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朗之万动力学(Langevin Dynamics)是扩散模型和score matching方法中的采样过程，是文本生成图像中的一个重要步骤。想要洞悉文生图的基本原理，朗之万动力学是绕不开的话题。 朗之万动力学原理简介 本文的主要内容是基于以下教程： Tutorial on Diffusion Models for Imaging and Vision 此教程写的非常好，非常推荐大家学习。教程的语言风格也很亲切，时不时地蹦出诸如“这是地球人能想出来的公式？”这样的话，为你枯燥的学习过程增添些许趣味。 朗之万动力学(Langevin Dynamics)是扩散模型和score matching方法中的采样过程，是文本生成图像中的一个重要步骤。想要洞悉文生图的基本原理，朗之万动力学是绕不开的话题。 给定一个已知的概率分布 \(p(x)\) ，我们的目标是采样出概率密度更大的那些样本。解决这个问题有多种方法，比如生成伪随机均匀分布，然后用概率分布变换的方法；或者用马尔可夫链蒙特卡洛方法(MCMC)。而朗之万动力学给出的方法是这样： 随机选取空间中一个点(这是很简单的，采用高斯生成与 \(x\)...

问题背景 首先简化一下问题，本文所讨论的多模态，主要指图文混合的双模态，即输入和输出都可以是图文。可能有不少读者的第一感觉是：多模态模型难道不也是烧钱堆显卡，Transformer“一把梭”，最终“大力出奇迹”吗？ 其实没那么简单。先看文本生成，事实上文本生成自始至终都只有一条主流路线，那就是语言模型，即建模条件概率 \(p(x_t|x_1,\cdots,x_{t-1})\) ，不论是最初的 n-gram语言模型，还是后来的Seq2Seq、GPT，都是这个条件概率的近似。也就是说，一直以来，人们对“实现文本生成需要往哪个方向走”是很明确的，只是背后所用的模型有所不同，比如LSTM、CNN、Attention乃至最近复兴的线性RNN等。所以， 文本生成确实可以All in Transformer来大力出奇迹，因为方向是标准的、清晰的。 然而，对于图像生成，并没有这样的“标准方向”。就本站所讨论过的图像生成模型，就有 VAE 、 GAN 、 Flow 、 Diffusion ，还有小众的 EBM...

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

Random erasing data augmentation 论文名称：Random erasing data augmentation 论文地址： https://arxiv.org/pdf/1708.04896v2.pdf 随机擦除增强，非常容易理解。作者提出的目的主要是模拟遮挡，从而提高模型泛化能力，这种操作其实非常make sense，因为我把物体遮挡一部分后依然能够分类正确，那么肯定会迫使网络利用局部未遮挡的数据进行识别，加大了训练难度，一定程度会提高泛化能力。其也可以被视为add noise的一种，并且与随机裁剪、随机水平翻转具有一定的互补性，综合应用他们，可以取得更好的模型表现，尤其是对噪声和遮挡具有更好的鲁棒性。具体操作就是：随机选择一个区域，然后采用随机值进行覆盖，模拟遮挡场景。 在细节上，可以通过参数控制擦除的面积比例和宽高比，如果随机到指定数目还无法满足设置条件，则强制返回。 一些可视化效果如下： Cutout 论文名称：Improved Regularization of Convolutional Neural Networks with Cutout...

Segment Anything Segment Anything（SA）项目：一个用于图像分割的新任务、新模型和新数据集 通过FM（基础模型）+prompt解决了CV中难度较大的分割任务，给计算机视觉实现基础模型+提示学习+指令学习提供了一种思路 关键：加大模型容量（构造海量的训练数据，或者构造合适的自监督任务来预训练） Segment Anything Task SAM的一部分灵感是来源于NLP中的基座模型(Foundation Model)，Foundation Model是OpenAI提出的一个概念，它指的是在超大量数据集上预训练过的大模型（如GPT系列、BERT），这些模型具有非常强大的 zero-shot 和 few-shot能力，结合prompt engineering和fine tuning等技术可以将基座模型应用在各种下游任务中并实现惊人的效果。 SAM就是想构建一个这样的图像分割基座模型，即使是一个未见过的数据集，模型也能自动或半自动（基于prompt）地完成下游的分割任务。为了实现这个目标，SAM定义了一种可提示化的分割任务（promptable...