【扩散模型（七）】Stable Diffusion 3 diffusers 源码详解2 - DiT 与 MMDiT 相关代码（上）_dit模型

系列文章目录

• 【扩散模型（一）】中介绍了 Stable Diffusion 可以被理解为重建分支（reconstruction branch）和条件分支（condition branch）
• 【扩散模型（二）】IP-Adapter 从条件分支的视角，快速理解相关的可控生成研究
• 【扩散模型（三）】IP-Adapter 源码详解1-训练输入 介绍了训练代码中的 image prompt 的输入部分，即 img projection 模块。
• 【扩散模型（四）】IP-Adapter 源码详解2-训练核心（cross-attention）详细介绍 IP-Adapter 训练代码的核心部分，即插入 Unet 中的、针对 Image prompt 的 cross-attention 模块。
• 【扩散模型（五）】IP-Adapter 源码详解3-推理代码 详细介绍 IP-Adapter 推理过程代码。
• 【扩散模型（六）】Stable Diffusion 3 diffusers 源码详解1-推理代码-文本处理部分
• 本系列将对比介绍 DiT 和 MMDiT 的区别和具体的代码实现，本文先介绍 DiT 的核心代码。

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一、DiT

• DiT ¹ 是 SD3 中 MMDiT 的核心基础，而
• 通过将 Diffusion 中的 Unet 换成了 DiT Block，来实现基于条件的图像生成。
• 原文中的条件是类别标签，而非文本提示词。
  
• 原文测试了多种设置，最终采用了 adaLN-Zero 作为 Cross-Attention 的替代。

DiT 整体代码

官方代码仓库为 https://github.com/facebookresearch/DiT，下面代码的具体位置在 /path/to/DiT/models.py

• 下方代码为上图的左边部分，输入 x 是 Noised Latent，t 是 Timestep，Label 为 y
• 其中 block 则是上图中的 DiT Block，将 x 和 c 共同作为输入，以 c 为条件来生成 x （对 Noised Latent 进行去噪）。

   def forward(self, x, t, y):
       """
       Forward pass of DiT.
       x: (N, C, H, W) tensor of spatial inputs (images or latent representations of images)
       t: (N,) tensor of diffusion timesteps
       y: (N,) tensor of class labels
       """
       x = self.x_embedder(x) + self.pos_embed  # (N, T, D), where T = H * W / patch_size ** 2
       t = self.t_embedder(t)                   # (N, D)
       y = self.y_embedder(y, self.training)    # (N, D)
       c = t + y                                # (N, D)
       for block in self.blocks:
           x = block(x, c)                      # (N, T, D)
       x = self.final_layer(x, c)                # (N, T, patch_size ** 2 * out_channels)
       x = self.unpatchify(x)                   # (N, out_channels, H, W)
       return x
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DiT Block

与下面代码中 forward 函数内对应的变量在 DiT Block 中的位置。

def modulate(x, shift, scale):
    return x * (1 + scale.unsqueeze(1)) + shift.unsqueeze(1)

class DiTBlock(nn.Module):
    """
    A DiT block with adaptive layer norm zero (adaLN-Zero) conditioning.
    """
    def __init__(self, hidden_size, num_heads, mlp_ratio=4.0, **block_kwargs):
        super().__init__()
        self.norm1 = nn.LayerNorm(hidden_size, elementwise_affine=False, eps=1e-6)
        self.attn = Attention(hidden_size, num_heads=num_heads, qkv_bias=True, **block_kwargs)
        self.norm2 = nn.LayerNorm(hidden_size, elementwise_affine=False, eps=1e-6)
        mlp_hidden_dim = int(hidden_size * mlp_ratio)
        approx_gelu = lambda: nn.GELU(approximate="tanh")
        self.mlp = Mlp(in_features=hidden_size, hidden_features=mlp_hidden_dim, act_layer=approx_gelu, drop=0)
        self.adaLN_modulation = nn.Sequential(
            nn.SiLU(),
            nn.Linear(hidden_size, 6 * hidden_size, bias=True)
        )

    def forward(self, x, c):
        shift_msa, scale_msa, gate_msa, shift_mlp, scale_mlp, gate_mlp = self.adaLN_modulation(c).chunk(6, dim=1)
        x = x + gate_msa.unsqueeze(1) * self.attn(modulate(self.norm1(x), shift_msa, scale_msa))
        x = x + gate_mlp.unsqueeze(1) * self.mlp(modulate(self.norm2(x), shift_mlp, scale_mlp))
        return x
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在这个 DiTBlock 类中，shift_msa、scale_msa、gate_msa、shift_mlp、scale_mlp 和 gate_mlp 是从 adaLN_modulation(c) 这一步中得到的，它们在具体功能上是有所区别的，虽然它们是通过同一个输入 c 生成的。

1. shift_msa 和 scale_msa 这两个变量与 Multi-Head Self-Attention (MSA) 模块的自适应层归一化（adaptive LayerNorm, adaLN）有关：

   • shift_msa: 这个变量用于平移 LayerNorm 的输出，也就是在归一化的基础上加上一个偏置。它在调节 MSA 模块的激活输出时用作偏移量。
   • scale_msa: 这个变量用于缩放 LayerNorm 的输出，即对归一化的结果乘以一个比例因子。它控制了 MSA 模块中激活的放大或缩小程度。

2. gate_msa: 这个变量是作为一个门控（gate）信号，作用于 MSA 模块的输出上。它决定了 MSA 模块输出在累加到 x 之前的权重。如果 gate_msa 很小，那么这个输出会被抑制；如果 gate_msa 接近1，则输出会如常累加。

3. shift_mlp 和 scale_mlp 这两个变量与 Pointwise Feedforward (MLP) 模块的自适应层归一化（adaLN）有关，类似于 shift_msa 和 scale_msa，但它们作用在 MLP 模块上：

   • shift_mlp: 用于平移 LayerNorm 的输出，在 MLP 模块中作为偏移量。
   • scale_mlp: 用于缩放 LayerNorm 的输出，在 MLP 模块中控制激活的放大或缩小。

4. gate_mlp: 类似于 gate_msa，但它控制的是 MLP 模块的输出。它决定了 MLP 模块输出在累加到 x 之前的权重。

这六个参数是否是相同的值？

在 adaLN_modulation(c) 中，c 经过一个 nn.Linear 层（即 nn.Linear(hidden_size, 6 * hidden_size, bias=True)），然后被 chunk(6, dim=1) 分成六个部分，分别得到 shift_msa、scale_msa、gate_msa、shift_mlp、scale_mlp 和 gate_mlp。

虽然这些变量来自于同一个线性层的输出，但由于 nn.Linear 层的权重在训练过程中是可学习的，并且是随机初始化的，因此这些权重会在训练过程中被更新为不同的值。

代替 Cross-attention 的 adaLN-Zero Block

那么为什用 adaLN-Zero 来代替 Cross-Attention 呢？主要是因为计算资源。（DiT 原文提到 Cross-attention adds the most Gflops to the model, roughly a 15% overhead.）

1. 什么是adaLN-Zero Block？
   adaLN-Zero Block是一种改进版的adaLN（Adaptive Layer Normalization）模块，主要用于扩散模型（Diffusion Model）中。它的核心思想是通过初始化技巧和引入额外的缩放参数，来加速模型训练并提高生成样本的质量。

2. 为什么引入adaLN-Zero Block？

   • 加速训练： 通过将残差块初始化为恒等映射，模型在训练初期更容易收敛，从而加快训练速度。
   • 提升性能： 引入维度缩放参数，使得模型能够学习到更具表达能力的特征表示，从而生成质量更高的样本。
   • 增强稳定性： 恒等初始化有助于稳定模型的训练过程，尤其对于深层模型。

3. adaLN-Zero Block的工作原理

   • 恒等初始化： 对于每个残差块的最后一个adaLN层，将缩放参数γ初始化为0。这使得该层在初始阶段相当于一个恒等映射，不会对输入数据进行缩放。
   • 维度缩放参数α： 在残差连接之前，引入一个维度缩放参数α，用于对特征进行缩放。这个参数是可学习的，能够自适应地调整特征的尺度。

4. 与传统adaLN的区别

   • 初始化方式不同： adaLN-Zero对缩放参数γ进行了特殊的初始化，而传统的adaLN通常使用随机初始化。
   • 参数数量增加： adaLN-Zero引入了额外的维度缩放参数α，增加了模型的参数数量。

5. 为什么有效？

   • 恒等初始化使得模型在训练初期能够快速学习到残差部分，从而加速训练过程。
   • 维度缩放参数提供了更大的灵活性，使得模型能够更好地适应不同尺度的特征。

最后也附上原文，便于对照理解。

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1. Peebles, William, and Saining Xie. “Scalable diffusion models with transformers.” Proceedings of the IEEE/CVF International Conference on Computer Vision. 2023. ↩︎