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【扩散模型】1、扩散模型 | 到底什么是扩散模型?

扩散模型

参考论文:A Survey on Generative Diffusion Model

githubhttps://github.com/chq1155/A-Survey-on-Generative-Diffusion-Model

一、什么是扩散模型

1.1 现有生成模型简介

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已经有大量的方法证明深度生成模型能够模拟人类的想象思维,生成人类难以分辨真伪的内容,主要方法如下:

1、GAN:用神经网络训练生成器和判别器

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GAN 的主要思想:

  • GAN 就是一个互搏的过程,要训练两个网络,一个是生成器,一个是判别器
  • 生成器就是给定一个随机噪声,生成一些东西,我们希望其能生成一个比较逼真的图片,把生成的图片和真实的图片给到判别器,让判别器来看哪些是真图片和假图片,就是 0/1 的判断
  • 通过两个网络互相学习,互相提高,最后能生成比较真实的图片

缺点:

  • 可解释性较差:GAN 不是概率模型,是通过网络完成的,是隐式的,所以不知道它到底学到了什么,不知道其遵循了什么分布
  • 训练时不稳定:因为要同时训练两个网络,就有需要平衡的问题,训练不好的话容易模型坍塌
  • 多样性较差

优点:

  • GAN 的目标函数是用来以假乱真的,所以保真度和细节都非常好

2、AE、DAE、VAE、VQVAE:

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Auto-Encoder (AE):给定输入 x,经过编码器 encoder 就能得到特征,特征维度会变小,然后在使用解码器,得到一个图像,训练的目标函数是希望解码器的输出能尽可能的重建输入,也正是因为是自己重建自己,所以是自编码器

Denoising Auto-Encoder (AE):先对原图输入进行扰乱,后续过程和 AE 一样,依然希望输入能够重建原始的未经过扰乱的输入,这个扰动很有用,会让训练出来的模型非常稳健,不容易过拟合。图片数据本来就是冗余的,所以添加一些扰动后,模型仍然能够学习到很好的特征。

AE 和 DAE 或者 MAE 其实都是为了学习中间那个 bottleneck 特征 z,学习好了后用于分类、检测等任务,并不是做生成的,其原因在于这里的 z 是专门用来重建的特征,并不是随机噪声,并不能用于采样来生成图像

所以就有了 VAE,也就是变分自编码器,VAE 和 AE 是很不同的,虽然结构看起来很像,但很重要的区别是,中间不再是学习一个 bottleneck 的特征,而是学习了一个分布,假设分布是高斯分布,可以用均值和方差来描述,就是从 encoder 得到特征后,加一些 FC 层,来预测均值和方差,得到后用公式采样一个 z 出来,VAE 就可以用来做生成了,因为在训练好后,可以扔掉 encoder,这里的 z 就是能随机抽样出的样本,然后就能生成图片了

VAE 这里生成的是一个分布,从贝叶斯角度来看,前面的过程是一个后验概率 p(z|x),就是给定 x 得到 z 的过程,学到的 z 就是一个先验分布,后面的过程是一个先验概率 p(x|z),就是给定 z 预测 x 的过程,其实就是最大似然,这里做的就是 maximize likelihood。

VAE 因为是学习的概率分布,是从分布中抽样的,生成的图片的多样性比 GAN 好的多,后面还有一些 VQVAE 和 DALLE 1 都是在 VAE 的基础上做的。

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VAE 其实结构和扩散模型很像,且有较好的理论可解释性,但 Encoder 使用很大的步长来学习数据分布并进行加噪,Decoder 也使用很大的步长来去噪,导致学习的不够细致,很粗糙。

3、Diffusion model

前向扩散:在输入 x0 上逐步加噪声,一共加 T 次,最终变成一个真正的噪声,各向同性正态分布

逆向去噪:从最终的 xT 逐步恢复原图的过程,使用的是共享参数的 U-Net 结构

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扩散模型发展历程:

DDPM → improved DDPM → Diffusion beats GAN → GLIDE → DALLE2 → Imagen

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1.2 扩散模型的理论来源

我们主要介绍扩散模型,扩散模型背后的直觉来源于物理学:

  • 在物理学中,气体分子从高浓度区域扩散到低浓度区域
  • 这与由于噪声的干扰而导致的信息丢失是相似的
  • 通过引入噪声,然后尝试去噪来生成图像,模型每次在给定一些噪声输入的情况下学习生成新图像。

1.3 扩散模型的使用场景

扩散模型可以用到哪些任务上:

  • 计算机视觉
  • 语言模型
  • 声音模型
  • AI for science

扩散模型的应用场景:

  • 图文生成
  • 视频生成
  • 分子结构生成
  • AI 绘画
  • AI 制药

1.4 扩散模型的基本结构

扩散模型的工作原理:

  • 学习由于噪声引起的信息衰减,然后使用学习到的模式来生成图像

扩散模型的结构:

  • 扩散模型定义了一个扩散步骤的马尔可夫链,慢慢地向数据中添加随机噪声,也就是熵增的过程,然后学习逆向扩散过程,从噪声中构建所需的数据样本
  • 前向扩散过程 q q q:为输入图像 x 0 x_0 x0 引入一系列的随机噪声,也就是对样本点分 T 步添加高斯噪声,随着噪声的引入, x 0 x_0 x0 最终会失去区分特性
  • 逆向恢复过程 p p p:从高斯先验出发,从有大量随机噪声的图中学习恢复原图

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扩散模型相比 GAN 或 VAE 的缺点:

  • 速度慢:扩散模型是基于马尔科夫过程来实现的,在训练和推理的时候都需要很多步骤

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1.5 马尔可夫过程

马尔可夫模型有两个假设:

  • 系统在 t t t 时刻的状态只与 t − 1 t-1 t1 时刻的状态有关,也称无后效性
  • 状态转移概率与时间 t t t 无关,只与前驱和后继的状态有关,也称齐次性或时齐性

1、无后效性

具有马尔科夫性质的状态满足下面公式:

P ( S t + 1 ∣ S t ) = P ( S t + 1 ∣ S 1 , . . . , S t ) P(S_{t+1}|S_t)=P(S_{t+1}|S_1,...,S_t) P(St+1St)=P(St+1S1,...,St)

上述公式的意义:

  • 给定当前状态 S t S_t St,将来的状态 S t + 1 S_{t+1} St+1 t t t 时刻之前的状态 { S 1 , . . . , S t − 1 } \{S_1, ..., S_{t-1} \} {S1,...,St1} 已经没有关系,只和当前的状态 S t S_t St 有关系。
  • 当前的状态 S t S_t St 中已经包括了历史的相关信息,所以之前的状态可以忽略

2、齐次性

对状态 s s s 和后继状态 s ′ s' s,状态转移概率定义为:
P s s ′ = P [ S t + 1 = s ′ ∣ S t = s ] P_{ss'}=P[S_{t+1}=s'|S_t=s] Pss=P[St+1=sSt=s]

状态转移矩阵 P 定义了从 s s s 转移到后继状态 s ′ s' s 的概率:

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其中的每行和为1:

  • 比如掷骰子游戏,当前的点数为1

  • 再一次掷骰子得到的点数的概率,即使我们不知道下一个具体点数的概率,但是我们知道下一个点数是1,2,3,4,5,6中的某一点,那么就会有:

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马尔可夫过程:

马尔科夫过程一个无记忆的随机过程,是一些具有马尔科夫性质的随机状态序列构成,可以用一个元组 <S,P> 表示:

  • S 是有限数量的状态集合
  • P 是状态转移概率矩阵, P s s ′ = P [ S t + 1 = s ′ ∣ S t = s ] P_{ss'}=P[S_{t+1}=s'|S_t=s] Pss=P[St+1=sSt=s]

二、扩散模型相关定义

2.1 符号和定义

1、State:状态

State 是能够描述整个扩散模型过程的一系列数据:

  • 初始状态:starting state x 0 x_0 x0
  • prior state:离散时为 x T x_T xT,连续时为 x 1 x_1 x1
  • 中间状态:intermediate state x t x_t xt

2、Process 和 Transition Kernel

  • Forward/Diffusion 过程 F F F:将初始状态转换到有噪声的状态
  • Reverse/Denoised 过程 R R R:和前向过程方向相反,从有噪声的图像中逐步复原原图的过程
  • Transition Kernel:在上面的两个过程中,每两个 state 的变换都是通过 transition kernel 来实现的,

前向和逆向的过程如下所示:

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对于非离散情况,任何时间 0 < = t < s < 1 0<=t<s<1 0<=t<s<1 的前向过程如下:

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  • F t F_t Ft R t R_t Rt 分别是 t t t 时刻从状态 x t − 1 x_{t-1} xt1 转换成状态 x t x_t xt 的前向 transition kernel 和逆向 transition kernel
  • σ t \sigma_t σt 是噪声尺度
  • 最常用的 transition kernel 是 Markov kernel,因为其具有较好的任意性和可控性

3、Pipeline:

假设定义 sampled data 为 x ~ 0 \widetilde{x}_0 x 0,则整个过程可以描述如下:

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4、离散和连续过程

与离散过程相比,连续过程能够从任何时间状态中提取任何信息

如果扰动核的变化足够小,则连续过程有更好的理论支撑

5、训练目标

扩散模型是生成模型的一个子类,和 VAE 的目标函数类似,目标是让初始分布 x 0 x_0 x0 和采样分布 x ~ 0 \widetilde{x}_0 x 0 尽可能的接近。

通过最大化如下 log-likelihood 公式来实现,其中 σ ~ \widetilde{\sigma} σ 在前向和逆向过程中是不同的:

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2.2 问题规范化

1、Denoised Diffusion Probabilistic Model(DDPM):去噪扩散概率模型

NIPS 2021 的论文 ‘Denoising diffusion probabilistic models’ 中对扩散概率模型进行了改进,提出了 DDPM:

  • 使用固定的方差回归均值
  • 用和噪声表示,通过均值预测网络重参数化,将关于均值的差改写为噪声预测网络与噪声的差,将目标函数改写为噪声预测的方式
  • 对高斯噪声进行回归预测
  • 对扩散模型的架构也进行了相应的改进,使用 U-Net 形式的架构,引入了跳跃连接,更适合于像素级别的预测任务

DDPM Forward Process:

  • DDPM 使用一系列的噪声系数 β 1 \beta_1 β1 β 2 \beta_2 β2 β T \beta_T βT 作为不同时刻的 Markov trasition kernel。

  • 一般都使用常数、线性规则、cosine 规则 来选择噪声系数,而且 [68] 中也证明了不同的噪声系数在实验中也没有明显的影响

  • DDPM 的前向过程定义如下:

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  • 根据从 x 0 x_0 x0 x T x_T xT 的扩散步骤, Forward Diffusion Process 如下:

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DDPM Reverse Process:

  • 逆向过程使用可学习的 Gaussian trasition 参数 θ \theta θ 来定义如下:

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  • 逐步从 x T x_T xT 复原到 x 0 x_0 x0 的过程如下,假设过程为 p ( x T ) = N ( x T ;   0 , I ) p(x_T) = N(x_T;\ 0, I) p(xT)=N(xT; 0,I)

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  • 所以, p θ ( x 0 ) = ∫ p θ ( x 0 : T ) d x 1 : T p_{\theta}(x_0)=\int p_{\theta}(x_{0:T})dx_{1:T} pθ(x0)=pθ(x0:T)dx1:T 的分布就是 x ~ 0 \widetilde{x}_0 x 0 的分布

Diffusion Training Objective:为了最小化 negative log-likelihood (NLL),则最小化问题转换为:

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  • L T L_T LT:prior loss
  • L 0 L_0 L0:reconstruction loss
  • L 1 : T − 1 L_{1:T-1} L1T1:consistent loss

下图是 PPDM 的 pipeline:

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2、Score Matching Formulation

score matching 模型是为了解决原始数据分布的估计问题,通过近似数据的梯度 ∇ x l o g p ( x ) \nabla_xlogp(x) xlogp(x) 来实现,这也称为 score。

两个相邻状态的 transition kernel 为:

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Score matching 过程:

score matching 的核心是训练一个得分估计网络 s θ ( x , σ ) s_{\theta}(x, \sigma) sθ(x,σ) 来预测得分。
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DSM:

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三、可以提升的点

尽管扩散模型目前取得了很好的生成效果,到其逐步去噪的过程涉及非常多的迭代步骤,故此扩散模型的加速是很重要的研究课题。

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