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现代深度学习库对大多数操作都具有生产级的、高度优化的实现，这并不奇怪。但这些库究竟是什么魔法？他们如何能够将性能提高100倍？究竟怎样才能“优化”或加速神经网络的运行呢？在讨论高性能/高效DNNs时，我经常会问(也经常被问到)这些问题。 在这篇文章中，我将尝试带你了解在DNN库中卷积层是如何实现的。它不仅是在模型中最常见的和最重的操作，我还发现卷积高性能实现的技巧特别具有代表性——一点点算法的小聪明，非常多的仔细的调优和低层架构的开发。 我在这里介绍的很多内容都来自Goto等人的开创性论文：Anatomy of a high-performance matrix multiplication，该论文为OpenBLAS等线性代数库中使用的算法奠定了基础。 最原始的卷积实现 “过早的优化是万恶之源”——Donald Knuth 在进行优化之前，我们先了解一下基线和瓶颈。这是一个朴素的numpy/for循环卷积： ''' Convolve `input` with `kernel` to generate `output` input.shape =...

通过卷积和池化等技术可以将图像进行降维，因此，一些研究人员也想办法恢复原分辨率大小的图像，特别是在语义分割领域应用很成熟。 Upsampling（上采样）[没有学习过程] 在FCN、U-net等网络结构中，涉及到了上采样。上采样概念： 上采样指的是任何可以让图像变成更高分辨率的技术 。最简单的方式是 重采样和插值 ：将输入图片进行rescale到一个想要的尺寸，而且计算每个点的像素点，使用如双线性插值等插值方法对其余点进行插值来完成上采样过程。 在PyTorch中，上采样的层被封装在 torch.nn 中的 Vision Layers 里面，一共有4种： PixelShuffle Upsample UpsamplingNearest2d UpsamplingBilinear2d PixelShuffle 当stride = (1/r) < 1时，可以让卷积后的feature map变大——即分辨率变大，这个新的操作叫做sub-pixel convolution，具体原理可以看 “PixelShuffle：Real-Time Single Image and Video...

背景 本文主要是 《NICE: Non-linear Independent Components Estimation》 一文的介绍和实现。这篇文章也是glow这个模型的基础文章之一，可以说它就是glow的奠基石。 艰难的分布 众所周知，目前主流的生成模型包括VAE和GAN，但事实上除了这两个之外，还有基于flow的模型（flow可以直接翻译为“流”，它的概念我们后面再介绍）。事实上flow的历史和VAE、GAN它们一样悠久，但是flow却鲜为人知。在我看来，大概原因是flow找不到像GAN一样的诸如“造假者-鉴别者”的直观解释吧，因为flow整体偏数学化，加上早期效果没有特别好但计算量又特别大，所以很难让人提起兴趣来。不过现在看来，OpenAI的这个好得让人惊叹的、基于flow的glow模型，估计会让更多的人投入到flow模型的改进中。 glow模型生成的高清人脸 生成模型的本质，就是希望用一个我们知道的概率模型来拟合所给的数据样本， 也就是说，我们得写出一个带参数 \(𝜃\) 的分布 \(q_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x})\)...

Normalizing flow（标准化流）是一类对概率分布进行建模的工具，它能完成简单的概率分布（例如高斯分布）和任意复杂分布之间的相互转换，经常被用于 data generation、density estimation、inpainting 等任务中，例如 Stability AI 提出的 Stable Diffusion 3 中用到的 rectified flow 就是 normalizing flow 的变体之一。 为了便于理解，在正式开始介绍之前先简要说明一下 normalizing flow 的做法。如上图所示， 为了将一个高斯分布 \(z_0\) 转换为一个复杂的分布 \(z_K\) ，normalizing flow 会对初始的分布 \(z_0\) 进行多次可逆的变换，将其逐渐转换为 \(z_K\) 。由于每一次变换都是可逆的，从 \(z_K\) 出发也能得到高斯分布 \(z_0\) 。这样，我们就实现了复杂分布与高斯分布之间的互相转换，从而能从简单的高斯分布建立任意复杂分布。 对 diffusion models 比较熟悉的读者可能已经发现了，这个过程和...

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...

2022年中旬，以扩散模型为核心的图像生成模型将AI绘画带入了大众的视野。实际上，在更早的一年之前，就有了一个能根据文字生成高清图片的模型——VQGAN。VQGAN不仅本身具有强大的图像生成能力，更是传承了前作VQVAE把图像压缩成离散编码的思想，推广了「先压缩，再生成」的两阶段图像生成思路，启发了无数后续工作。 VQGAN 核心思想 VQGAN的论文名为 Taming Transformers for High-Resolution Image Synthesis，直译过来是「驯服Transformer模型以实现高清图像合成」。可以看出，该方法是在用Transformer生成图像。可是，为什么这个模型叫做VQGAN，是一个GAN呢？这是因为，VQGAN使用了两阶段的图像生成方法： 训练时，先训练一个图像压缩模型（包括编码器和解码器两个子模型），再训练一个生成压缩图像的模型。 生成时， 先用第二个模型生成出一个压缩图像，再用第一个模型复原成真实图像 。 其中，第一个图像压缩模型叫做VQGAN，第二个压缩图像生成模型是一个基于Transformer的模型。...

Score based generative model SMLD的关键点： 以多个不同量级的噪声对数据进行扰动，并训练一个分数网络来估计不同噪声下的分数 加噪的量级有大有小，都是在原始数据上进行加噪，最终的分布趋向于 $\mathcal{N}(0,max_i{\sigma_i^2})$ 运用分数匹配的方式来训练基于U-Net结构的MCSN网络， 使得MCSN能够估计任意加噪后分布的分数 基于任意加噪分布的分数和退火的郎之万动力学应用到采样来生成准确的原始数据分布的新样本 正式开始介绍之前首先解答一下这个问题： score-based 模型是什么东西，微分方程在这个模型里到底有什么用？ 我们知道生成模型基本都是从某个现有的分布中进行采样得到生成的样本，为此模型需要完成对分布的建模。根据建模方式的不同可以分为隐式建模（例如 GAN、diffusion models）和显式建模（例如 VAE、normalizing flows）。和上述的模型相同，score-based 模型也是用一定方式对分布进行了建模。具体而言，这类模型建模的对象是概率分布函数 log 的梯度，也就是 score...

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 \[d\mathbf{x}=[\mathbf{f}(\mathbf{x},t)-g^2(t)\nabla_{\mathbf{x}}\log p_t(\mathbf{x})]dt+g(t)d\bar{\mathbf{w}}\tag{2}\]...

- 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”）： \[d\boldsymbol{x} = \boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}) dt + g_t d\boldsymbol{w}\tag{1}\]...

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...

简介 作为一个自编码器，VQ-VAE的一个明显特征是它编码出的编码向量是离散的，换句话说， 它最后得到的编码向量的每个元素都是一个整数 ，这也就是“Quantised”的含义，我们可以称之为“量子化”（跟量子力学的“量子”一样，都包含离散化的意思）。 明明整个模型都是连续的、可导的，但最终得到的编码向量却是离散的，并且重构效果看起来还很清晰（如文章开头的图），这至少意味着VQ-VAE会包含一些有意思、有价值的技巧，值得我们学习一番。 首先， VQ-VAE其实就是一个AE（自编码器）而不是VAE（变分自编码器） ，我不知道作者出于什么目的非得用概率的语言来沾VAE的边，这明显加大了读懂这篇论文的难度。其次，VQ-VAE的核心步骤之一是Straight-Through Estimator，这是将引变量离散化后的优化技巧，在原论文中没有稍微详细的讲解，以至于必须看源码才能更好地知道它说啥。最后，论文的核心思想也没有很好地交代清楚，给人的感觉是纯粹在介绍模型本身而没有介绍模型思想。 PixelCNN...

文章从连续情形出发开始介绍重参数，主要的例子是正态分布的重参数；然后引入离散分布的重参数，这就涉及到了Gumbel Softmax，包括Gumbel Softmax的一些证明和讨论；最后再讲讲重参数背后的一些故事，这主要跟梯度估计有关。 基本概念 重参数（Reparameterization） 实际上是处理如下期望形式的目标函数的一种技巧： \[L_{\theta}=\mathbb{E}_{z\sim p_{\theta}(z)}[f(z)]\tag{1}\] 这样的目标在VAE中会出现，在文本GAN也会出现，在强化学习中也会出现（ \(f(z)\) 对应于奖励函数），所以深究下去，我们会经常碰到这样的目标函数。取决于 \(z\) 的连续性，它对应不同的形式： \[\int p_{\theta}(z) f(z)dz\,\,\,\text{(连续情形)}\qquad\qquad \sum_{z} p_{\theta}(z) f(z)\,\,\,\text{(离散情形)}\tag{2}\] 当然，离散情况下我们更喜欢将记号 \(z\) 换成 \(y\) 或者 \(c\) 。 为了最小化...