, 베이스, 멜로디)을 생성.
• 상황(Context) 특성: 트랙 간의 상관관계를 학습하여 자연스러운 음악을 생성.

이러한 요소들은 MuseGAN이 플레이어 또는 작곡가와 같은 역할을 하면서도, 인간이 느끼는 감정과 음악적 논리를 학습할 수 있도록 돕습니다.

3. 파이토치(PyTorch)로 MuseGAN 구현하기

이제 MuseGAN을 파이토치를 활용하여 구현해보겠습니다. MuseGAN을 구현하기 위해서는 기본적으로 두 개의 네트워크(생성기와 판별기)가 필요합니다.

먼저 필요한 라이브러리를 설치하고 가져와야 합니다:

!pip install torch torchvision

이제 생성기와 판별기를 위한 기본적인 클래스 구조를 설정해보겠습니다:

import torch
import torch.nn as nn

class Generator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Generator, self).__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(100, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(128, 256),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(256, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(512, 88),  # MIDI 음역에 맞는 출력 크기
            nn.Tanh()  # 음의 범위를 -1에서 1로 조정
        )

    def forward(self, z):
        return self.model(z)

class Discriminator(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Discriminator, self).__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(88, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(512, 256),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(256, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(128, 1),
            nn.Sigmoid()  # 출력값을 0과 1 사이로 제한
        )

    def forward(self, x):
        return self.model(x)
            

위의 코드는 기본적인 생성기와 판별기 구조를 정의합니다. 생성기는 랜덤한 노이즈를 입력 받아 MIDI 형식의 데이터를 출력하며, 판별기는 이러한 데이터를 받아 진짜 데이터인지 가짜 데이터인지를 판단합니다.

이제 GAN을 학습하는 과정을 정의해야 합니다. 학습에는 다음과 같은 단계가 필요합니다:

• 먼저, 실제 데이터와 가짜 데이터를 생성하고 판별기로 입력합니다.
• 판별기의 손실(loss)을 계산하고 역전파(backpropagation)를 통해 업데이트합니다.
• 생성기의 손실을 계산하고 또다시 역전파를 통해 업데이트합니다.

다음은 GAN의 학습 루프를 구현한 코드입니다:

def train_gan(generator, discriminator, data_loader, num_epochs=100, lr=0.0002):
    criterion = nn.BCELoss()  # Binary Cross Entropy Loss
    optimizer_G = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=lr)
    optimizer_D = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=lr)

    for epoch in range(num_epochs):
        for real_data in data_loader:
            batch_size = real_data.size(0)

            # 진짜 데이터와 가짜 데이터의 레이블 생성
            real_labels = torch.ones(batch_size, 1)
            fake_labels = torch.zeros(batch_size, 1)

            # 판별기 학습
            optimizer_D.zero_grad()
            outputs = discriminator(real_data)
            d_loss_real = criterion(outputs, real_labels)
            d_loss_real.backward()

            z = torch.randn(batch_size, 100)  # 랜덤 노이즈 생성
            fake_data = generator(z)
            outputs = discriminator(fake_data.detach())
            d_loss_fake = criterion(outputs, fake_labels)
            d_loss_fake.backward()

            optimizer_D.step()

            # 생성기 학습
            optimizer_G.zero_grad()
            outputs = discriminator(fake_data)
            g_loss = criterion(outputs, real_labels)
            g_loss.backward()
            optimizer_G.step()
        
        if epoch % 10 == 0:
            print(f'Epoch [{epoch}/{num_epochs}], d_loss: {d_loss_real.item() + d_loss_fake.item()}, g_loss: {g_loss.item()}')
            

여기서, train_gan 함수는 생성기와 판별기를 학습시키는 루프를 구현합니다. 이 루프는 data_loader 를 통해 실제 데이터를 받아오고, 각 네트워크의 손실을 계산하여 업데이트합니다.

이제 MuseGAN을 완전히 구현하고 나면, 다양한 MIDI 파일을 생성할 수 있습니다. 이를 위해 생성된 데이터를 MIDI 형식으로 변환하여 출력해야 합니다. 다음은 간단한 MIDI 파일을 생성하는 코드입니다:

from mido import Message, MidiFile

def save_to_midi(generated_data, filename='output.mid'):
    mid = MidiFile()
    track = mid.add_track('Generated Music')

    for note in generated_data:
        track.append(Message('note_on', note=int(note), velocity=64, time=0))
        track.append(Message('note_off', note=int(note), velocity=64, time=32))

    mid.save(filename)

# GAN을 학습한 후 생성된 데이터를 MIDI 파일로 저장
generated_data = generator(torch.randn(16, 100)).detach().numpy()
save_to_midi(generated_data[0])  # 첫 번째 생성된 음악을 저장
            

MuseGAN을 통해 생성된 음악을 실제로 들어보면 흥미로운 결과를 얻을 수 있습니다. 이제 여러분도 GAN을 사용하여 음악 생성이라는 창의적인 작업에 도전해보세요!

4. 결론

MuseGAN과 같은 GAN 기반 모델은 음악 생성 뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. GAN의 원리와 MuseGAN의 구조를 이해함으로써 우리는 딥러닝의 기초를 다지고, 창의적인 프로젝트를 만들 수 있는 기초를 마련할 수 있습니다. 앞으로 더 많은 연구와 개발이 이루어질 것이며, 딥러닝과 GAN의 미래는 더욱 밝습니다.