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<title>Generative Adversarial Networks</title>
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<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Generative Adversarial Networks</span></h1>
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<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p><b>Generative Adversarial Networks</b> (GAN, zu deutsch etwa „erzeugende gegnerische Netzwerke“) sind ein Konzept aus dem <a href="Maschinelles_Lernen" title="Maschinelles Lernen">Maschinellen Lernen</a> und beschreiben ein <a href="Framework" title="Framework">Framework</a> für das Training von Netzwerken im Kontext von generativem Lernen bzw. <a href="Un%C3%BCberwachtes_Lernen" title="Unüberwachtes Lernen">unüberwachtem Lernen</a>. Hierbei werden zwei <a href="K%C3%BCnstliches_neuronales_Netz" title="Künstliches neuronales Netz">Netzwerke</a>, der Generator und der Diskriminator gegeneinander trainiert, wobei der Generator versucht Daten zu generieren, die einem ursprünglichen Datensatz sehr ähnlich sind, und der Diskriminator versucht echte und falsche Daten zu unterscheiden. Nach dem Training kann der Generator genutzt werden, um Daten zu generieren, die den ursprünglichen Daten sehr ähnlich sind.
</p><p>GANs wurden 2014 von der Arbeitsgruppe um Ian Goodfellow vorgestellt<sup id="cite_ref-MyUser_Arxiv.org_April_7_2016c_1-0" class="reference"><a href="#cite_note-MyUser_Arxiv.org_April_7_2016c-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> und waren ein sehr prominenter Ansatz im generativen Lernen mit vielen Varianten wie z. B. <a href="StyleGAN" title="StyleGAN">StyleGAN</a>. In der aktuellen Forschung wird der GAN-Ansatz oft zusätzlich mit anderen Ansätzen genutzt. So nutzt z. B. <a href="Stable_Diffusion" title="Stable Diffusion">Stable Diffusion</a> eine diskriminative Verlustfunktion im Training der <i>first stage</i>.
</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Eigenschaften">Eigenschaften</h2></div>

<p><i>Generative Adversarial Networks</i> bestehen aus zwei <a href="K%C3%BCnstliches_neuronales_Netz" title="Künstliches neuronales Netz">künstlichen neuronalen Netzwerken</a>, die ein <a href="Nullsummenspiel" title="Nullsummenspiel">Nullsummenspiel</a> durchführen. Eines davon erstellt Kandidaten (der Generator), das zweite neuronale Netzwerk bewertet die Kandidaten (der <a href="Diskrimination" title="Diskrimination">Diskriminator</a>).<sup id="cite_ref-MyUser_Arxiv.org_April_7_2016c_1-1" class="reference"><a href="#cite_note-MyUser_Arxiv.org_April_7_2016c-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Typischerweise bildet der Generator von einem Vektor aus <a href="Latentes_Variablenmodell" title="Latentes Variablenmodell">latenten Variablen</a> auf den gewünschten Ergebnisraum ab. Ziel des Generators ist es zu lernen, Ergebnisse nach einer bestimmten <a href="Verteilung_einer_Zufallsvariablen" title="Verteilung einer Zufallsvariablen">Verteilung</a> zu erzeugen. Der Diskriminator wird hingegen darauf trainiert, die Ergebnisse des Generators von den Daten aus der echten, vorgegebenen Verteilung zu unterscheiden. Die Zielfunktion des Generators besteht dann darin, Ergebnisse zu erzeugen, die der Diskriminator nicht unterscheiden kann. Dadurch soll sich die erzeugte Verteilung nach und nach an die echte Verteilung angleichen.
</p><p>Das Training der beiden Netzwerke erfolgt gleichzeitig. Wie im maschinellen Lernen üblich, wird für das Training ein ausreichend großer Datensatz benötigt, der aus echten Daten besteht. Dieser Datensatz wird nur vom Diskriminator gesehen. Während des Trainings erzeugt der Generator Vektoren im Zielbereich der Daten basierend auf zufällig gewählten <a href="Latentes_Variablenmodell" title="Latentes Variablenmodell">latenten Variablen</a>. Der Diskriminator erhält sowohl die generierten als auch die echten Daten und versucht zu raten aus welcher Gruppe die jeweiligen Daten kommen. In jedem Trainingsschritt werden dann die Gewichte des Diskriminators und des Generators durch <a href="Backpropagation" title="Backpropagation">Backpropagation</a> verbessert, wobei die Verlustfunktion für den Diskriminator ist, wie richtig der Diskriminator die Daten einsortiert hat, und die Verlustfunktion des Generators ist, wie sehr die generierten Daten vom Diskriminator als echte Daten missverstanden wurden. Durch dieses Vorgehen verbessern sich der Diskriminator und der Generator konstant gegenseitig, was bei einer ausreichenden Trainingszeit zu generierten Verteilungen führt, die nicht von echten zu unterscheiden sind.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Mathematische_Definition">Mathematische Definition</h3></div>
<p>Das ursprüngliche GAN ist als das folgende <a href="Spieltheorie" title="Spieltheorie">Spiel</a> definiert:<sup id="cite_ref-MyUser_Arxiv.org_April_7_2016c_1-2" class="reference"><a href="#cite_note-MyUser_Arxiv.org_April_7_2016c-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>
</p>
<dl><dd>Jeder <a href="Wahrscheinlichkeitsraum" title="Wahrscheinlichkeitsraum">Wahrscheinlichkeitsraum</a> <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle (\Omega ,\mu _{ref})}">
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<mo>,</mo>
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<mi>r</mi>
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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/f37076644bc268ce5c2a4c572d85499087f3c366.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; width:8.567ex; height:3.009ex;" alt="{\displaystyle (\Omega ,\mu _{ref})}" loading="lazy"></span> definiert ein GAN-Spiel.</dd></dl>
<dl><dd>Es gibt 2 Spieler: Generator und Diskriminator.</dd></dl>
<dl><dd>Die Strategiemenge des Generators ist <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle {\mathcal {P}}(\Omega )}">
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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/dda577f83b0f673b3c59652dfcd8c195b965030f.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.838ex; width:2.926ex; height:2.176ex;" alt="{\displaystyle \mu _{G}}" loading="lazy"></span> auf <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle (\Omega )}">
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<dl><dd>Die Strategiemenge des Diskriminators ist die Menge der <a href="%C3%9Cbergangskern" title="Übergangskern">Markov-Kerne</a> <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \mu _{D}:\Omega \to {\mathcal {P}}[0,1]}">
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<mi>μ<!-- μ --></mi>
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<mo>:</mo>
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<mi class="MJX-tex-caligraphic" mathvariant="script">P</mi>
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<mo>,</mo>
<mn>1</mn>
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<mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0">
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<mrow class="MJX-TeXAtom-ORD">
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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/23bc6194efec9e3aaf67b5270e6b8cbc3834d99e.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.838ex; width:6.356ex; height:2.843ex;" alt="{\displaystyle {\mathcal {P}}[0,1]}" loading="lazy"></span> die Menge der Wahrscheinlichkeitsmaße auf <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle [0,1]}">
<semantics>
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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/738f7d23bb2d9642bab520020873cccbef49768d.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.838ex; width:4.653ex; height:2.843ex;" alt="{\displaystyle [0,1]}" loading="lazy"></span>.</dd></dl>
<dl><dd>Das GAN-Spiel ist ein <a href="Nullsummenspiel" title="Nullsummenspiel">Nullsummenspiel</a>, mit der Zielfunktion <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle L(\mu _{G},\mu _{D}):=\mathbb {E} _{x\sim \mu _{ref},y\sim \mu _{D}(x)}[\ln y]+\mathbb {E} _{x\sim \mu _{G},y\sim \mu _{D}(x)}[\ln(1-y)]}">
<semantics>
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<mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0">
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<mi>G</mi>
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<mo>,</mo>
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<mi>D</mi>
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<mo>:=</mo>
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<mi>x</mi>
<mo>∼<!-- ∼ --></mo>
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<mi>μ<!-- μ --></mi>
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<mi>r</mi>
<mi>e</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
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<mo>,</mo>
<mi>y</mi>
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<msub>
<mi>μ<!-- μ --></mi>
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<mi>D</mi>
</mrow>
</msub>
<mo stretchy="false">(</mo>
<mi>x</mi>
<mo stretchy="false">)</mo>
</mrow>
</msub>
<mo stretchy="false">[</mo>
<mi>ln</mi>
<mo>⁡<!-- ⁡ --></mo>
<mi>y</mi>
<mo stretchy="false">]</mo>
<mo>+</mo>
<msub>
<mrow class="MJX-TeXAtom-ORD">
<mi mathvariant="double-struck">E</mi>
</mrow>
<mrow class="MJX-TeXAtom-ORD">
<mi>x</mi>
<mo>∼<!-- ∼ --></mo>
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<mi>μ<!-- μ --></mi>
<mrow class="MJX-TeXAtom-ORD">
<mi>G</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>,</mo>
<mi>y</mi>
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<mi>D</mi>
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</msub>
<mo stretchy="false">(</mo>
<mi>x</mi>
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</msub>
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<mi>ln</mi>
<mo>⁡<!-- ⁡ --></mo>
<mo stretchy="false">(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>−<!-- − --></mo>
<mi>y</mi>
<mo stretchy="false">)</mo>
<mo stretchy="false">]</mo>
</mstyle>
</mrow>
<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle L(\mu _{G},\mu _{D}):=\mathbb {E} _{x\sim \mu _{ref},y\sim \mu _{D}(x)}[\ln y]+\mathbb {E} _{x\sim \mu _{G},y\sim \mu _{D}(x)}[\ln(1-y)]}</annotation>
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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/b55fdfa10ce4725eae7b3b0816b3860e29120b4a.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.338ex; width:59.294ex; height:3.343ex;" alt="{\displaystyle L(\mu _{G},\mu _{D}):=\mathbb {E} _{x\sim \mu _{ref},y\sim \mu _{D}(x)}[\ln y]+\mathbb {E} _{x\sim \mu _{G},y\sim \mu _{D}(x)}[\ln(1-y)]}" loading="lazy"></span></dd></dl>
<dl><dd>Der Generator zielt darauf ab, das Ziel zu minimieren, und der Diskriminator zielt darauf ab, das Ziel zu maximieren.</dd></dl>
<p>Intuitiv gesprochen, besteht die Aufgabe des Generators darin, sich <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle \mu _{G}\approx \mu _{ref}}">
<semantics>
<mrow class="MJX-TeXAtom-ORD">
<mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0">
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<mi>μ<!-- μ --></mi>
<mrow class="MJX-TeXAtom-ORD">
<mi>G</mi>
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</mrow>
<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \mu _{G}\approx \mu _{ref}}</annotation>
</semantics>
</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/148823eaf9f7df04583d3b662626b9bbebb442dc.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; width:10.07ex; height:2.343ex;" alt="{\displaystyle \mu _{G}\approx \mu _{ref}}" loading="lazy"></span>, d. h., seine eigene Ausgangsverteilung so weit wie möglich an die Referenzverteilung anzugleichen; die Aufgabe des Diskriminators besteht darin, einen Wert nahe 1 auszugeben, wenn die Eingabe aus der Referenzverteilung zu stammen scheint, und einen Wert nahe 0 auszugeben, wenn die Eingabe so aussieht, als stamme sie aus der Generatorverteilung.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Probleme">Probleme</h3></div>
<p>Die Konvergenz von Generative Adversarial Networks ist im heutigen Stand häufig problematisch<sup id="cite_ref-2" class="reference"><a href="#cite_note-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>. Während des Trainings kann es zu einem Moduskollaps kommen, wodurch der Generator nur noch eine begrenzte Anzahl hinreichend unterschiedlicher Stichproben erzeugt.
Typischerweise sind GANs empfindlich gegenüber der Initialisierung der Gewichte sowie der Hyperparameter.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Verwendung">Verwendung</h2></div>

<p>GANs wurden unter anderem zur Erstellung <a href="Photorealismus" class="mw-redirect" title="Photorealismus">photorealistischer</a> Bilder zur Visualisierung verschiedener Gegenstände, zur Modellierung von Bewegungsmustern in Videos,<sup id="cite_ref-3" class="reference"><a href="#cite_note-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> zur Erstellung von 3D-Modellen von Objekten aus 2D-Bildern<sup id="cite_ref-4" class="reference"><a href="#cite_note-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> und zur Bildbearbeitung astronomischer Bilder verwendet.<sup id="cite_ref-5" class="reference"><a href="#cite_note-5"><span class="cite-bracket">[</span>5<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> GANs werden auch zur natürlichen Gestaltung der Nutzerinteraktion mit Chatbots verwendet.<sup id="cite_ref-6" class="reference"><a href="#cite_note-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Weiterhin werden GANs in der <a href="Teilchenphysik" title="Teilchenphysik">Teilchenphysik</a> dazu verwendet, zeitaufwendige Detektorsimulationen zu beschleunigen.<sup id="cite_ref-7" class="reference"><a href="#cite_note-7"><span class="cite-bracket">[</span>7<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-8" class="reference"><a href="#cite_note-8"><span class="cite-bracket">[</span>8<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>
</p>

<p>Des Weiteren können über Tools wie Real-ESRGAN eigene Bilder und Fotos über GANs hochskaliert werden.<sup id="cite_ref-9" class="reference"><a href="#cite_note-9"><span class="cite-bracket">[</span>9<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Abhängig von der Ausgangsstruktur funktioniert die Skalierung besser oder schlechter. Systematische oder geometrische Strukturen können gut hochskaliert werden, diffuse Texturen oder organische Strukturen hingegen bereiten noch Probleme.
</p><p>GANs kommen zusätzlich im Bereich von verschiedenen Angriffen auf neuronale Netze zum Einsatz. Hierzu zählen unter anderem die Generierung von sogenannten Unrestricted Adversarial Examples<sup id="cite_ref-10" class="reference"><a href="#cite_note-10"><span class="cite-bracket">[</span>10<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> oder Model Inversion Attacks<sup id="cite_ref-11" class="reference"><a href="#cite_note-11"><span class="cite-bracket">[</span>11<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>, welche versuchen aus einem trainierten Modell Informationen zu den Trainingsdaten bzw. den gelernten Klassen zu extrahieren.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Geschichte">Geschichte</h2></div>
<p>Die Verwendung kompetitiver neuronaler Netzwerke wurde erstmals 2013 von Wei Li, Melvin Gauci und Roderich Gross vorgeschlagen.<sup id="cite_ref-Li-etal-GECCO2013_12-0" class="reference"><a href="#cite_note-Li-etal-GECCO2013-12"><span class="cite-bracket">[</span>12<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Das Konzept der <i>Generative Adversarial Networks</i> wurde 2014 von <a href="Yoshua_Bengio" title="Yoshua Bengio">Yoshua Bengio</a>, <a href="Ian_Goodfellow" title="Ian Goodfellow">Ian Goodfellow</a>, Jean Pouget-Abadie, Mehdi Mirza, Bing Xu, David Warde-Farley, Sherjil Ozair und Aaron Courville entwickelt.<sup id="cite_ref-MyUser_Arxiv.org_April_7_2016c_1-3" class="reference"><a href="#cite_note-MyUser_Arxiv.org_April_7_2016c-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> In Anlehnung an den <a href="Turing-Test" title="Turing-Test">Turing-Test</a> wird die Methode auch als „Turing-Lernen“ (<span style="font-style:normal;font-weight:normal"><a href="Englische_Sprache" title="Englische Sprache">englisch</a></span> <span lang="en-Latn" style="font-style:italic">Turing learning</span>) bezeichnet.<sup id="cite_ref-TuringLearning2016_13-0" class="reference"><a href="#cite_note-TuringLearning2016-13"><span class="cite-bracket">[</span>13<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Alternative_Modelle">Alternative Modelle</h2></div>
<p>Variational Autoencoder, Energiebasierte Modelle oder <a href="Normalizing_Flow" class="mw-redirect" title="Normalizing Flow">Normalizing-Flow</a>-basierte Modelle sind alternative generative Modelle.
</p>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>
<ul><li>Ian Goodfellow, Yoshua Bengio und Aaron Courville: <i>Deep Learning (Adaptive Computation and Machine Learning)</i>, MIT Press, Cambridge (USA), 2016. ISBN 978-0-262-03561-3.</li></ul>
<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>
<ol class="references">
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</li>
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</li>
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</li>
<li id="cite_note-4"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-4">↑</a></span> <span class="reference-text"><span class="cite"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://web.archive.org/web/20191027080206/http://3dgan.csail.mit.edu/"><i>3D Generative Adversarial Network.</i></a> In: <i>3dgan.csail.mit.edu.</i> Archiviert vom <style data-mw-deduplicate="TemplateStyles:r250917974">
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</style><span class="dewiki-iconexternal"><a class="external text" href="https://redirecter.toolforge.org/?url=http%3A%2F%2F3dgan.csail.mit.edu%2F">Original</a></span> am <span style="white-space:nowrap;">27.&nbsp;Oktober 2019</span><span>;</span><span class="Abrufdatum"> abgerufen am 23.&nbsp;Juli 2017</span> (englisch).</span><span style="display: none;" class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&amp;rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Adc&amp;rfr_id=info%3Asid%2Fde.wikipedia.org%3AGenerative+Adversarial+Networks&amp;rft.title=3D+Generative+Adversarial+Network&amp;rft.description=3D+Generative+Adversarial+Network&amp;rft.identifier=https%3A%2F%2Fweb.archive.org%2Fweb%2F20191027080206%2Fhttp%3A%2F%2F3dgan.csail.mit.edu%2F&amp;rft.date=&amp;rft.source=http://3dgan.csail.mit.edu/&amp;rft.language=en">&nbsp;</span></span>
</li>
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</ol></div><!--htdig_noindex--><div><div class="zim-footer">
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