Frechet Inception Distance

（以下内容重新更新，主要讲解FID的意义，为何FID能够表示生成图像的多样性和质量，为什么FID越小，则图像多样性越好，质量也越好）

　　在计算FID中我们也同样使用inception network网络。我们还是先来简单回顾一下什么是inception network，它就是一个特征提取的深度网络，最后一层是一个pooling层，然后可以输出一张图像的类别。在计算FID时，我们去掉这个最后一层pooling层，得到的是一个2048维的高层特征，以下简称n维特征。我们继续简化一下，那么这个n维特征是一个向量。则有：对于我们已经拥有的真实图像，这个向量是服从一个分布的，（我们可以假设它是服从一个高斯分布）；对于那些用GAN来生成的n维特征它也是一个分布；我们应该立马能够知道了，GAN的目标就是使得两个分布尽量相同。假如两个分布相同，那么生成图像的真实性和多样性就和训练数据相同了。于是，现在的问题就是，怎么计算两个分布之间的距离呢？我们需要注意到这两个分布是多变量的，也就是前面提到的n维特征。也就是说我们计算的是两个多维变量分布之间的距离，数学上可以用Wasserstein-2 distance或者Frechet distance来进行计算。以下简单介绍一下如何计算这个距离。

　　假如一个随机变量服从高斯分布，这个分布可以用一个均值和方差来确定。那么两个分布只要均值和方差相同，则两个分布相同。我们就利用这个均值和方差来计算这两个单变量高斯分布之间的距离。但我们这里是多维的分布，我们知道协方差矩阵可以用来衡量两个维度之间的相关性。所以，我们使用均值和协方差矩阵来计算两个分布之间的距离。均值的维度就是前面n维特征的维度，也就是n维；协方差矩阵则是n*n的矩阵。

　　最后，我们可以使用下面的公式计算FID（看这个公式之前务必要记住这个公式的物理意义，毕竟我们不是专门的数学学习者）：

 

 

公式中，T r TrTr 表示矩阵对角线上元素的总和，矩阵论中俗称“迹”（trace）。均值为 μ \muμ 协方差为 Σ \SigmaΣ 。此外x xx表示真实的图片，g gg是生成的图片。

较低的FID意味着两个分布之间更接近，也就意味着生成图片的质量较高、多样性较好。

FID对模型坍塌更加敏感。相比较IS来说，FID对噪声有更好的鲁棒性。因为假如只有一种图片时，FID这个距离将会相当的高。因此，FID更适合描述GAN网络的多样性。

同样的，FID和IS都是基于特征提取，也就是依赖于某些特征的出现或者不出现。但是他们都无法描述这些特征的空间关系。

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