NOTEBOOK

SD模型原理 SD是CompVis、Stability AI和LAION等公司研发的一个文生图模型，它的模型和代码是开源的，而且训练数据LAION-5B也是开源的。SD在开源90天github仓库就收获了 33K的stars ，可见这个模型是多受欢迎。 SD是一个 基于latent的扩散模型 ，它在UNet中引入text condition来实现基于文本生成图像。SD的核心来源于 Latent Diffusion 这个工作，常规的扩散模型是基于pixel的生成模型，而Latent Diffusion是基于latent的生成模型，它先采用一个autoencoder将图像压缩到latent空间，然后用扩散模型来生成图像的latents，最后送入autoencoder的decoder模块就可以得到生成的图像。 基于latent的扩散模型的优势在于计算效率更高效，因为图像的latent空间要比图像pixel空间要小，这也是SD的核心优势...

技术分析 从方法上来看，条件控制生成的方式分两种： 事后修改（Classifier-Guidance）和事前训练（Classifier-Free） 。 对于大多数人来说，一个SOTA级别的扩散模型训练成本太大了，而分类器（Classifier）的训练还能接受，所以就想着直接复用别人训练好的无条件扩散模型，用一个分类器来调整生成过程以实现控制生成，这就是事后修改的Classifier-Guidance方案；而对于“财大气粗”的Google、OpenAI等公司来说，它们不缺数据和算力，所以更倾向于往扩散模型的训练过程中就加入条件信号，达到更好的生成效果，这就是事前训练的Classifier-Free方案。 Classifier-Guidance方案最早出自 《Diffusion Models Beat GANs on Image Synthesis》 ，最初就是用来实现按类生成的；后来 《More Control for Free! Image Synthesis with Semantic Diffusion Guidance》...

Flow Matching 其实是将 flow 的离散形式转换为连续形式（连续标准化流CNF），进而可以看成是一个ODE方程，实际求解的是这个ODE 求解的核心思路是：构建速度场通过数值积分求解位移，也就是通过预测速度场，从而转为ode求解 从概率路径的角度上来说，解是无穷多的，不同的方法本质上讲是在于构造尽可能简单、直接、易解的概率路径 通过不同的条件概率路径，可以构造出VP（score matching）、 VE（diffusion）、OT（1-rectified flow）等形式 实际的边缘概率分布路径并不是一条直线 ，我们是通过拟合条件速度场来逼近边缘速度场， 即使我们证明了对于参数 \(\theta\) 来说优化目标是等价的，但终究还是有一些gap Flow-based Models Normalizing Flow Normalizing Flow 是一种基于 变换 对概率分布进行建模的模型，其通过一系列 离散且可逆的变换 实现任意分布与先验分布（例如标准高斯分布）之间的相互转换。在 Normalizing Flow...

Diffusion Models from SDE 连续扩散模型 (Continuous Diffusion Models) 将传统的离散时间扩散过程扩展到连续时间域,可以被视为一个随机过程，使用随机微分方程(SDE)来描述。其前向过程可以写成如下形式： \[\mathrm d\mathbf x=\mathbf f(\mathbf x,t)\mathrm dt+g(t)\mathrm d\mathbf w\tag{1}\] 其中， \(f(x,t)\) 可以看成偏移系数， \(g(t)\) 可以看成是扩散系数， \(dw\) 是标准布朗运动。这个SDE 描述了数据在连续时间域内如何被噪声逐渐破坏。 这个随机过程的 逆向过程 存在（更准确的描述：下面的逆向时间SDE具有 与正向过程SDE相同的联合分布 ）为 \[d\mathbf{x}=[\mathbf{f}(\mathbf{x},t)-g^2(t)\nabla_{\mathbf{x}}\log p_t(\mathbf{x})]dt+g(t)d\bar{\mathbf{w}}\tag{2}\]...

DDPM 有一个非常明显的问题：采样过程很慢。因为 DDPM 的反向过程利用了马尔可夫假设， 所以每次都必须在相邻的时间步之间进行去噪，而不能跳过中间步骤 。原始论文使用了 1000 个时间步，所以我们在采样时也需要循环 1000 次去噪过程，这个过程是非常慢的。 为了加速 DDPM 的采样过程，DDIM 在不利用马尔可夫假设的情况下推导出了 diffusion 的反向过程，最终可以实现仅采样 20～100 步的情况下达到和 DDPM 采样 1000 步相近的生成效果，也就是提速 10～50 倍。这篇文章将对 DDIM 的理论进行讲解，并实现 DDIM 采样的代码。 DDPM 的反向过程 首先我们回顾一下 DDPM 反向过程的推导，为了推导出 \(q(\mathbf{x}_{t-1}|\mathbf{x}_t)\) 这个条件概率分布，DDPM 利用贝叶斯公式将其变成了先验分布的组合， 并且通过向条件中加入 \(\mathbf{x}_0 \) 将所有的分布转换为已知分布 ：...

1-Rectified Flow 可以认为是 flow matching的ot最优传输形式 Rectified Flow目的是将多对多无约束映射 转变成 一对一有约束映射。 ode会保证路径是“因果”的，也就是避免相交的情况 2-Rectified Flow或者叫Reflow 核心的实际上是加噪过程的样本交点数目降低，交点处模型无法精确学习向量场，交点数少了，模型在每个点预测都更准了，加噪过程是直线，所以能更少步数走到起点(但整体采样过程不是直线) 原本随机采样的DDPM模型中，也隐含了一个确定性的采样过程DDIM，它的连续极限也是一个ODE 。 细想上述过程， 可以发现不管是“DDPM→DDIM”还是“SDE→ODE”，都是从随机采样模型过渡到确定性模型，而如果我们一开始的目标就是ODE，那么该过程未免显得有点“迂回”了 。在本文中，笔者尝试给出ODE扩散模型的直接推导，并揭示了它与雅可比行列式、热传导方程等内容的联系。 Rectified Flow 理论推导 微分方程...

基于文章 《Elucidating the Design Space of Diffusion-Based Generative Models》 来统一扩散模型框架 通用扩散模型框架推导 加噪公式 Flow Matching的一步加噪公式 \[\mathbf{x}_t=(1-t)\mathbf{x}_0+t\varepsilon\] 写成概率分布形式： \[p(\mathbf{x}_t|\mathbf{x}_0)=\mathcal{N}(\mathbf{x}_t;(1-t)\mathbf{x}_0,t^2\mathbf{I})\] Score Matching的一步加噪公式 \[\mathbf{x}_t=\mathbf{x}_0+\sigma_t\varepsilon \] 写成概率分布形式： \[p(\mathbf{x}_t|\mathbf{x}_0)=\mathcal{N}(\mathbf{x}_t;\mathbf{x}_0,\sigma_t^2\mathbf{I})\] DDPM/DDIM的一步加噪公式...

- SMLD 和 DDPM 中使用的噪声扰动可以看作是两个不同 SDE 的离散化 - 扩散模型和评分模型在连续时间极限下完全等价，也就是说将有限次数的加噪过程推广到无穷次， 也就是推广到连续的情况下，可以得到一个更加一般的扩散过程，这个过程可以用SDE来表示，求解更加方便 - 两种方法的目标函数可以互相转换 随机微分 在DDPM中，扩散过程被划分为了固定的T步，还是用DDPM中的类比来说，就是“拆楼”和“建楼”都被事先划分为了T步，这个划分有着相当大的人为性。事实上，真实的“拆”、“建”过程应该是没有刻意划分的步骤的，我们可以将它们理解为一个在时间上连续的变换过程，可以用随机微分方程（Stochastic Differential Equation，SDE）来描述。 为此，我们用下述SDE描述前向过程（“拆楼”）： \[d\boldsymbol{x} = \boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}) dt + g_t d\boldsymbol{w}\tag{1}\]...

💡 扩散模型：通过加噪的方式去学习原始数据的分布， 从学到的分布中去生成样本 DDPM 关键点： 1. 正向加噪是离散时间马尔可夫链：从 \(x_0\) 逐步加噪得到 \(x_1,x_2,...,x_T\) ；在合适的噪声调度与足够大的 \(T\) 下， \(x_T\) 近似服从 \( N(0,I) \) 的各向同性高斯。 2. 每一步噪声方差 \(β_t\) 满足 \(0<β_t<1\) ，通常随 \(t\) 增大；因此 \(q(x_t|x_{t-1}) \) 的均值缩放系数 \(\sqrt{1-β_t} \) 逐渐减小。 3. 训练通过最大化对数似然的变分下界（ELBO）来学习反向过程 \( p_θ(x_{t-1}|x_t)\) ，并将其参数化为高斯分布（神经网络预测均值/噪声或 score）。 4. 将目标写成 score/DSM 形式时，loss 的权重与对应噪声层的方差尺度（如 \(1-\bar{α}_t\) 或相关量）有关；采样通常是按学习到的反向转移逐步生成（祖先采样），与经典 Langevin MCMC 更新形式不同，但可在 SDE 视角下统一理解。...

ControlNet应该算是2023年文生图领域最重要的工作，它让文生图模型Stable Diffusion实现了文本之外的可控生成，让AI绘画实现了质的飞跃。这篇文章我们将简单总结一下ControlNet技术细节。 模型设计 ControlNet的模型结构如下所示，这里是直接复制一份SD的上半部分：Encoder和中间的Middle Block。 ControlNet的输入和原始的SD一样，包括noisy latents、time embedding以及text embedding。除此之外，ControlNet还需要引入额外的condition，这个condition是和原图一样大小的图像，比如canny边界图或者人体骨架图。这里并没有像SD那样采用VAE对condition进行编码，而...