深入浅出完整解析Stable Diffusion（SD）核心基础知识_sd为何只能训练嵌入式模型

2022年，Stable Diffusion模型横空出世，其成为AI行业从传统深度学习时代走向AIGC时代的标志性模型之一，并为工业界，投资界，学术界以及竞赛界都注入了新的AI想象空间，让AI再次性感。

Stable Diffusion是计算机视觉领域的一个生成式大模型，能够进行文生图（txt2img）和图生图（img2img）等图像生成任务。与Midjourney不同的是，Stable Diffusion是一个完全开源的项目（模型，代码，训练数据，论文等），这使得其快速构建了强大繁荣的上下游生态（AI绘画社区，基于SD的自训练模型，丰富的辅助AI绘画工具与插件等），并且吸引了越来越多的AI绘画爱好者也加入其中，与AI行业从业者一起不断推动AIGC行业的发展与普惠。

也正是Stable Diffusion的开源属性，繁荣的上下游生态以及各行各业AI绘画爱好者的参与，使得AI绘画火爆出圈，让大部分人都能非常容易地进行AI绘画。可以说，本次AI科技浪潮的ToC普惠在AIGC时代的早期就已经显现，这是之前的传统深度学习时代从未有过的。而这也是最让Rocky振奋的AIGC属性，让Rocky相信未来的十年会是像移动互联网时代那样，充满科技变革与机会的时代。

Rocky从传统深度学习时代走来，与图像分类领域的ResNet系列，图像分割领域的U-Net系列以及目标检测领域的YOLO系列模型打过交道，Rocky相信Stable Diffusion会是图像生成领域的“YOLO”。

Stable Diffusion生成图片

因此本文中，Rocky将以社区中最为火爆的SDv1.5为例，对Stable Diffusion的各个细节做一个深入浅出的分析总结（模型结构，应用场景，性能优化，从0到1训练教程，从0到1搭建推理流程，最新SD资源汇总，相关插件工具使用等），希望我们能更好的入门Stable Diffusion及其背后的AIGC领域，在AIGC时代更好地融合和从容。

1. Stable Diffusion资源分享

【1】Stable Diffusion V1.5模型资源

• 官方项目：https://huggingface.co/runwayml/stable-diffusion-v1-5
• SD V1.5模型权重百度云网盘：关注Rocky的公众号WeThinkIn，后台回复：SDV1.5模型，即可获得资源链接，包含SD V1.5的diffusers格式(FP32和FP16精度)模型权重，SD V1.5的safetensors格式模型权重和ckpt格式模型权重。

【2】Stable Diffusion V2.1-base（512x512）模型资源

• 官方项目：https://huggingface.co/stabilityai/stable-diffusion-2-1-base
• SD V2.1-base模型权重百度云网盘：关注Rocky的公众号WeThinkIn，后台回复：SDV2.1-base模型，即可获得资源链接，包含SD V2.1-base的diffusers格式(FP32和FP16精度)模型权重，SD V2.1的safetensors格式模型权重和ckpt格式模型权重。

【3】Stable Diffusion V2.1（768x768）模型资源

• 官方项目：https://huggingface.co/stabilityai/stable-diffusion-2-1
• SD V2.1模型权重百度云网盘：关注Rocky的公众号WeThinkIn，后台回复：SDV2.1模型，即可获得资源链接，包含SD V2.1的diffusers格式(FP32和FP16精度)模型权重，SD V2.1的safetensors格式模型权重和ckpt格式模型权重。

【4】Stable Diffusion Inpainting模型资源

• 官方项目：https://huggingface.co/runwayml/stable-diffusion-inpainting
• Stable Diffusion Inpainting模型权重百度云网盘：关注Rocky的公众号WeThinkIn，后台回复：SDInpainting模型，即可获得资源链接，包含SDInpainting的diffusers格式(FP32和FP16精度)模型权重，SDInpainting的safetensors格式模型权重和ckpt格式模型权重。

【5】Stable Diffusion x4-Upscaler（超分）模型资源

• 官方项目：stabilityai/stable-diffusion-x4-upscaler · Hugging Face
• Stable Diffusion x4-Upscaler模型权重百度云网盘：关注Rocky的公众号WeThinkIn，后台回复：SDx4-Upscaler模型，即可获得资源链接，包含SDx4-Upscaler的diffusers格式(FP32和FP16精度)模型权重，SDx4-Upscaler的safetensors格式模型权重和ckpt格式模型权重。

【6】Stable Diffusion热门社区&&第三方模型资源

• https://huggingface.co/models（huggingface模型网站）
• https://civitai.com/（全球最全的SD模型资源库）
• https://www.reddit.com/r/StableDiffusion/（全球讨论最激烈的SD资讯论坛）

2. 零基础深入理解Stable Diffusion核心基础原理

2.1 通俗讲解Stable Diffusion模型工作流程

Stable Diffusion（SD）模型是由Stability AI和LAION等公司共同开发的生成式模型，总共有1B左右的参数量，可以用于文生图，图生图，图像inpainting，ControlNet控制生成，图像超分等丰富的任务，本节中我们以文生图（txt2img）和图生图（img2img）任务展开对Stable Diffusion模型的工作流程进行通俗的讲解。

文生图任务是指将一段文本输入到SD模型中，经过一定的迭代次数，SD模型输出一张符合输入文本描述的图片。比如下图中输入了“天堂，巨大的，海滩”，于是SD模型生成了一个美丽沙滩的图片。

SD模型的文生图（txt2img）过程

而图生图任务在输入本文的基础上，再输入一张图片，SD模型将根据文本的提示，将输入图片进行重绘以更加符合文本的描述。比如下图中，SD模型将“海盗船”添加在之前生成的那个美丽的沙滩图片上。

SD模型的图生图（img2img）过程

那么输入的人类文本信息如何成为SD模型能够理解的机器数学信息呢？

很简单，我们需要给SD模型一个文本信息与机器数据信息之间互相转换的“桥梁”——CLIP Text Encoder模型。如下图所示，我们使用CLIP Text Encoder模型作为SD模型的前置模块，将输入的人类文本信息进行编码，输出特征矩阵，这个特征矩阵与文本信息相匹配，并且能够使得SD模型理解：

蓝色框就是CLIP Text Encoder模型，能够将输入文本信息进行编码，输出SD能够理解的特征矩阵

完成对文本信息的编码后，就会输入到SD模型的“图像优化模块”中对图像的优化进行“控制”。

如果是图生图任务，我们在输入文本信息的同时，还需要将原图片通过图像编码器（VAE Encoder）生成Latent Feature（隐空间特征）作为输入。

如果是文生图任务，我们只需要输入文本信息，再用random函数生成一个高斯噪声矩阵作为Latent Feature的“替代”输入到SD模型的“图像优化模块”中。

“图像优化模块”作为SD模型中最为重要的模块，其工作流程是什么样的呢？

首先，“图像优化模块”是由一个U-Net网络和一个Schedule算法共同组成，U-Net网络负责预测噪声，不断优化生成过程，在预测噪声的同时不断注入文本语义信息。而schedule算法对每次U-Net预测的噪声进行优化处理（动态调整预测的噪声，控制U-Net预测噪声的强度），从而统筹生成过程的进度。在SD中，U-Net的迭代优化步数大概是50或者100次，在这个过程中Latent Feature的质量不断的变好（纯噪声减少，图像语义信息增加，文本语义信息增加）。整个过程如下图所示：

U-Net网络+Schedule算法的迭代去噪过程

U-Net网络和Schedule算法的工作完成以后，SD模型会将优化迭代后的Latent Feature输入到图像解码器（VAE Decoder）中，将Latent Feature重建成像素级图像。

我们对比一下文生图任务中，初始Latent Feature和经过SD的“图像优化模块”处理后，再用图像解码器重建出来的图片之间的区别：

初始Latent Feature和经过SD的“图像优化模块”处理后的图像内容区别

可以看到，上图左侧是初始Latent Feature经过图像解码器重建后的图片，显然是一个纯噪声图片；上图右侧是经过SD的“图像优化模块”处理后，再用图像解码器重建出来的图片，可以看到是一个张包含丰富内容信息的有效图片。

我们再将U-Net网络+Schedule算法的迭代去噪过程的每一步结果都用图像解码器进行重建，我们可以直观的感受到从纯噪声到有效图片的全过程：

U-Net网络+Schedule算法的迭代去噪过程的每一步结果

以上就是SD模型工作的完整流程，下面Rocky再将其进行总结归纳制作成完整的Stable Diffusion前向推理流程图，方便大家更好的理解SD模型的前向推理过程：

SD模型文生图和图生图的前向推理流程图

2.2 从0到1读懂Stable Diffusion模型核心基础原理

在传统深度学习时代，凭借生成器与判别器对抗训练的开创性哲学思想，GAN（Generative adversarial networks）可谓是在生成式模型中一枝独秀。同样的，在AIGC时代，以SD模型为代表的扩散模型接过GAN的衣钵，在图像生成领域一路“狂飙”。

与GAN等生成式模型一致的是，SD模型同样学习拟合训练集分布，并能够生成与训练集分布相似的输出结果，但与GAN相比，SD模型训练过程更稳定，而且具备更强的泛化性能。这些都归功于扩散模型中核心的前向扩散过程（forward diffusion process）和反向生成过程（reverse generation process）。

在前向扩散过程中，SD模型持续对一张图像添加高斯噪声直至变成随机噪声矩阵。而在反向生成过程中，SD模型进行去噪声过程，将一个随机噪声矩阵逐渐去噪声直至生成一张图像。

【1】扩散模型的基本原理

在Stable Diffusion这个扩散模型中，无论是前向扩散过程还是反向生成过程都是一个参数化的马尔可夫链（Markov chain），如下图所示：

扩散模型的前向扩散过程和反向生成过程

看到这里，大家是不是感觉概念有点复杂了，don‘t worry，Rocky在本文不会讲太多复杂难懂的公式，大家只要知道Stable Diffusion模型的整个流程遵循参数化的马尔可夫链，前向扩散过程是对图像增加噪声，反向生成过程是去噪过程即可，对于面试，工业界应用，竞赛界厮杀来说，已经足够了。

如果有想要深入理解扩散模型数学原理的读者，Rocky这里推荐阅读原论文：Denoising Diffusion Probabilistic Models

Rocky再从AI绘画应用角度解释一下扩散模型的基本原理，让大家能够对扩散模型有更多通俗易懂的认识：

“如果从艺术和美学的角度来理解扩散模型，我们可以将其视为一种创作过程。想象这种情况，艺术家在画布的一角开始创作，颜色和形状逐渐扩散到整个画布。每一次画笔的触碰都可能对画布的其他部分产生影响，形成新的颜色和形状的组合。这就像是信息或行为在网络中的传播，每一个节点的改变都可能影响到其他节点。

此外，扩散过程也可以看作是一种艺术表达。例如，抽象派艺术家可能会利用颜色和形状的扩散来表达他们的想法和感情。这种扩散过程可以看作是一种元素间的动态交互，就像在社会网络中，人们通过交流和互动来传播信息和影响他人的行为。

美学角度则可以从扩散模型展现的和谐、平衡、动态等特性来解读。扩散过程中的动态平衡，反映了美学中的对称和平衡的原则。同时，扩散过程的不确定性和随机性，也反映了现代美学中对创新和突破的追求。

总的来说，从艺术和美学的角度来看，扩散模型可以被理解为一种创作和表达过程，其中的元素通过互动和影响，形成一种动态的、有机的整体结构。”

【2】前向扩散过程详解

接下来，我们再详细分析一下前向扩散过程，其是一个不断加噪声的过程。我们举个例子，如下图所示，我们在猫的图片中多次增加高斯噪声直至图片变成随机噪音矩阵。可以看到，对于初始数据，我们设置K步的扩散步数，每一步增加一定的噪声，如果我们设置的K足够大，那么我们就能够将初始数据转化成随机噪音矩阵。

扩散模型的前向扩散过程

一般来说，扩散过程是固定的，由上节中提到的Schedule算法进行统筹控制。同时扩散过程也有一个重要的性质：我们可以基于初始数据 �0 和任意的扩散步数 �� ，采样得到对应的数据 �� 。

【3】反向生成过程详解

反向生成过程和前向扩散过程正好相反，是一个不断去噪的过程。下面是一个直观的例子，将随机高斯噪声矩阵通过扩散模型的Inference过程，预测噪声并逐步去噪，最后生成一个小别墅的有效图片。

扩散模型的反向生成过程

其中每一步预测并去除的噪声分布，都需要扩散模型在训练中学习。

讲好了扩散模型的前向扩散过程和反向生成过程，他们的目的都是服务于扩散模型的训练，训练目标也非常简单：扩散模型每次预测出的噪声和每次实际加入的噪声做回归，让扩散模型能够准确的预测出每次实际加入的真实噪声。

关于SD模型具体的训练过程，大家可以阅读本文2.3节中了解。

【4】Latent让SD模型彻底“破圈”

如果说前面讲到的扩散模型相关基础知识是为SD模型打下地基的话，引入Latent思想则让SD模型“一遇风雨便化龙”，成为了AIGC时代的图像生成式模型的佼佼者。

那么Latent又是什么呢？为了Latent有如此魔力呢？

首先，我们已经知道了扩散模型会设置一个迭代次数，并不会像GAN网络那样一次输入一次输出，虽然这样输出效果会更好更稳定，但是会导致生成过程非常耗时。

再者，不管是训练还是前向推理，常规的扩散模型在实际像素空间进行前向扩散过程和反向生成过程，而基于Latent的扩散模型可以将这些过程压缩在低维的Latent隐空间，这样一来大大降低了显存占用和计算复杂性，这是常规扩散模型和基于Latent的扩散模型之间的主要区别，也是SD模型火爆出圈的关键一招。

我们举个形象的例子理解一下，如果SD模型将输入数据压缩的倍数设为8，那么原本尺寸为[3,512,512]的数据就会进入[3,64,64]的Latent隐空间中，显存和计算量直接缩小64倍，整体效率大大提升。也正是因为这样，SD模型能够在2080Ti级别的显卡上进行AI绘画，大大推动了SD模型的普惠与生态的繁荣。

到这里，大家应该对SD模型的核心基础原理有一个清晰的认识了，Rocky这里再帮大家总结一下：

1. SD模型是生成式模型，输入可以是图片，文本以及两者的结合，输出是生成的图片。
2. SD模型属于扩散模型，扩散模型的整体逻辑的特点是过程分步化与可迭代，这给整个生成过程引入更多约束与优化提供了可能。
3. SD模型是基于Latent的扩散模型，将输入数据压缩到Latent隐空间中，比起常规扩散模型，大幅提高计算效率的同时，降低了显存占用，成为了SD模型破圈的关键一招。
4. 站在CTO视角，将维度拉到最高维，Rocky认为SD模型是一个优化噪声的AI艺术工具。

2.3 零基础读懂Stable Diffusion训练全过程

Stable Diffusion的整个训练过程在最高维度上可以看成是如何加噪声和如何去噪声的过程，并在针对噪声的“对抗与攻防”中学习到生成图片的能力。

Stable Diffusion整体的训练逻辑也非常清晰：

1. 从数据集中随机选择一个训练样本
2. 从K个噪声量级随机抽样一个timestep
3. 产生随机噪声
4. 计算当前所产生的噪声数据
5. 将噪声输入U-Net预测噪声
6. 计算产生的噪声和预测的噪声的L2损失
7. 计算梯度并更新SD模型参数

下面Rocky再对SD模型训练过程中的一些关键环节进行详细的讲解。

【1】SD训练集加入噪声

SD模型训练时，我们需要输入加噪的数据集，每一次迭代我们用random函数生成从强到弱各个强度的噪声，通常来说会生成0-1000一共1001种不同的噪声强度，通过Time Embedding嵌入到SD的训练过程中。

下图是一个简单的加噪声流程，可以帮助大家更好地理解SD训练时数据是如何加噪声的。首先从数据集中选择一张干净样本，然后再用random函数生成0-3一共4种强度的噪声，然后每次迭代中随机一种强度的噪声，增加到干净图片上，完成图片的加噪流程。

SD训练集的加噪声流程

【2】SD训练中加噪与去噪

具体地，在训练过程中，我们首先对干净样本进行加噪处理，采用多次逐步增加噪声的方式，直至干净样本转变成为纯噪声。

SD训练时的加噪过程

接着，让SD模型学习去噪过程，最后抽象出一个高维函数，这个函数能在纯噪声中“优化”噪声，得到一个干净样本。

其中，将去噪过程具像化，就得到使用U-Net预测噪声，并结合Schedule算法逐步去噪的过程。

SD训练时的去噪过程

我们可以看到，加噪和去噪过程都是逐步进行的，我们假设进行�步，那么每一步，SD都要去预测噪声，从而形成“小步快跑的稳定去噪”，类似于移动互联网时代的产品逻辑，这是足够伟大的关键一招。

与此同时，在加噪过程中，每次增加的噪声量级可以不同，假设有5种噪声量级，那么每次都可以取一种量级的噪声，增加噪声的多样性。

多量级噪声

那么怎么让网络知道目前处于�的哪一步呢？SD模型其实需要K个噪声预测模型，我们可以增加一个Time Embedding（类似Positional embeddings）进行处理，通过将timestep编码进网络中，从而只需要训练一个共享的U-Net模型，就让网络知道现在处于哪一步。

我们了解了训练中的加噪和去噪过程，SD训练的具体过程就是对每个加噪和去噪过程进行计算，从而优化SD模型参数，如下图所示分为四个步骤：从训练集中选取一张加噪过的图片和噪声强度（timestep），然后将其输入到U-Net中，让U-Net预测噪声（下图中的Unet Prediction），接着再计算预测噪声与真实噪声的误差（loss），最后通过反向传播更新U-Net的参数。

完成U-Net的训练，我们就可以用U-Net对噪声图片进行去噪，逐步重建出有效图像的Latent Feature了！

在噪声图上逐步减去被U-Net预测出来的噪声，从而得到一个我们想要的高质量的图像隐特征，去噪流程如下图所示：

【3】语义信息对图片生成的控制

SD模型在生成图片时，需要输入prompt，那么这些语义信息是如何影响图片的生成呢？

答案非常简单：注意力机制。

在SD模型的训练中，每个训练样本都会对应一个标签，我们将对应标签通过CLIP Text Encoder输出Text Embeddings，并将Text Embeddings以Cross Attention的形式与U-Net结构耦合，使得每次输入的图片信息与文字信息进行融合训练，如下图所示：

Noise与Text Embeddings通过CrossAttention与U-Net结构耦合

上图中的token是NLP领域的一个基础概念，可以理解为最小语意单元。与之对应的分词操作为tokenization。Rocky举一个简单的例子来帮助大家理解：“WeThinkIn是伟大的自媒体”是一个句子，我们需要将其切分成一个token序列，这个操作就是tokenization。经过tokenization操作后，我们获得["WeThinkIn", "是", "伟大的", "自媒体"]这个句子的token序列，从而完成对文本信息的预处理。

【4】SD模型训练时的输入

有了上面的介绍，我们在这里可以小结一下SD模型训练时的输入，一共有三个部分组成：图片，文本，噪声强度。其中图片和文本是固定的，而噪声强度在每一次训练参数更新时都会随机选择一个进行叠加。

SD模型训练时需要的数据配置

2.4 其他主流生成式模型介绍

在AIGC时代中，虽然SD模型已经成为核心的生成式模型之一，但是曾在传统深度学习时代火爆的GAN，VAE，Flow-based model等模型也跨过周期在SD模型身边作为辅助，发挥了巨大的作用。

下面是主流生成式模型各自的生成逻辑：

生成式模型的主流架构

GAN网络在AIGC时代依然发挥了巨大的作用，配合SD模型完成了很多算法工作流，比如：图像超分，脸部修复，风格迁移，图像编辑，图像fix，图像定权等。

所以Rocky在这里简单讲解一下GAN的基本原理，让大家做个了解。GAN由生成器�和判别器�组成。其中，生成器主要负责生成相应的样本数据，输入一般是由高斯分布随机采样得到的噪声�。而判别器的主要职责是区分生成器生成的样本与（）��（����������ℎ）样本，输入一般是��样本与相应的生成样本，我们想要的是对��样本输出的置信度越接近1越好，而对生成样本输出的置信度越接近0越好。与一般神经网络不同的是，GAN在训练时要同时训练生成器与判别器，所以其训练难度是比较大的。

我们可以将GAN中的生成器比喻为印假钞票的犯罪分子，判别器则被当作警察。犯罪分子努力让印出的假钞看起来逼真，警察则不断提升对于假钞的辨识能力。二者互相博弈，随着时间的进行，都会越来越强。在图像生成任务中也是如此，生成器不断生成尽可能逼真的假图像。判别器则判断图像是��图像，还是生成的图像。二者不断博弈优化，最终生成器生成的图像使得判别器完全无法判别真假。

关于Flow-based models，其在AIGC时代的作用还未显现，可以持续关注。

最后，VAE将在本文后面的章节详细讲解，因为正是VAE将输入数据压缩至Latent隐空间中，故其成为了SD模型的核心结构之一。

3. Stable Diffusion核心网络结构解析（全网最详细）

3.1 SD模型整体架构初识

Stable Diffusion模型整体上是一个End-to-End模型，主要由VAE（变分自编码器，Variational Auto-Encoder），U-Net以及CLIP Text Encoder三个核心组件构成。

在FP16精度下Stable Diffusion模型大小2G（FP32：4G），其中U-Net大小1.6G，VAE模型大小160M以及CLIP Text Encoder模型大小235M。其中U-Net结构包含约860M参数，以FP32精度下大小为3.4G左右。

Stable Diffusion整体架构图

3.2 VAE模型

在Stable Diffusion中，VAE（变分自编码器，Variational Auto-Encoder）的Encoder（编码器）结构能将输入图像转换为低维Latent特征，并作为U-Net的输入。VAE的Decoder（解码器）结构能将低维Latent特征重建还原成像素级图像。

VAE在Stable Diffusion中的主要功能

为什么VAE可以将图像压缩到一个非常小的Latent space（潜空间）后能再次对图像还原呢？

因为虽然整个过程可以看作是一个有损压缩，但自然图像并不是随机的，它们具有很高的规律性：比如说一张脸上的眼睛、鼻子、脸颊和嘴巴之间遵循特定的空间关系，又比如说一只猫有四条腿，并且是一个特定的生物结构。所以如果我们生成的图像尺寸在512×512之上时，其实特征损失带来的影响非常小。

同时如果我们在SD模型中切换不同的VAE结构，能够发现生成图片的细节与整体颜色也会随之改变。

下图是Rocky梳理的Stable Diffusion VAE的完整结构图，大家可以感受一下其魅力，看着这个完整结构图学习Stable Diffusion VAE部分，相信大家脑海中的思路也会更加清晰：

Stable Diffusion VAE完整结构图

3.3 U-Net模型

在Stable Diffusion中，U-Net模型是一个关键核心，作为扩散模型其主要是预测噪声残差，并结合Sampling method（调度算法：PNDM，DDIM，K-LMS等）对输入的特征矩阵进行重构，逐步将其从随机高斯噪声转化成图片的Latent Feature。

具体来说，在前向推理过程中，SD模型通过反复调用 U-Net，将预测出的噪声残差从原噪声矩阵中去除，得到逐步去噪后的图像Latent Feature，再通过VAE的Decoder结构将Latent Feature重建成像素级图像，如下图所示：

00:07

Rocky再从AI绘画应用视角解释一下SD中U-Net的原理与作用。其实大家在使用Stable Diffusion WebUI时，点击Generate按钮后，页面右下角图片生成框中展示的从噪声到图片的生成过程，其中就是U-Net在不断的为大家去除噪声的过程。到这里大家应该都能比较清楚的理解U-Net的作用了。

好了，我们再回到AIGC算法工程师视角。

Stable Diffusion中的U-Net，在传统深度学习时代的Encoder-Decoder结构的基础上，增加了ResNetBlock（包含Time Embedding）模块，Spatial Transformer（SelfAttention + CrossAttention + FeedForward）模块以及CrossAttnDownBlock，CrossAttnUpBlock和CrossAttnMidBlock模块。

那么各个模块都有什么作用呢？不着急，咱们先看看SD U-Net的整体架构（AIGC算法工程师面试核心考点）。

下图是Rocky梳理的Stable Diffusion U-Net的完整结构图，大家可以感受一下其魅力，看着这个完整结构图学习Stable Diffusion U-Net部分，相信大家脑海中的思路也会更加清晰：

Stable Diffusion U-Net完整结构图

上图中包含Stable Diffusion U-Net的十四个基本模块：

1. GSC模块：Stable Diffusion U-Net中的最小组件之一，由GroupNorm+SiLU+Conv三者组成。
2. DownSample模块：Stable Diffusion U-Net中的下采样组件，使用了Conv（kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1)）进行采下采样。
3. UpSample模块：Stable Diffusion U-Net中的上采样组件，由插值算法（nearest）+Conv组成。
4. ResNetBlock模块：借鉴ResNet模型的“残差结构”，让网络能够构建的更深的同时，将Time Embedding信息嵌入模型。
5. CrossAttention模块：将文本的语义信息与图像的语义信息进行Attention机制，增强输入文本Prompt对生成图片的控制。
6. SelfAttention模块：SelfAttention模块的整体结构与CrossAttention模块相同，这是输入全部都是图像信息，不再输入文本信息。
7. FeedForward模块：Attention机制中的经典模块，由GeGlU+Dropout+Linear组成。
8. BasicTransformer Block模块：由LayerNorm+SelfAttention+CrossAttention+FeedForward组成，是多重Attention机制的级联，并且也借鉴ResNet模型的“残差结构”。通过加深网络和多Attention机制，大幅增强模型的学习能力与图文的匹配能力。
9. Spatial Transformer模块：由GroupNorm+Conv+BasicTransformer Block+Conv构成，ResNet模型的“残差结构”依旧没有缺席。
10. DownBlock模块：由两个ResNetBlock模块组成。
11. UpBlock_X模块：由X个ResNetBlock模块和一个UpSample模块组成。
12. CrossAttnDownBlock_X模块：是Stable Diffusion U-Net中Encoder部分的主要模块，由X个（ResNetBlock模块+Spatial Transformer模块）+DownSample模块组成。
13. CrossAttnUpBlock_X模块：是Stable Diffusion U-Net中Decoder部分的主要模块，由X个（ResNetBlock模块+Spatial Transformer模块）+UpSample模块组成。
14. CrossAttnMidBlock模块：是Stable Diffusion U-Net中Encoder和ecoder连接的部分，由ResNetBlock+Spatial Transformer+ResNetBlock组成。

接下来，Rocky将为大家全面分析SD模型中U-Net结构的核心知识，码字实在不易，希望大家能多多点赞，谢谢！

（1）ResNetBlock模块

在传统深度学习时代，ResNet的残差结构在图像分类，图像分割，目标检测等主流方向中几乎是不可或缺，其简洁稳定有效的“残差思想”终于在AIGC时代跨过周期，在SD模型的U-Net结构中继续繁荣。

值得注意的是，Time Embedding正是输入到ResNetBlock模块中，为U-Net引入了时间信息（时间步长T，T的大小代表了噪声扰动的强度），模拟一个随时间变化不断增加不同强度噪声扰动的过程，让SD模型能够更好地理解时间相关性。

同时，在SD模型调用U-Net重复迭代去噪的过程中，我们希望在迭代的早期，能够先生成整幅图片的轮廓与边缘特征，随着迭代的深入，再补充生成图片的高频和细节特征信息。由于在每个ResNetBlock模块中都有Time Embedding，就能告诉U-Net现在是整个迭代过程的哪一步，并及时控制U-Net够根据不同的输入特征和迭代阶段而预测不同的噪声残差。

Rocky再从AI绘画应用视角解释一下Time Embedding的作用。Time Embedding能够让SD模型在生成图片时考虑时间的影响，使得生成的图片更具有故事性、情感和沉浸感等艺术效果。并且Time Embedding可以帮助SD模型在不同的时间点将生成的图片添加完善不同情感和主题的内容，从而增加了AI绘画的多样性和表现力。

定义Time Embedding的代码如下所示，可以看到Time Embedding的生成方式，主要通过sin和cos函数再经过Linear层进行变换。：

def time_step_embedding(self, time_steps: torch.Tensor, max_period: int = 10000):
    half = self.channels // 2
    frequencies = torch.exp(
            -math.log(max_period) * torch.arange(start=0, end=half, dtype=torch.float32) / half
        ).to(device=time_steps.device)
    args = time_steps[:, None].float() * frequencies[None]
    return torch.cat([torch.cos(args), torch.sin(args)], dim=-1)

讲完Time Embedding的相关核心知识，我们再学习一下ResNetBlock模块的整体知识。

在上面的Stable Diffusion U-Net完整结构图中展示了完整的ResNetBlock模块，其输入包括Latent Feature和 Time Embedding。首先Latent Feature经过GSC（GroupNorm+SiLU激活函数+卷积）模块后和Time Embedding（经过SiLU激活函数+全连接层处理）做加和操作，之后再经过GSC模块和Skip Connection而来的输入Latent Feature做加和操作，进行两次特征融合后最终得到ResNetBlock模块的Latent Feature输出，增强SD模型的特征学习能力。

同时，和传统深度学习时代的U-Net结构一样，Decoder结构中的ResNetBlock模块不单单要接受来自上一层的Latent Feature，还要与Encoder结构中对应层的ResNetBlock模块的输出Latent Feature进行concat操作。举个例子，如果Decoder结构中ResNetBlock Structure上一层的输出结果的尺寸为 [512, 512, 1024]，Encoder结构对应 ResNetBlock Structure的输出结果的尺寸为 [512, 512, 2048]，那么这个Decoder结构中ResNeBlock Structure得到的Latent Feature的尺寸为 [512, 512, 3072]。

（2）CrossAttention模块

CrossAttention模块是我们使用输入文本Prompt控制SD模型图片内容生成的关键一招。

上面的Stable Diffusion U-Net完整结构图中展示了Spatial Transformer(Cross Attention)模块的结构。Spatial Transformer模块和ResNetBlock模块一样接受两个输入：一个是ResNetBlock模块的输出，另外一个是输入文本Prompt经过CLIP Text Encoder模型编码后的Context Embedding。

两个输入首先经过Attention机制（将Context Embedding对应的语义信息与图片中对应的语义信息相耦合），输出新的Latent Feature，再将新输出的Latent Feature与输入的Context Embedding再做一次Attention机制，从而使得SD模型学习到了文本与图片之间的特征对应关系。

Spatial Transformer模块不改变输入输出的尺寸，只在图片对应的位置上融合了语义信息，所以不管是在传统深度学习时代，还是AIGC时代，Spatial Transformer都是将本文与图像结合的一个“万金油”模块。

看CrossAttention模块的结构图，大家可能会疑惑为什么Context Embedding用来生成K和V，Latent Feature用来生成Q呢？

原因也非常简单：因为在Stable Diffusion中，主要的目的是想把文本信息注入到图像信息中里，所以用图片token对文本信息做 Attention实现逐步的文本特征提取和耦合。

Rocky再从AI绘画应用视角解释一下CrossAttention模块的作用。CrossAttention模块在AI绘画应用中可以被视为一种连接和表达的工具，它有助于在输入文本和生成图片之间建立联系，创造更具深度和多样性的艺术作品，引发观众的思考和情感共鸣。CrossAttention模块可以将图像和文本信息关联起来，就像艺术家可以将不同的元素融合到一幅作品中，这有助于在创作中实现不同信息之间的协同和互动，产生更具创意性的艺术作品。再者CrossAttention模块可以用于将文本中的情感元素传递到生成图片中，这种情感的交互可以增强艺术作品的表现力和观众的情感共鸣。

（3）BasicTransformer Block模块

BasicTransformer Block模块是在CrossAttention子模块的基础上，增加了SelfAttention子模块和Feedforward子模块共同组成的，并且每个子模块都是一个残差结构，这样除了能让文本的语义信息与图像的语义信息更好的融合之外，还能通过SelfAttention机制让模型更好的学习图像数据的特征。

写到这里，可能还有读者会问，Stable Diffusion U-Net中的SelfAttention到底起了什么作用呀?

首先，在Stable Diffusion U-Net的SelfAttention模块中，输入只有图像信息，所以SelfAttention主要是为了让SD模型更好的学习图像数据的整体特征。

再者，SelfAttention可以将输入图像的不同部分（像素或图像Patch）进行交互，从而实现特征的整合和全局上下文的引入，能够让模型建立捕捉图像全局关系的能力，有助于模型理解不同位置的像素之间的依赖关系，以更好地理解图像的语义。

在此基础上，SelfAttention还能减少平移不变性问题，传统的卷积操作在处理图像时对平移非常敏感，但SelfAttention模块可以在不考虑位置的情况下捕捉特征之间的关系，因此具有一定的平移不变性。

Rocky再从AI绘画应用视角解释一下SelfAttention的作用。SelfAttention模块可以让SD模型在图片生成过程中捕捉内在关系、创造性表达情感和思想、突出重要元素，并创造出丰富多彩、具有深度和层次感的艺术作品。

（4）Spatial Transformer模块

更进一步的，在BasicTransformer Block模块基础上，加入GroupNorm和两个卷积层就组成Spatial Transformer模块。Spatial Transformer模块是SD U-Net中的核心Base结构，Encoder中的CrossAttnDownBlock模块，Decoder中的CrossAttnUpBlock模块以及CrossAttnMidBlock模块都包含了大量的Spatial Transformer子模块。

在生成式模型中，GroupNorm的效果一般会比BatchNorm更好，生成式模型通常比较复杂，因此需要更稳定和适应性强的归一化方法。

而GroupNorm主要有以下一些优势，让其能够成为生成式模型的标配：

1. 对训练中不同Batch-Size的适应性：在生成式模型中，通常需要使用不同的Batch-Size进行训练和微调。这会导致 BatchNorm在训练期间的不稳定性，而GroupNorm不受Batch-Size的影响，因此更适合生成式模型。

2. 能适应通道数变化：GroupNorm 是一种基于通道分组的归一化方法，更适应通道数的变化，而不需要大量调整。

3. 更稳定的训练：生成式模型的训练通常更具挑战性，存在训练不稳定性的问题。GroupNorm可以减轻训练过程中的梯度问题，有助于更稳定的收敛。

4. 能适应不同数据分布：生成式模型通常需要处理多模态数据分布，GroupNorm 能够更好地适应不同的数据分布，因为它不像 Batch Normalization那样依赖于整个批量的统计信息。

（5）CrossAttnDownBlock/CrossAttnUpBlock/CrossAttnMidBlock模块

在Stable Diffusion U-Net的Encoder部分中，使用了三个CrossAttnDownBlock模块，其由ResNetBlock Structure+BasicTransformer Block+Downsample构成。Downsample通过使用一个卷积（kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1)）来实现。

在Decoder部分中，使用了三个CrossAttnUpBlock模块，其由ResNetBlock Structure+BasicTransformer Block+Upsample构成。Upsample使用插值算法+卷积来实现，插值算法将输入的Latent Feature尺寸扩大一倍，同时通过一个卷积（kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)）改变Latent Feature的通道数，以便于输入后续的模块中。

在CrossAttnMidBlock模块中，包含ResNetBlock Structure+BasicTransformer Block+ResNetBlock Structure，作为U-Net的Encoder与Decoder之间的媒介。

（6）Stable Diffusion U-Net整体宏观角度小结

从整体上看，不管是在训练过程还是前向推理过程，Stable Diffusion中的U-Net在每次循环迭代中Content Embedding部分始终保持不变，而Time Embedding每次都会发生变化。

和传统深度学习时代的U-Net一样，Stable Diffusion中的U-Net也是不限制输入图片的尺寸，因为这是个基于Transformer和卷积的模型结构。

到这里，Stable Diffusion U-Net的完整核心基础知识就介绍好了，欢迎大家在评论区发表自己的观点，也希望大家能多多点赞，Rocky会持续完善本文的全部内容，大家敬请期待！

3.4 CLIP Text Encoder模型

Stable Diffusion中的语言模型直接决定了语义信息的优良程度，从而影响到最后图片生成的多样性和可控性。

CLIP模型的思想非常简洁，他直接使用40亿个图片与标签文本对数据集进行训练，来学习图片与本文内容的对应关系。

CLIP模型训练使用的图片-文本对

CLIP模型包含Text Encoder和Image Encoder两个模型。在训练时，从训练集中随机取出一张图片和标签文本。CLIP模型的任务主要是通过Text Encoder和Image Encoder分别将标签文本和图片提取embedding向量，然后用余弦相似度来比较两个embedding向量的相似性，以判断随机抽取的标签文本和图片是否匹配，并进行梯度反向传播，不断进行优化训练。

CLIP模型训练示意图

完成CLIP的训练后，输入配对的图片和标签文本，则Text Encoder和Image Encoder可以输出相似的embedding向量，计算余弦相似度就可以得到接近1的结果。同时对于不匹配的图片和标签文本，输出的embedding向量计算余弦相似度则会接近0。

就这样，CLIP成为了计算机视觉和自然语言处理这两大AI方向的“桥梁”，AI领域的多模态应用有了经典的基石模型。

上面我们讲到CLIP模型主要包含Text Encoder和Image Encoder两个模型，在Stable Diffusion中主要使用了Text Encoder模型。CLIP Text Encoder模型将输入的文本Prompt进行编码，转换成Text Embeddings（文本的语义信息），通过前面一章节提到的U-Net网络中的CrossAttention模块嵌入Stable Diffusion中作为Condition，对生成图像的内容进行一定程度上的控制与引导，目前SD模型使用的的是CLIP ViT-L/14 中的Text Encoder模型。

CLIP ViT-L/14 中的Text Encoder是只包含Transformer结构的模型，一共由12个CLIPEncoderLayer模块组成，具体CLIP Text Encoder模型结构如下图所示。其中特征维度为768，token数量是77，所以输出的Text Embeddings的维度为77x768。

CLIPEncoderLayer(
    (self_attn): CLIPAttention(
        (k_proj): Linear(in_features=768, out_features=768, bias=True)
        (v_proj): Linear(in_features=768, out_features=768, bias=True)
        (q_proj): Linear(in_features=768, out_features=768, bias=True)
        (out_proj): Linear(in_features=768, out_features=768, bias=True)
      )
    (layer_norm1): LayerNorm((768,), eps=1e-05, elementwise_affine=True)
    (mlp): CLIPMLP(
        (activation_fn): QuickGELUActivation()
        (fc1): Linear(in_features=768, out_features=3072, bias=True)
            (fc2): Linear(in_features=3072, out_features=768, bias=True)
          )
          (layer_norm2): LayerNorm((768,), eps=1e-05, elementwise_affine=True)
        )

一般来说，我们提取CLIP Text Encoder模型最后一层特征作为CrossAttention模块的输入，但是开源社区的不断实践为我们总结了如下经验：当我们生成二次元内容时，可以选择提取CLIP Text Encoder模型倒数第二层特征；当我们生成三次元（真实场景）内容时，可以选择提取CLIP Text Encoder模型最后一层的特征。这让Rocky想起了SRGAN以及感知损失，其也是提取了VGG网络的中间层特征才达到了最好的效果，AI领域的“传承”与共性，往往在这些不经意间，让人感到人工智能的魅力与美妙。

由于CLIP训练时所采用的最大Token数是77，所以在SD模型进行前向推理时，当输入Prompt的Token数量超过77时，将通过Clip操作拉回77，而如果Token数不足77则会使用padding操作得到77x768。如果说全卷积网络的设计让图像输入尺寸不再受限，那么CLIP的这个设置就让输入的文本长度不再受限。无论是非常长的文本，还是空文本，最后都将得到一样的特征矩阵。

4. 从0到1搭建使用Stable Diffusion模型进行AI绘画（全网最详细讲解）

首先，我们可以看到Stable Diffusion模型的文生图流程如下所示：

SD模型文生图流程

接着我们如果想要运行Stable Diffusion（SD），我们可以直接使用diffusers的完整pipeline流程。

#首先，安装相关依赖
pip install diffusers transformers scipy ftfy accelerate
 
#读取diffuers库
from diffusers import StableDiffusionPipeline
 
#初始化SD模型，加载预训练权重
pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained("runwayml/stable-diffusion-v1-5")
 
#使用GPU加速
pipe.to("cuda")
 
#如GPU的内存少于10GB，可以加载float16精度的SD模型
pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained("runwayml/stable-diffusion-v1-5", revision="fp16", torch_dtype=torch.float16)
 
#接下来，我们就可以运行pipeline了
prompt = "a photograph of an astronaut riding a horse"
 
image = pipe(prompt).images[0]
 
# 由于没有固定seed，每次运行代码，我们都会得到一个不同的图片。
 

我们打开下载的预训练文件夹，可以看到预训练模型主要由以下几个部分组成：

text_encoder和tokenizer，scheduler，unet，vae。

其中text_encoder，scheduler，unet，vae分别代表了上面讲到过的SD模型的核心结构。

同时我们还可以看到Tokenizer文件夹，表示标记器。Tokenizer首先将Prompt中的每个词转换为一个称为标记（token）的数字，符号化（Tokenization）是计算机理解单词的方式。然后，通过text_encoder将每个标记都转换为一个768值的向量，称为嵌入（embedding），用于U-Net的condition。

Tokenizer的作用

有时候我们运行完pipeline之后，会出现纯黑色图片，这表示我们本次生成的图片触发了NSFW机制，出现了一些违规的图片，我们可以修改seed重新进行生成。

我们可以自己设置seed，来达到对图片生成的控制。

import torch
 
#manual_seed(1024)：每次使用具有相同种子的生成器时，都会获得相同的图像输出。
generator = torch.Generator("cuda").manual_seed(1024)
 
image = pipe(prompt, guidance_scale=7.5, generator=generator).images[0]
 

将pipeline的完整结构梳理好之后，我们再对一些核心参数进行讲解：

1. num_inference_steps。num_inference_steps表示我们对图片进行噪声优化的次数。一般来说，我们可以选择num_inference_steps = 20/25/50，数值越大，图片生成效果越好，但同时生成所需的时间就越长。
2. guidance_scale，代表无分类指引（Classifier-free guidance，guidance_scale，CFG）是一个控制文本提示对扩散过程的影响程度的值。简单来说就是在加噪阶段将条件控制下预测的噪音和无条件下的预测噪音组合在一起来确定最终的噪声。通常guidance_scale可以选7-8.5之间，如果使用非常大的值，图像可能看起来不错，但多样性会降低。

其中�代表CFG，当�越大时，condition起的作用越大，即生成的图像更和输入文本一致，当�被设置为0时，图像生成是无条件的，文本提示会被忽略。

1. 输出尺寸

SD在默认情况下会输出512×512尺寸的图片。我们也可以自定义设置图片尺寸，Rocky建议如下：

1. 建议height和width都是8的倍数。
2. 低于512可能会导致图像质量较低。
3. 创建非正方形图像的推荐方法是在一维中使用512，另一个使用更大的值。

prompt = "a photograph of an astronaut riding a horse"
 
# Number of denoising steps
steps = 25         
 
# Scale for classifier-free guidance
CFG = 7.5
 
image = pipe(prompt, guidance_scale=CFG, height=512, width=768, num_inference_steps=steps).images[0]

除了将预训练模型整体加载，我们还可以将SD模型的不同组件单独加载：

from transformers import CLIPTextModel, CLIPTokenizer
from diffusers import AutoencoderKL, UNet2DConditionModel, PNDMScheduler
from diffusers import LMSDiscreteScheduler
 
# 单独加载VAE模型 
vae = AutoencoderKL.from_pretrained("runwayml/stable-diffusion-v1-5", subfolder="vae")
 
# 单独家在CLIP模型和tokenizer
tokenizer = CLIPTokenizer.from_pretrained("openai/clip-vit-large-patch14")
text_encoder = CLIPTextModel.from_pretrained("openai/clip-vit-large-patch14")
 
# 单独加载U-Net模型
unet = UNet2DConditionModel.from_pretrained("runwayml/stable-diffusion-v1-5", subfolder="unet")
 
# 单独加载调度算法
scheduler = LMSDiscreteScheduler(beta_start=0.00085, beta_end=0.012, beta_schedule="scaled_linear", num_train_timesteps=1000)

5. Stable Diffusion经典应用场景

5.1 文本生成图像

输入：prompt

输入：图像

其中Load Checkpoint模块代表对SD模型的主要结构进行初始化（VAE，U-Net），CLIP Text Encode表示文本编码器，可以输入prompt和negative prompt，来控制图像的生成，Empty Latent Image表示初始化的高斯噪声，KSampler表示调度算法以及SD相关生成参数，VAE Decode表示使用VAE的解码器将低维度的隐空间特征转换成像素空间的生成图像。

5.2 图片生成图片

输入：图像 + prompt

输出：图像

其中Load Checkpoint模块代表对SD模型的主要结构进行初始化（VAE，U-Net），CLIP Text Encode表示文本编码器，可以输入prompt和negative prompt，来控制图像的生成，Load Image表示输入的图像，KSampler表示调度算法以及SD相关生成参数，VAE Encode表示使用VAE的编码器将输入图像转换成低维度的隐空间特征，VAE Decode表示使用VAE的解码器将低维度的隐空间特征转换成像素空间的生成图像。

与文字生成图片的过程相比，图片生成图片的预处理阶段，先把噪声添加到隐空间特征中。我们设置一个去噪强度（Denoising strength）控制加入多少噪音。如果它是0，就不添加噪音。如果它是1，则添加最大数量的噪声，使潜像成为一个完整的随机张量，如果将去噪强度设置为1，就完全相当于文本转图像，因为初始潜像完全是随机的噪声。

去噪强度（Denoising strength）控制噪音的加入量

5.3 图片inpainting

输入：图像 + mask + prompt

输出：图像

图像inpainting最初用在图像修复上，在SD中则主要用在图像编辑上。

那么什么是图像编辑呢？

图像编辑是指对图像进行修改、调整和优化的过程。它可以包括对图像的颜色、对比度、亮度、饱和度等进行调整，以及修复图像中的缺陷、删除不需要的元素、添加新的图像内容等操作。

在SD中，主要是通过给定一个想要编辑的区域mask，并在这个区域mask圈定的范围内进行文本生成图像的操作，从而编辑mask区域的图像内容。

SD中的图像inpainting流程如下所示：

SD中的图像inpainting流程

从上图可以看出，图像inpainting整体上和图生图流程一致，不过为了保证mask以外的图像区域不发生改变，在去噪过程的每一步，都将SD模型预测的noisy latent用真实图像同level的nosiy latent替换。

下面Rocky再用节点式结构图展示一下SD模型进行图像inpainting的全部流程：

SD模型进行图像inpainting的节点式结构图

其中Load Checkpoint模块代表对SD模型的主要结构进行初始化（VAE，U-Net）。CLIP Text Encode表示文本编码器，可以输入prompt和negative prompt，来控制图像的生成。Load Image表示输入的图像和mask。KSampler表示调度算法以及SD相关生成参数。VAE Encode表示使用VAE的Encoder将输入图像和mask转换成Latent特征，VAE Decode表示使用VAE的Decoder将Latent特征转换成像素级图像。

下面就是进行图像inpainting的直观过程：

由于图像inpainting和图片生成图片的操作一样，只是在SD模型原有的基础上扩展了它的能力，并没有去微调SD模型，所以如何调整各种参数成为了生成优质图片的关键。

当然的，也有专门用于图像inpainting的SD模型，比如说Stable Diffusion Inpainting模型，其是以SD 1.2为基底模型微调而来。Stable Diffusion Inpainting模型由于经过专门的inpainting训练，在生成细节上比起常规SD模型会更好，但是相应的常规文生图的能力会有一定的减弱。

5.4 使用controlnet辅助生成图片

输入：素描图 + prompt

输出：图像

其中Load Checkpoint模块代表对SD模型的主要结构进行初始化（VAE，U-Net），CLIP Text Encode表示文本编码器，可以输入prompt和negative prompt，来控制图像的生成，Load Image表示输入的ControlNet需要的预处理图，Empty Latent Image表示初始化的高斯噪声，Load ControlNet Model表示对ControlNet进行初始化，KSampler表示调度算法以及SD相关生成参数，VAE Decode表示使用VAE的解码器将低维度的隐空间特征转换成像素空间的生成图像。

使用ControlNet辅助生成图片

5.5 超分辨率重建

输入：prompt/（图像 + prompt）

输入：图像

其中Load Checkpoint模块代表对SD模型的主要结构进行初始化（VAE，U-Net），CLIP Text Encode表示文本编码器，可以输入prompt和negative prompt，来控制图像的生成，Empty Latent Image表示初始化的高斯噪声，Load Upscale Model表示对超分辨率重建模型进行初始化，KSampler表示调度算法以及SD相关生成参数，VAE Decode表示使用VAE的解码器将低维度的隐空间特征转换成像素空间的生成图像，Upscale Image表示将生成的图片进行超分。

6. 从0到1上手使用Stable Diffusion训练自己的AI绘画模型（全网最详细讲解）

我们能够看到目前AI绘画领域的持续繁荣，很大程度上是因为开源社区持续出现新的不同主题，不同画风，不同概念的Stable Diffusion模型与LoRA模型。有了这些模型，我们就能有更多的AI绘画工具，有更多的奇思妙想能够去尝试实现，而这也是AI绘画内容能够爆发式繁荣的关键。

那么如何快速训练Stable Diffusion和LoRA模型呢。不要担心，Rocky详细梳理总结了从0到1的保姆级教程，方便大家快速上手学习入门。

6.1 Stable Diffusion模型训练初识

Stable Diffusion系列模型的训练流程主要分成以下几个步骤：

1. 训练集制作：数据质量评估，标签梳理，数据清洗，数据标注，标签清洗，数据增强等。
2. 训练文件配置：预训练模型选择，训练环境配置，训练步数设置，其他超参数设置等。
3. 模型训练：运行SD模型/LoRA模型训练脚本，使用TensorBoard监控模型训练等。
4. 模型测试：将训练好的自训练SD模型/LoRA模型用于效果评估与消融实验。

讲完Stable Diffusion模型训练的方法论，Rocky再向大家推荐一些Stable Diffusion的训练资源：

• https://github.com/Linaqruf/kohya-trainer（本文中主要的训练工程）
• https://github.com/huggingface/diffusers/tree/main/examples（huggingface的diffusers开源训练框架）
• Rocky整理优化过的SD完整训练资源SD-Train项目，大家只用在SD-Train中就可以完成SD的模型训练工作，方便大家上手实操。SD-Train项目资源包可以通过关注公众号WeThinkIn，后台回复“SD-Train”获取。

目前我们对Stable Diffusion的训练流程与所需资源有了初步的了解，接下来，就让我们跟随着Rocky的脚步，从0到1使用Stable Diffusion模型和训练资源一起训练自己的Stable Diffusion绘画模型与LoRA绘画模型吧！

6.2 配置训练环境与训练文件

首先，我们需要下载训练资源，只需在命令行输入下面的代码即可：

git clone https://github.com/Linaqruf/kohya-trainer.git

kohya-trainer项目包含了Stable Diffusion的核心训练脚本，并通过kohya-trainer-XL.ipynb和kohya-LoRA-trainer-XL.ipynb文件来生成数据集制作脚本和训练参数配置脚本。

我们打开kohya-trainer项目可以看到，里面包含了两个SD的训练脚本和对应的.ipynb文件：

kohya-trainer项目

正常情况下，我们需要运行kohya-trainer项目中两个SD的.ipynb文件的内容，生成训练数据处理脚本（数据标注，数据预处理，数据Latent特征提取，数据分桶（make buckets）等）和训练参数配置文件。

我们使用数据处理脚本完成训练集的制作，然后再运行kohya-trainer项目的训练脚本，同时读取训练参数配置文件，为SD模型的训练过程配置超参数。

完成上面一整套流程，SD模型的训练流程就算跑通了。但是由于kohya-trainer项目中的两个.ipynb文件内容较为复杂，整个流程比较繁锁，对新手非常不友好，并且想要完成一整套训练流程，我们还需要对两个.ipynb文件进行改写，非常不方便。

所以Rocky这边帮大家对两个项目进行了整合归纳，总结了简单易上手的SD模型以及相应LoRA模型的训练流程，制作成SD完整训练资源SD-Train项目，大家只用在SD-Train中就可以完成SD的模型训练工作，方便大家上手实操。

SD-Train项目资源包可以通过关注公众号WeThinkIn，后台回复“SD-Train”获取。

下面是SD-Train项目中的主要内容，大家可以看到SD的数据处理脚本与kohya-trainer-XL.ipynb和kohya-LoRA-trainer-XL.ipynb两个文件中提取出来的训练参数文件都已包含在内，大家可以方便的进行使用：

SD-Train：Stable Diffusion完整训练资源

我们下载了SD-Train项目后，首先进入SD-Train项目中，安装SD训练所需的依赖库，我们只需在命令行输入以下命令即可：

cd SD-Train
 
pip install -r requirements.txt -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple some-package
 
# accelerate库的版本需要重新检查一遍，需要安装accelerate==0.16.0版本才能兼容SD的训练
pip install accelerate==0.16.0 -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple some-package

安装好所有SD训练所需的依赖库后，我们还需要设置一下SD的训练环境参数，我们主要是用accelerate库的能力，accelerate库能让PyTorch的训练和推理变得更加高效简洁。我们只需在命令行输入以下命令，并对每个设置逐一进行填写即可：

# 输入以下命令，开始对每个设置进行填写
accelerate config
 
# 开始进行训练环境参数的配置
In which compute environment are you running? # 选择This machine，即本机
This machine
 
# 选择单卡或是多卡训练，如果是多卡，则选择multi-GPU，若是单卡，则选择No distributed training                                                                                                               
Which type of machine are you using?                                                                                        
multi-GPU
 
# 几台机器用于训练，一般选择1台。注意这里是指几台机器，不是几张GPU卡                                                                                                                  
How many different machines will you use (use more than 1 for multi-node training)? [1]: 1       
 
# torch dynamo，DeepSpeed，FullyShardedDataParallel，Megatron-LM等环境参数，不需要配置                          
Do you wish to optimize your script with torch dynamo?[yes/NO]: # 输入回车即可                                                           
Do you want to use DeepSpeed? [yes/NO]:  # 输入回车即可                                                                                  
Do you want to use FullyShardedDataParallel? [yes/NO]:    # 输入回车即可                                                                 
Do you want to use Megatron-LM ? [yes/NO]:       # 输入回车即可
 
# 选择多少张卡投入训练                                                                          
How many GPU(s) should be used for distributed training? [1]:2
 
# 设置投入训练的GPU卡id，如果是全部的GPU都投入训练，则输入all即可。
What GPU(s) (by id) should be used for training on this machine as a comma-seperated list? [all]:all 
 
# 训练精度，可以选择fp16
Do you wish to use FP16 or BF16 (mixed precision)? 
fp16                             
 
# 完成配置后，配置文件default_config.yaml会保存在/root/.cache/huggingface/accelerate下                                                                                   
accelerate configuration saved at /root/.cache/huggingface/accelerate/default_config.yaml

后续进行SD与LoRA模型训练的时候，只需要加载对应的default_config.yaml配置文件即可，具体的调用方法，后续的章节会详细讲解。

完成上述的流程后，接下来我们就可以进行SD训练数据的制作和训练脚本的配置流程了！

6.3 SD训练数据集制作

首先，我们需要对数据集进行清洗，和传统深度学习时代一样，数据清洗工作依然占据了AIGC时代模型训练70%-80%左右的时间。

并且这个过程必不可少，因为数据质量决定了机器学习的上限，而算法和模型只是在不断逼近这个上限而已。

我们需要筛除分辨率较低，质量较差（比如说768*768分辨率的图片< 100kb），存在破损，以及和任务目标无关的数据，接着去除数据里面可能包含的水印，干扰文字等，最后就可以开始进行数据标注了。

数据标注可以分为自动标注和手动标注。自动标注主要依赖像BLIP和Waifu Diffusion 1.4这样的模型，手动标注则依赖标注人员。

（1）使用BLIP自动标注caption

我们先用BLIP对数据进行自动标注，BLIP输出的是自然语言标签，我们进入到SD-Train/finetune/路径下，运行以下代码即可获得自然语言标签（caption标签）：

cd SD-Train/finetune/
python make_captions.py "/数据路径" --batch_size=8 --caption_weights="/本地BLIP模型路径" --beam_search --min_length=5 --max_length=75 --debug --caption_extension=".caption" --max_data_loader_n_workers=2

从上面的代码可以看到，我们第一个传入的参数是训练集的路径。下面Rocky再向大家介绍一下其余参数的意义：

--caption_weights：表示加载的本地BLIP模型，如果不传入本地模型路径，则默认从云端下载BLIP模型。

--batch_size：表示每次传入BLIP模型进行前向处理的数据数量。

--beam_search：设置为波束搜索，默认Nucleus采样。

--min_length：设置caption标签的最短长度。

--max_length：设置caption标签的最长长度。

--debug：如果设置，将会在BLIP前向处理过程中，打印所有的图片路径与caption标签内容，以供检查。

--caption_extension：设置caption标签的扩展名，一般为".caption"。

--max_data_loader_n_workers：设置大于等于2，加速数据处理。

讲完了上述的运行代码以及相关参数，下面Rocky再举一个美女图片标注的例子， 让大家能够更加直观的感受到BLIP处理数据生成caption标签的过程：

SD模型数据标注流程：使用BLIP进行自然语言自动标注

上图是单个图像的标注示例，整个数据集的标注流程也是同理的。等整个数据集的标注后，Stable Diffusion训练所需的caption标注就完成了。

（2）使用Waifu Diffusion 1.4自动标注tag

接下来我们可以使用Waifu Diffusion 1.4进行自动标注，Waifu Diffusion 1.4输出的是tag关键词，这里需要注意的是，调用Waifu Diffusion 1.4模型需要安装Tensorflow库，并且需要下载特定的版本（2.10.1），不然运行时会报“DNN library is not found“错误。我们只需要在命令行输入以下命令即可：

pip install tensorflow==2.10.1

完成上述的环境配置后，我们依然进入到SD-Train/finetune/路径下，运行以下代码即可获得tag自动标注：

cd SD-Train/finetune/
python tag_images_by_wd14_tagger.py "/数据路径" --batch_size=8 --model_dir="/本地路径/wd-v1-4-moat-tagger-v2" --remove_underscore --general_threshold=0.35 --character_threshold=0.35 --caption_extension=".txt" --max_data_loader_n_workers=2 --debug --undesired_tags=""

从上面的代码可以看到，我们第一个传入的参数是训练集的路径。然后Rocky再详细介绍一下传入Waifu Diffusion 1.4自动标注的其他主要参数：

--batch_size：表示每次传入Waifu Diffusion 1.4模型进行前向处理的数据数量。

--model_dir：表示加载的本地Waifu Diffusion 1.4模型路径。

--remove_underscore：如果开启，会将输出tag关键词中的下划线替换为空格。

--general_threshold：设置常规tag关键词的筛选置信度。

--character_threshold：设置人物特征tag关键词的筛选置信度。

--caption_extension：设置tag关键词标签的扩展名，一般为".txt"。

-max_data_loader_n_workers：设置大于等于2，加速数据处理。

--debug：如果设置，将会在Waifu Diffusion 1.4模型前向处理过程中，打印所有的图片路径与tag关键词标签内容，以供检查。

--undesired_tags：设置不需要输出的tag关键词。

下面Rocky依然用之前的美女图片作为例子， 让大家能够更加直观的感受到Waifu Diffusion 1.4模型处理数据生成tag关键词标签的过程：

SD模型数据标注流程：使用Waifu Diffusion 1.4模型进行tag自动标注

上图是单个图像的标注示例，整个数据集的标注流程也是同理的。等整个数据集的标注后，Stable Diffusion训练所需的tag关键词标注就完成了。

（3）补充标注特殊tag

完成了caption和tag的自动标注之后，如果我们需要训练一些特殊标注的话，还可以进行手动的补充标注。

SD-Trian项目中也提供了对数据进行补充标注的代码，Rocky在这里将其进行提炼总结，方便大家直接使用。

大家可以直接拷贝以下的代码，并按照Rocky在代码中提供的注释进行参数修改，然后运行代码即可对数据集进行补充标注：

import os
 
# 设置为本地的数据集路径
train_data_dir = "/本地数据集路径"
 
# 设置要补充的标注类型，包括[".txt", ".caption"]
extension   = ".txt" 
 
# 设置要补充的特殊标注
custom_tag  = "WeThinkIn"
 
# 若设置sub_folder = "--all"时，将遍历所有子文件夹中的数据；默认为""。
sub_folder  = "" 
 
# 若append设为True，则特殊标注添加到标注文件的末尾
append      = False
 
# 若设置remove_tag为True，则会删除数据集中所有的已存在的特殊标注
remove_tag  = False
recursive   = False
 
if sub_folder == "":
    image_dir = train_data_dir
elif sub_folder == "--all":
    image_dir = train_data_dir
    recursive = True
elif sub_folder.startswith("/content"):
    image_dir = sub_folder
else:
    image_dir = os.path.join(train_data_dir, sub_folder)
    os.makedirs(image_dir, exist_ok=True)
 
# 读取标注文件的函数，不需要改动
def read_file(filename):
    with open(filename, "r") as f:
        contents = f.read()
    return contents
 
# 将特殊标注写入标注文件的函数，不需要改动
def write_file(filename, contents):
    with open(filename, "w") as f:
        f.write(contents)
 
# 将特殊标注批量添加到标注文件的主函数，不需要改动
def process_tags(filename, custom_tag, append, remove_tag):
    contents = read_file(filename)
    tags = [tag.strip() for tag in contents.split(',')]
    custom_tags = [tag.strip() for tag in custom_tag.split(',')]
 
    for custom_tag in custom_tags:
        custom_tag = custom_tag.replace("_", " ")
        if remove_tag:
            while custom_tag in tags:
                tags.remove(custom_tag)
        else:
            if custom_tag not in tags:
                if append:
                    tags.append(custom_tag)
                else:
                    tags.insert(0, custom_tag)
 
    contents = ', '.join(tags)
    write_file(filename, contents)
 
 
def process_directory(image_dir, tag, append, remove_tag, recursive):
    for filename in os.listdir(image_dir):
        file_path = os.path.join(image_dir, filename)
 
        if os.path.isdir(file_path) and recursive:
            process_directory(file_path, tag, append, remove_tag, recursive)
        elif filename.endswith(extension):
            process_tags(file_path, tag, append, remove_tag)
 
tag = custom_tag
 
if not any(
    [filename.endswith(extension) for filename in os.listdir(image_dir)]
):
    for filename in os.listdir(image_dir):
        if filename.endswith((".png", ".jpg", ".jpeg", ".webp", ".bmp")):
            open(
                os.path.join(image_dir, filename.split(".")[0] + extension),
                "w",
            ).close()
 
# 但我们设置好要添加的custom_tag后，开始整个代码流程
if custom_tag:
    process_directory(image_dir, tag, append, remove_tag, recursive)

看完了上面的完整代码流程，如果大家觉得代码太复杂，don‘t worry，大家只需要复制上面的全部代码，并将train_data_dir ="/本地数据集路径"和custom_tag ="WeThinkIn"设置成自己数据集的本地路径和想要添加的特殊标注，然后运行代码即可，非常简单实用。

还是以之前的美女图片为例子，当运行完上面的代码后，可以看到txt文件中，最开头的tag为“WeThinkIn”：

SD模型数据标注流程：手动补充增加特殊tag标签

大家注意，一般我们会将手动补充的特殊tag放在第一位，因为和caption标签不同，tags标签是有顺序的，最开始的tag权重最大，越靠后的tag权重越小。

到这里，Rocky已经详细讲解了在Stable Diffusion训练前，如何对数据集进行caption标注，tag标注以及补充一些关键标注的完整步骤与流程，在数据标注完毕后，接下来我们就要进入训练数据预处理的阶段了。

（4）训练数据预处理

首先，我们需要对刚才生成的后缀为.caption和.txt的标注文件进行整合，存储成一个json格式的文件，方便后续SD模型训练时调取训练数据与标注。

我们需要进入SD-Train项目的finetune文件夹中，运行merge_all_to_metadata.py脚本即可：

cd SD-Train
python ./finetune/merge_all_to_metadata.py "/本地数据路径" "/本地数据路径/meta_clean.json"

如下图所示，我们依旧使用之前的美图女片作为例子，运行完merge_all_to_metadata.py脚本后，我们在数据集路径中得到一个meta_clean.json文件，打开可以看到图片名称对应的tag和caption标注都封装在了文件中，让人一目了然，非常清晰。

SD模型训练数据预处理流程：meta_clean.json中封装了图片名称与对应的tag和caption标注

在整理好标注文件的基础上，我们接下来需要对数据进行分桶与保存Latent特征，并在meta_clean.json的基础上，将图片的分辨率信息也存储成json格式，并保存一个新的meta_lat.json文件。

我们需要进入SD-Train项目的finetune文件夹中，运行prepare_buckets_latents.py脚本即可：

cd SDXL-Train
python ./finetune/prepare_buckets_latents.py "/本地数据路径" "/本地数据路径/meta_clean.json" "/本地数据路径/meta_lat.json" "想要调用的SD模型路径" --min_bucket_reso=256 --max_bucket_reso=1024 --batch_size 4 --max_data_loader_n_workers=2 --max_resolution "1024,1024" --mixed_precision="no"

运行完脚本，我们即可在数据集路径中获得meta_lat.json文件，其在meta_clean.json基础上封装了图片的分辨率信息，用于SD训练时快速进行数据分桶。

meta_lat.json文件在meta_clean.json基础上封装了图片的分辨率信息

同时我们可以看到，美女图片的Latent特征保存为了.npz文件，用于SD模型训练时，快速读取数据的Latent特征，加速训练过程。

好的，到目前为止，我们已经完整的进行了SD训练所需的数据集制作与预处理流程。总结一下，我们在一张美女图片的基础上，一共获得了以下5个不同的训练配置文件：

1. meta_clean.json
2. meta_lat.json
3. 自然语言标注（.caption）
4. 关键词tag标注（.txt）
5. 数据的Latent特征信息（.npz）

SD模型所需的训练配置文件

在完成以上所有数据处理过程后，接下来我们就可以进入SD训练的阶段了，我们可以对SD进行全参微调（finetune），也可以基于SD训练对应的LoRA模型。

6.4 Stable Diffusion微调（finetune）训练

微调（finetune）训练是让SD全参数重新训练的一种方法，理想的状态是让SD模型在原有能力的基础上，再学习到一个或几个细分领域的数据特征与分布，从而能在工业界，学术界以及竞赛界满足不同的应用需求。

Rocky为大家举一个形象的例子，让大家能够能好理解SD全参微调的意义。比如我们要训练一个二次元SD模型，应用于二次元领域。那么我们首先需要寻找合适的基于SD的预训练底模型，比如一个能生成二次元图片的SD A模型。然后我们用A模型作为预训练底模型，并收集二次元优质数据作为训练集，有了模型和数据，再加上Rocky为大家撰写的SD微调训练全流程攻略，我们就能训练获得一个能生成二次元人物的SD行业模型，并作为二次元相关产品的核心大模型。

那么话不多说，下面Rocky将告诉大家从0到1使用SD模型进行微调训练的全流程攻略，让我们一起来训练属于自己的SD模型吧！

（1）SD微调（finetune）数据集制作

在SD全参数微调中，SD能够学习到大量的主题，人物，画风或者抽象概念等信息特征，所以我们需要对一个细分领域的数据进行广泛的收集，并进行准确的标注。

Rocky这边收集整理了833张宝可梦数据，包含多样的宝可梦种类，组成宝可梦数据集，作为本次SD微调训练的训练集。

宝可梦数据集

接下来，我们就可以按照本文6.3 Stable Diffusion数据集制作章节里的步骤，进行数据的清洗，自动标注，以及添加特殊tag。

Rocky认为对SD模型进行微调训练主要有两个目的：增强SD模型的图像生成能力与增加SD对新prompt的触发能力。

我们应该怎么理解这两个目的呢。我们拿宝可梦数据集为例，我们想要让SD模型学习宝可梦的各种特征，包括脸部特征，形状特征，姿势特征，二次元背景特征，以及二次元画风特征等。通过训练不断让SD模型“学习”这些数据的内容，从而增强SD模型生成新宝可梦图片的能力。与此同时，我们通过自动标注与特殊tag，将图片的特征与标注信息进行对应，让SD在学习图片数据特征的同时，学习到对应的标注信息，能够在前向推理的过程中，通过二次元的专属标签生成对应的新宝可梦图像。

理解了上面的内容，咱们的数据处理部分就告一段落了。为了方便大家使用宝可梦数据集进行后续的SD模型微调训练，Rocky这边已经将处理好的宝可梦数据集开源（包含原数据，标注文件，读取数据的json文件等），大家可以关注公众号WeThinkIn，后台回复“宝可梦数据集”获取。

（2）SD微调训练参数配置

本节中，Rocky主要介绍Stable Diffusion全参微调（finetune）训练的参数配置和训练脚本。

Rocky已经帮大家整理好了SD全参微调训练的全部参数与训练脚本，大家可以在SD-Train项目的train_config文件夹中找到相应的训练参数配置（config文件夹），并且可以在SD-Train项目中运行SD_finetune.sh脚本，进行SD的全参微调训练。

接下来，Rocky将带着大家从头到尾走通SD全参微调训练过程，并讲解训练参数的意义。首先，我们可以看到config文件夹中有两个配置文件config_file.toml和sample_prompt.toml，他们分别存储着SD的训练超参数与训练中的验证prompt。

config文件夹中的配置文件config_file.toml和sample_prompt.txt

其中config_file.toml文件主要包含了model_arguments，optimizer_arguments，dataset_arguments，training_arguments，sample_prompt_arguments以及saving_arguments六个维度的的参数信息，下面Rocky为大家依次讲解各个超参数的作用：

[model_arguments]
v2 = false
v_parameterization = false
pretrained_model_name_or_path = "/本地路径/SD模型文件"

v2和v_parameterization：两者同时设置为true时，开启Stable Diffusion V2版本的训练。

pretrained_model_name_or_path：读取本地Stable Diffusion预训练模型用于微调训练。

[optimizer_arguments]
optimizer_type = "AdamW8bit"
learning_rate = 2e-6
max_grad_norm = 1.0
train_text_encoder = false
lr_scheduler = "constant"
lr_warmup_steps = 0

optimizer_type：选择优化器类型。一共有：["AdamW"(default), "AdamW8bit", "Lion", "SGDNesterov", "SGDNesterov8bit", "DAdaptation", "AdaFactor"]七种优化器可以选择。其中当我们不进行选择优化器类时，默认会启动AdamW优化器；当我们的显存不太充足时，可以选择AdamW8bit优化器，能降低训练时的显存占用，但代价是轻微地性能损失；Lion优化器是目前优化器方向上最新的版本，性能较为优异，但是使用Lion优化器时学习率需要设置较小，比如设置为AdamW优化器下的 1/3。

learning_rate：训练学习率，单卡推荐设置2e-6，多卡推荐设置1e-7。

max_grad_norm：最大梯度范数，0表示没有clip，1表示将梯度clip到1。 在传统深度学习时代，GAN模型就经常使用这种梯度裁剪技巧，其公式计算如下：new_gradient=max_grad_normold_gradient_norm×old_gradient

其中，new_gradient 是剪裁后的梯度，max_grad_norm 是设定的最大梯度范数阈值，old_gradient_norm 是原始梯度的L2范数，old_gradient 是原始梯度向量。

train_text_encoder：是否在SD模型训练时对Text Encoder进行微调，如果设置为true，则对Text Encoder进行微调。

lr_scheduler：设置学习率调度策略，可以设置成linear, cosine, cosine_with_restarts, polynomial, constant (default), constant_with_warmup, adafactor。如果不单独指定，择默认会使用constant学习率调度策略。

lr_warmup_steps：在启动学习率调度策略前，先固定学习率训练的步数。

[dataset_arguments]
debug_dataset = false
in_json = "/本地路径/data_meta_lat.json"
train_data_dir = "/本地路径/训练集"
dataset_repeats = 10
shuffle_caption = true
keep_tokens = 0
resolution = "512,512"
caption_dropout_rate = 0
caption_tag_dropout_rate = 0
caption_dropout_every_n_epochs = 0
color_aug = false
token_warmup_min = 1
token_warmup_step = 0

debug_dataset：训练时对数据进行debug处理，不让破损数据中断训练进程。

in_json：读取数据集json文件，json文件中包含了数据名称，数据标签，数据分桶等信息。

train_data_dir：读取本地数据集存放路径。

dataset_repeats：整个数据集重复训练的次数，也可以理解为每个epoch中，训练集数据迭代的次数。（经验分享：如果数据量级小于一千，可以设置为10；如果数据量级在一千与一万之前，可以设置为5；如果数据量级大于一万，可以设置为2）

shuffle_caption：当设置为true时，对训练标签进行打乱，能一定程度提高模型的泛化性。

keep_tokens：在训练过程中，会将txt中的tag进行随机打乱。如果将keep tokens设置为n，那前n个token的顺序在训练过程中将不会被打乱。

resolution：设置训练时的数据输入分辨率，分别是width和height。

caption_dropout_rate：针对一个数据丢弃全部标签的概率，默认为0。

caption_tag_dropout_rate：针对一个数据丢弃部分标签的概率，默认为0。（类似于传统深度学习的Dropout逻辑）

caption_dropout_every_n_epochs：每训练n个epoch，将数据标签全部丢弃。

color_aug：数据颜色增强，建议不启用，其与caching latents不兼容，若启用会导致训练时间大大增加（由于每次训练迭代时输入数据都会改变，无法提前获取 latents）。

token_warmup_min：在训练一开始学习每个数据的前n个tag（标签用逗号分隔后的前n个tag，比如girl，boy，good）

token_warmup_step：训练中学习标签数达到最大值所需的步数，默认为0，即一开始就能学习全部的标签。

[training_arguments]
output_dir = "/本地路径/模型权重保存地址"
output_name = "sd_finetune_WeThinkIn"
save_precision = "fp16"
save_n_epoch_ratio = 1
save_state = false
train_batch_size = 1
max_token_length = 225
mem_eff_attn = false
xformers = true
max_train_steps = 2500
max_data_loader_n_workers = 8
persistent_data_loader_workers = true
gradient_checkpointing = false
gradient_accumulation_steps = 1
mixed_precision = "fp16"
clip_skip = 2
logging_dir = "/本地路径/logs"
log_prefix = "sd_finetune_WeThinkIn"

output_dir：模型保存的路径。

output_name：模型名称。

save_precision：模型保存的精度，一共有[“None”, "float", "fp16", "bf16"]四种选择，默认为“None”，即FP32精度。

save_n_epoch_ratio：每n个steps保存一次模型权重。

save_state：设置为true时，每次保存模型权重的同时会额外保存训练状态（包括优化器状态等）。

train_batch_size：训练Batch-Size，与传统深度学习一致。

max_token_length：设置Text Encoder最大的Token数，有[None, 150, 225]三种选择，默认为“None”，即75。

mem_eff_attn：对Cross Attention进行轻量化。

xformers：xformers插件可以使SDXL模型在训练时显存减少一半左右。

max_train_steps：SD模型训练的总步数。

max_data_loader_n_workers：数据加载的DataLoader worker数量，默认为8。

persistent_data_loader_workers：能够让DataLoader worker持续挂载，减少训练中每个epoch之间的数据读取时间，但是会增加内存消耗。

gradient_checkpointing：设为true时开启梯度检查，通过以更长的计算时间为代价，换取更少的显存占用。相比于原本需要存储所有中间变量以供反向传播使用，使用了checkpoint的部分不存储中间变量而是在反向传播过程中重新计算这些中间变量。模型中的任何部分都可以使用gradient checkpoint。

gradient_accumulation_steps：如果显存不足，我们可以使用梯度累积步数，默认为1。

mixed_precision：训练中是否使用混合精度，一共有["no", "fp16", "bf16"]三种选择，默认为“no”。

clip_skip：当设置clip_skip为2时，提取CLIP Text Encoder倒数第二层的输出；如果设置clip_skip为1，则提取CLIP Text Encoder倒数最后一层的输出。 CLIP Text Encoder模型一共有12层，越往深层模型输出的特征就越抽象，跳过过于抽象的信息可以防止过拟合。Rocky推荐二次元模型选择 clip_skip = 2，三次元模型选择 clip_skip = 1。

logging_dir：设置训练log保存的路径。

log_prefix：增加log文件的文件名前缀，比如sd_finetune_WeThinkIn1234567890。

[sample_prompt_arguments]
sample_every_n_steps = 100
sample_sampler = "ddim"
 
[saving_arguments]
save_model_as = "safetensors"

sample_every_n_steps：在训练中每n步测试一次模型效果。

sample_sampler：设置训练中测试模型效果时使用的sampler，可以选择["ddim","pndm","lms","euler","euler_a","heun","dpm_2","dpm_2_a","dpmsolver","dpmsolver++","dpmsingle", "k_lms","k_euler","k_euler_a","k_dpm_2","k_dpm_2_a"]，默认是“ddim”。

save_model_as：每次模型权重保存时的格式，可以选择["ckpt", "safetensors", "diffusers", "diffusers_safetensors"]，目前SD WebUI兼容"ckpt"和"safetensors"格式模型。

（3）SD关键参数详解

（4）SD模型训练

完成训练参数配置后，我们就可以运行训练脚本进行SD模型的全参微调训练了。

我们本次训练用的底模型选择了WeThinkIn_SD_二次元模型，大家可以关注Rocky的公众号WeThinkIn，后台回复“SD_二次元模型”获取模型资源链接。

我们打开SD_finetune.sh脚本，可以看到以下的代码：

accelerate launch \
  --config_file accelerate_config.yaml \
  --num_cpu_threads_per_process=8 \
  /本地路径/SD-Train/fine_tune.py \
  --sample_prompts="/本地路径/SD-Train/train_config/sample_prompt.txt" \
  --config_file="/本地路径/SD-Train/train_config/config_file.toml"

我们把训练脚本封装在accelerate库里，这样就能启动我们一开始配置的训练环境了。在本文的6.2节中，我们已经详细介绍了如何配置accelerate训练环境，如果我们想要切换不同的训练环境参数，我们只需要将accelerate_config.yaml改成我们所需要的配置文件与路径即可（比如：/本地路径/new_accelrate_config.yaml）。

除了上述的训练环境参数传入，最重要的还是将刚才配置好的config_file.toml和sample_prompt.txt参数传入训练脚本中。

接下里，就到了激动人心的时刻，我们只需在命令行输入以下命令，就能开始SD模型的全参微调训练啦：

# 进入SD-Train项目中
cd SD-Train
 
# 运行训练脚本！
sh SD_finetune.sh

训练脚本启动后，会打印出以下的log，方便我们查看整个训练过程的节奏：

running training / 学習開始
  # 表示总的训练数据量，等于训练数据 * dataset_repeats: 1024 * 10 = 10240
  num examples / サンプル数: 10240  
  # 表示每个epoch需要多少step，以8卡为例，需要10240/ (2 * 8) = 640
  num batches per epoch / 1epochのバッチ数: 640
  # 表示总的训练epoch数，等于total optimization steps / num batches per epoch = 64000 / 640 = 100
  num epochs / epoch数: 100
  # 表示每个GPU卡上的Batch Size数，最终的Batch Size还需要在此基础上*GPU卡数，以8卡为例：2 * 8 = 16
  batch size per device / バッチサイズ: 2 
  #表示n个step计算一次梯度，一般设置为1
  gradient accumulation steps / 勾配を合計するステップ数 = 1 
  # 表示总的训练step数
  total optimization steps / 学習ステップ数: 64000

到此为止，Rocky已经将SD全参微调训练的全流程都做了详细的拆解，等训练完成后，我们就可以获得属于自己的SD模型了！

（5）加载自训练SD模型进行AI绘画

SD模型微调训练完成后，会将模型权重保存在我们之前设置的output_dir路径下。接下来，我们使用Stable Diffusion WebUI作为框架，加载SD宝可梦模型进行AI绘画。

在本文4章中，Rocky已经详细讲解了如何搭建Stable Diffusion WebUI框架，未使用过的朋友可以按照这个流程快速搭建起Stable Diffusion WebUI。

要想使用SD模型进行AI绘画，首先我们需要将训练好的SD宝可梦模型放入Stable Diffusion WebUI的/models/Stable-diffusion文件夹下。

然后我们在Stable Diffusion WebUI中分别选用SD宝可梦模型即可：

完成上图中的操作后，我们就可以进行新宝可梦图片的生成啦！

下面是使用本教程训练出来的SD宝可梦模型生成的图片：

自训练SD大模型生成新宝可梦图片

到这里，关于SD微调训练的全流程攻略就全部展示给大家了，大家如果觉得好，欢迎给Rocky的劳动点个赞，支持一下Rocky，谢谢大家！

如果大家对SD全参数微调训练还有想要了解的知识或者不懂的地方，欢迎在评论区留言，Rocky也会持续优化本文内容，能让大家都能快速了解SD训练知识，并训练自己的专属SD绘画模型！

6.5 基于Stable Diffusion训练LoRA模型

基于Stable Diffusion的生态之所以如此繁荣，LoRA模型绝对功不可没。LoRA模型的训练成本是Stable Diffusion全参微调训练成本1/10左右，不断训练各式各样的LoRA模型并发布到开源社区是持续繁荣SD生态的高效选择。

关于LoRA模型的LoRA的核心基础知识，LoRA的优势，热门LoRA模型推荐等内容，可以阅读Rocky之前写的文章：

深入浅出完整解析LoRA模型核心基础知识18 赞同 · 2 评论文章​编辑

在本节，Rocky将告诉大家从0到1使用SD模型训练对应的LoRA的全流程攻略，让我们一起来训练属于自己的SD LoRA模型吧！

（1）SD LoRA数据集制作

首先，我们需要确定数据集主题，比如说人物，画风或者某个抽象概念等。本次我们选择用Rocky自己搜集的人物主题数据集——旧漫女友数据集来进行SD LoRA模型的训练。

旧漫女友数据集

为了方便大家使用旧漫女友数据集进行后续的LoRA训练，Rocky这边已经将处理好的旧漫女友数据集开源（包含原数据，标注文件，读取数据的json文件等），大家可以关注公众号WeThinkIn，后台回复“旧漫女友数据集”获取。

（2）SD LoRA训练参数配置

训练Stable Diffusion LoRA的参数配置与Stable Diffusion全参微调的训练配置有相同的部分（上述的前六个维度），也有LoRA的特定参数需要配置（additional_network_arguments）。

下面我们首先看看这些共同的维度中，有哪些需要注意的事项吧：

[model_arguments] # 与SD全参微调训练一致
v2 = false
v_parameterization = false
pretrained_model_name_or_path = "/本地路径/SD模型文件"
 
[optimizer_arguments] # 与SD全参微调训练一致
optimizer_type = "AdamW8bit"
learning_rate = 0.0001 # 在未设置U-Net学习率和CLIP Text Encoder学习率时生效。
max_grad_norm = 1.0
lr_scheduler = "constant"
lr_warmup_steps = 0
 
[dataset_arguments] # 与SD全参微调训练一致
debug_dataset = false
in_json = "/本地路径/data_meta_lat.json"
train_data_dir = "/本地路径/训练集"
dataset_repeats = 10
shuffle_caption = true
keep_tokens = 0
resolution = "512,512"
caption_dropout_rate = 0
caption_tag_dropout_rate = 0
caption_dropout_every_n_epochs = 0
color_aug = false
token_warmup_min = 1
token_warmup_step = 0
 
[training_arguments] # 与SD全参微调训练不一致
output_dir = "/本地路径/模型权重保存地址"
output_name = "sd_LoRA_WeThinkIn"
save_precision = "fp16"
save_every_n_epochs = 1
train_batch_size = 6
max_token_length = 225
mem_eff_attn = false
xformers = true
max_train_epochs = 10 #max_train_epochs设置后，会覆盖掉max_train_steps，即两者同时存在时，以max_train_epochs为准
max_data_loader_n_workers = 8
persistent_data_loader_workers = true
gradient_checkpointing = false
gradient_accumulation_steps = 1
mixed_precision = "fp16"
clip_skip = 2
logging_dir = "/本地路径/logs"
log_prefix = "sd_LoRA_WeThinkIn"
lowram = true # 开启能够节省显存。
 
[sample_prompt_arguments] # 与SD全参微调训练一致
sample_every_n_epochs = 1
sample_sampler = "ddim"
 
[saving_arguments] # 与SD全参微调训练一致
save_model_as = "safetensors"

除了上面的参数，训练SD LoRA时还需要设置一些专属参数，这些参数非常关键，下面Rocky将给大家一一讲解：

[additional_network_arguments]
no_metadata = false
unet_lr = 0.0001
text_encoder_lr = 5e-5
network_module = "networks.lora"
network_dim = 32
network_alpha = 16
network_train_unet_only = false
network_train_text_encoder_only = false

no_metadata：保存模型权重时不附带Metadata数据，建议关闭，能够减少保存下来的LoRA大小。

unet_lr：设置U-Net 的学习率，默认值是1e-4。当我们将LoRA的network_dimension设置的较大时，比如128，这是我们需要设置更多的steps与更小的学习率（1e-5）。

text_encoder_lr：设置CLIP Text Encoder的学习率，默认为5e-5。一般来说，CLIP Text Encoder 的学习率可以设置成unet_lr的1/15。小学习率有助于CLIP Text Encoder对tag更敏感。

network_module：选择训练的LoRA模型结构，可以从["networks.lora", "networks.dylora", "lycoris.kohya"]中选择，最常用的LoRA结构默认选择"networks.lora"。

network_dim：设置LoRA的RANK，设置的数值越大表示表现力越强，但同时需要更多的显存和时间来训练。

network_alpha：设置缩放权重，用于防止下溢并稳定训练的alpha值。

network_train_unet_only：如果设置为true，那么只训练U-Net部分。

network_train_text_encoder_only：如果设置为true，那么只训练CLIP Text Encoder部分。

（3）SD LoRA关键参数详解

【1】LoRA模型变体：LoCon

LoCon模型 (Conventional LoRA)在LoRA模型的基础上，还用同样的方法调整了ResNet。

【2】LoRA模型变体：LoHa

LoHa (LoRA with Hadamard Product): 通过哈达马积进一步降低参数的量，理论上在相同的dim下能容纳更多的信息。

LoHa论文：FedPara Low-Rank Hadamard Product For Communication-Efficient Federated Learning。

（4）SD LoRA模型训练

完成训练参数配置后，我们就可以运行训练脚本进行SD LoRA模型的训练了。

我们本次训练用的底模型选择了WeThinkIn_SD_二次元模型，大家可以关注Rocky的公众号WeThinkIn，后台回复“SD_二次元模型”获取模型资源链接。

我们打开SD_fintune_LoRA.sh脚本，可以看到以下的代码：

accelerate launch \
  --config_file accelerate_config.yaml \
  --num_cpu_threads_per_process=8 \
  /本地路径/SD-Train/train_network.py \
  --sample_prompts="/本地路径/SD-Train/train_config/LoRA_config/sample_prompt.txt" \
  --config_file="/本地路径/SD-Train/train_config/LoRA_config/config_file.toml"

我们把训练脚本封装在accelerate库里，这样就能启动我们一开始配置的训练环境了，同时我们将刚才配置好的config_file.toml和sample_prompt.txt参数传入训练脚本中。

接下里，就到了激动人心的时刻，我们只需在命令行输入以下命令，就能开始SD LoRA训练啦：

# 进入SD-Train项目中
cd SDXL-Train
 
# 运行训练脚本！
sh SD_fintune_LoRA.sh

（5）加载SD LoRA模型进行AI绘画

SD LoRA模型训练完成后，会将模型权重保存在我们之前设置的output_dir路径下。接下来，我们使用Stable Diffusion WebUI作为框架，加载SD LoRA模型进行AI绘画。

在本文4.3节零基础使用Stable Diffusion WebUI搭建Stable Diffusion推理流程中，Rocky已经详细讲解了如何搭建Stable Diffusion WebUI框架，未使用过的朋友可以按照这个流程快速搭建起Stable Diffusion WebUI。

要想使用SD LoRA进行AI绘画，首先我们需要将SD底模型和SD LoRA模型分别放入Stable Diffusion WebUI的/models/Stable-diffusion文件夹和/models/Lora文件夹下。

然后我们在Stable Diffusion WebUI中分别选用底模型与LoRA即可：

自训练SD LoRA生成旧漫女友图片

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6.6 SD训练结果测试评估

7. Stable Diffusion不同版本模型的对比

7.1 Stable Diffusion V2系列模型

现在Stable Diffusion XL已经发布了，我们会发现Stable Diffusion V2系列模型非常尴尬。

如果将AIGC时代与传统深度学习时代进行对比的话，那么Stable Diffusion系列模型无疑就是AIGC时代的“YOLO”。Stable Diffusion V1是“YOLOv1”，那么Stable Diffusion V2就是“YOLOv2”，最新的Stable Diffusion XL就是“YOLOv3”。

就如同YOLOv2一样，Stable Diffusion V2系列同样面临相同的境遇，前有Stable Diffusion开创新时代的余威与繁荣的开源生态助力，后有Stable Diffusion XL这个整体性能强大的最新版本模型和飞速繁荣的生态，都让Stable Diffusion V2系列模型成为了“鸡肋”。

Stable Diffusion V1系列是用基于GPT的CLIP模型，而Stable Diffusion V2系列则换成了更新更好的OpenCLIP模型。

但是，Rocky相信Stable Diffusion V2系列模型依然是AIGC时代里一个有效的AI绘画工具，可以作为相关的知识储备。

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8. Stable Diffusion性能优化

8.1 使用TF32精度

import torch
 
torch.backends.cuda.matmul.allow_tf32 = True

TF32在性能和精度上实现了平衡。下面是TF32精度的一些作用和优势：

1. 加速训练速度：使用TF32精度可以在保持相对较高的模型精度的同时，加快模型训练的速度。
2. 减少内存需求：TF32精度相对于传统的浮点数计算（如FP32）需要更少的内存存储。这对于训练大规模的深度学习模型尤为重要，可以减少内存的占用。
3. 可接受的模型精度损失：使用TF32精度会导致一定程度的模型精度损失，因为低精度计算可能无法精确表示一些小的数值变化。然而，对于大多数深度学习应用，TF32精度仍然可以提供足够的模型精度。

8.2 使用FP16半精度

import torch
from diffusers import DiffusionPipeline
 
pipe = DiffusionPipeline.from_pretrained(
    "runwayml/stable-diffusion-v1-5",
    torch_dtype=torch.float16,
)

使用FP16半精度训练的优势：

减少了一半的内存占用，我们可以进一步将batch大小翻倍，并将训练时间减半。 一些GPU如V100, 2080Ti等针对16位计算进行了优化，能自动加速3-8倍。

8.3 对注意力模块进行切片

当模型中的注意力模块存在多个注意力头时，可以使用切片注意力操作，使得每个注意力头依次计算注意力矩阵，从而大幅减少内存占用，但随之而来的是推理时间增加约10%。

import torch
from diffusers import DiffusionPipeline
 
pipe = DiffusionPipeline.from_pretrained(
    "runwayml/stable-diffusion-v1-5",
    
    torch_dtype=torch.float16,
)
pipe = pipe.to("cuda")
 
# 切片注意力
pipe.enable_attention_slicing()

8.4 对VAE进行切片

和注意力模块切片一样，我们也可以对VAE进行切片，让VAE每次处理Batch（32）中的一张图片，从而大幅减少内存占用。

import torch
from diffusers import StableDiffusionPipeline
 
pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(
    "runwayml/stable-diffusion-v1-5",
    
    torch_dtype=torch.float16,
)
pipe = pipe.to("cuda")
 
prompt = "a photo of an astronaut riding a horse on mars"
#切片VAE
pipe.enable_vae_slicing()
images = pipe([prompt] * 32).images

8.5 大图像切块

当想要生成4k或者更大的图像，并且内存不充裕时，可以使用图像切块的操作，让VAE的编码器与解码器对切块后的图像逐一处理，最后从容拼接生成大图。

import torch
from diffusers import StableDiffusionPipeline
 
pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(
    "runwayml/stable-diffusion-v1-5",
    torch_dtype=torch.float16,
)
pipe = pipe.to("cuda")
prompt = "a beautiful landscape photograph"
# 大图像切块
pipe.enable_vae_tiling()
 
image = pipe([prompt], width=3840, height=2224, num_inference_steps=20).images[0]

8.6 CPU <-> GPU切换

可以将整个SD模型或者SD模型的部分模块权重加载到CPU中，只有等推理时再将需要的权重加载到GPU。

import torch
from diffusers import StableDiffusionPipeline
 
pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(
    "runwayml/stable-diffusion-v1-5",
    torch_dtype=torch.float16,
)
 
#子模块CPU <-> GPU切换
pipe.enable_sequential_cpu_offload()
 
#整个SD模型CPU <-> GPU切换
pipe.enable_model_cpu_offload()

8.7 变换Memory Format

在CV领域，两种比较常见的memory format是channels first(NCHW)和channels last(NHWC)。将channels first转变成为channels last可能会提升推理速度，不过这也需要依AI框架和硬件而定。

在Channels Last内存格式中，张量的维度顺序为：(batch_size, height, width, channels)。其中，batch_size表示批处理大小，height和width表示图像或特征图的高度和宽度，channels表示通道数。

相比而言，Channels First是另一种内存布局，其中通道维度被放置在张量的第二个维度上。在Channels First内存格式中，张量的维度顺序为：(batch_size, channels, height, width)。

选择Channels Last或Channels First内存格式通常取决于硬件和软件平台以及所使用的深度学习框架。不同的平台和框架可能对内存格式有不同的偏好和支持程度。

在一些情况下，Channels Last内存格式可能具有以下优势：

1. 内存访问效率：在一些硬件架构中，如CPU和GPU，Channels Last内存格式能够更好地利用内存的连续性，从而提高数据访问的效率。
2. 硬件加速器支持：一些硬件加速器（如NVIDIA的Tensor Cores）对于Channels Last内存格式具有特定的优化支持，可以提高计算性能。
3. 跨平台兼容性：某些深度学习框架和工具更倾向于支持Channels Last内存格式，使得在不同的平台和框架之间迁移模型更加容易。

需要注意的是，选择内存格式需要根据具体的硬件、软件和深度学习框架来进行评估。某些特定的操作、模型结构或框架要求可能会对内存格式有特定的要求或限制。因此，建议在特定环境和需求下进行测试和选择，以获得最佳的性能和兼容性。

print(pipe.unet.conv_out.state_dict()["weight"].stride())  
# 变换Memory Format
pipe.unet.to(memory_format=torch.channels_last)  
print(pipe.unet.conv_out.state_dict()["weight"].stride()) 

8.8 使用xFormers

使用xFormers插件能够让注意力模块优化运算，提升20%左右的运算速度。

from diffusers import DiffusionPipeline
import torch
 
pipe = DiffusionPipeline.from_pretrained(
    "runwayml/stable-diffusion-v1-5",
    torch_dtype=torch.float16,
).to("cuda")
 
# 使用xFormers
pipe.enable_xformers_memory_efficient_attention()

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