Modele dyfuzyjne stały się potężnym podejściem w generatywnej sztucznej inteligencji, generując najnowocześniejsze rezultaty w generowaniu obrazu, dźwięku i wideo. W tym dogłębnym artykule technicznym przyjrzymy się, jak działają modele dyfuzyjne, ich kluczowym innowacjom i przyczynom ich sukcesu. Omówimy podstawy matematyczne, proces uczenia, algorytmy próbkowania i najnowocześniejsze zastosowania tej ekscytującej nowej technologii.
Wprowadzenie do modeli dyfuzyjnych
Modele dyfuzyjne są klasą modeli generatywnych, które uczą się stopniowo odszumiać dane poprzez odwrócenie procesu dyfuzji. Podstawowym pomysłem jest rozpoczęcie od czystego szumu i iteracyjne udoskonalanie go do wysokiej jakości próbki z docelowego rozkładu.
To podejście zostało zainspirowane termodynamiką nierównowagową – konkretnie procesem odwracania dyfuzji w celu odzyskania struktury. W kontekście uczenia maszynowego możemy to postrzegać jako uczenie się odwracania stopniowego dodawania szumu do danych.
Do najważniejszych zalet modeli dyfuzyjnych zalicza się:
Najnowocześniejsza jakość obrazu, w wielu przypadkach przewyższająca sieci GAN
Stabilny trening bez dynamiki antagonistycznej
Wysoce paralelizowalny
Elastyczna architektura – można użyć dowolnego modelu, który mapuje dane wejściowe na dane wyjściowe o tej samej wymiarowości
Mocne podstawy teoretyczne
Przyjrzyjmy się bliżej, jak działają modele dyfuzji.
Równania różniczkowe stochastyczne rządzą procesami do przodu i do tyłu w modelach dyfuzji. Do przodu równanie różniczkowe dodaje szum do danych, stopniowo przekształcając je w rozkład szumu. Odwrotne równanie różniczkowe, kierowane przez wyuczoną funkcję wyniku, stopniowo usuwa szum, co prowadzi do generowania realistycznych obrazów z losowego szumu. To podejście jest kluczowe dla osiągnięcia wysokiej jakości wydajności generatywnej w ciągłych przestrzeniach stanów.
Proces dyfuzji do przodu
Proces dyfuzji do przodu rozpoczyna się od punktu danych x₀ pobranego z rzeczywistego rozkładu danych, a następnie stopniowo dodaje szum Gaussa w ciągu T kroków czasowych, aby wytworzyć wersje o rosnącym poziomie szumu x₁, x₂, …, xT.
W każdym kroku czasowym t dodajemy niewielką ilość szumu zgodnie z:
x_t = √(1 - β_t) * x_{t-1} + √(β_t) * ε
Gdzie:
β_t jest harmonogramem wariancji, który kontroluje, ile szumu jest dodawane na każdym etapie
ε jest losowym szumem gaussowskim
Proces ten jest kontynuowany do momentu, aż xT stanie się niemal czystym szumem gaussowskim.
Matematycznie możemy to opisać jako łańcuch Markowa:
Harmonogram β_t jest zazwyczaj wybierany jako mały dla wczesnych kroków czasowych i zwiększany z czasem. Typowe wybory obejmują harmonogramy liniowe, cosinusowe lub sigmoidalne.
Proces dyfuzji odwrotnej
Celem modelu dyfuzyjnego jest nauczenie się odwrotnej strony tego procesu – rozpoczęcia od czystego szumu xT i stopniowego odszumiania go w celu odzyskania czystej próbki x₀.
Modelujemy ten odwrotny proces w następujący sposób:
Gdzie μ_θ i σ_θ^2 to funkcje poznane (zwykle sieci neuronowe) sparametryzowane przez θ.
Kluczową innowacją jest to, że nie musimy jawnie modelować pełnego rozkładu odwrotnego. Zamiast tego możemy go sparametryzować w kategoriach procesu w przód, który znamy.
Dokładniej rzecz biorąc, możemy pokazać, że optymalna średnia procesu odwrotnego μ* wynosi:
Architektura U-Net jest kluczowa dla etapu odszumiania w modelu dyfuzji. Posiada strukturę kodera-dekodera z połączeniami pomijającymi, które pomagają zachować drobne szczegóły podczas procesu rekonstrukcji. Koder stopniowo zmniejsza próbkowanie obrazu wejściowego, przechwytując jednocześnie cechy wysokiego poziomu, a dekoder zwiększa próbkowanie zakodowanych cech w celu rekonstrukcji obrazu. Ta architektura jest szczególnie skuteczna w zadaniach wymagających precyzyjnej lokalizacji, takich jak segmentacja obrazu.
Sieć przewidywania hałasu ε_θ może używać dowolnej architektury, która mapuje wejścia na wyjścia o tej samej wymiarowości. Architektury w stylu U-Net są popularnym wyborem, szczególnie w przypadku zadań generowania obrazu.
Próbkowanie skrócone:Zatrzymuje się wcześniej, aby przyspieszyć generację
Oto podstawowa implementacja algorytmu próbkowania:
def sample(model, n_samples, device):
# Start with pure noise
x = torch.randn(n_samples, 3, 32, 32).to(device)
for t in reversed(range(1000)):
# Add noise to create x_t
t_batch = torch.full((n_samples,), t, device=device)
noise = torch.randn_like(x)
x_t = add_noise(x, noise, t)
# Predict and remove noise
pred_noise = model(x_t, t_batch)
x = remove_noise(x_t, pred_noise, t)
# Add noise for next step (except at t=0)
if t > 0:
noise = torch.randn_like(x)
x = add_noise(x, noise, t-1)
return x
Matematyka stojąca za modelami dyfuzji
Aby w pełni zrozumieć modele dyfuzji, kluczowe jest dogłębne poznanie matematyki, która je stanowi. Przyjrzyjmy się bliżej kilku kluczowym koncepcjom:
Łańcuch Markowa i stochastyczne równania różniczkowe
Proces dyfuzji do przodu w modelach dyfuzji można postrzegać jako łańcuch Markowa lub, w granicy ciągłej, jako stochastyczne równanie różniczkowe (SDE). Formuła SDE zapewnia potężne ramy teoretyczne do analizowania i rozszerzania modeli dyfuzji.
Do przodu SDE można zapisać w następujący sposób:
dx = f(x,t)dt + g(t)dw
Gdzie:
f(x,t) jest wyrazem dryfu
g(t) jest współczynnikiem dyfuzji
dw jest procesem Wienera (ruchem Browna)
Różne wybory f i g prowadzą do różnych typów procesów dyfuzyjnych. Na przykład:
Zrozumienie tych błędów pomiarowych pozwala nam na opracowanie optymalnych strategii pobierania próbek i rozszerzenie modeli dyfuzji na nowe domeny.
Dopasowywanie wyników i usuwanie szumów Dopasowywanie wyników
Połączenie między modelami dyfuzji i dopasowaniem wyników zapewnia inną cenną perspektywę. Funkcja wyników jest zdefiniowana jako gradient gęstości logarytmu prawdopodobieństwa:
s(x) = ∇x log p(x)
Dopasowanie wyników denoisingu ma na celu oszacowanie tej funkcji wyników poprzez trenowanie modelu w celu denoisingu lekko zaburzonych punktów danych. Ten cel okazuje się równoważny celowi szkolenia modelu dyfuzji w granicy ciągłej.
Dzięki temu połączeniu możemy wykorzystać techniki generatywnego modelowania opartego na wynikach, takie jak wyżarzana dynamika Langevina do próbkowania.
Zaawansowane techniki treningowe
Próbkowanie ważności
Standardowy model dyfuzji szkoleniowy pobiera próbki kroków czasowych równomiernie. Jednak nie wszystkie kroki czasowe są równie ważne dla nauki. Techniki pobierania próbek ważności można wykorzystać do skupienia treningu na najbardziej informacyjnych krokach czasowych.
Jednym ze sposobów jest wykorzystanie nierównomiernego rozkładu w przedziałach czasowych, ważonego oczekiwaną normą L2 wyniku:
p(t) ∝ E[||s(x_t, t)||²]
Może to przyspieszyć szkolenie i poprawić jakość próbki.
Destylacja progresywna
Destylacja progresywna to technika tworzenia szybszych modeli próbkowania bez poświęcania jakości. Proces działa w następujący sposób:
Trenuj model dyfuzji bazowej z wieloma krokami czasowymi (np. 1000)
Utwórz model ucznia z mniejszą liczbą kroków czasowych (np. 100)
Naucz ucznia, jak dopasować proces usuwania szumów do modelu bazowego
Powtórz kroki 2-3, stopniowo skracając czas
Dzięki temu możliwe jest generowanie sygnału wysokiej jakości przy znacznie mniejszej liczbie kroków odszumiania.
Innowacje architektoniczne
Modele dyfuzyjne oparte na transformatorach
Podczas gdy architektury U-Net były popularne w modelach dyfuzji obrazu, ostatnie prace badały wykorzystanie architektur transformatorowych. Transformatory oferują kilka potencjalnych zalet:
Lepsze zarządzanie zależnościami dalekiego zasięgu
Bardziej elastyczne mechanizmy warunkowania
Łatwiejsze skalowanie do większych rozmiarów modeli
Modele takie jak DiT (Transformatory dyfuzyjne) wykazały obiecujące wyniki, potencjalnie otwierając drogę do jeszcze lepszej jakości produkcji.
Hierarchiczne modele dyfuzji
Hierarchiczne modele dyfuzji generują dane w wielu skalach, umożliwiając zarówno globalną spójność, jak i szczegółowe szczegóły. Proces ten zazwyczaj obejmuje:
Generowanie danych wyjściowych o niskiej rozdzielczości
Stopniowe próbkowanie i rafinowanie
Podejście to może być szczególnie skuteczne w przypadku generowania obrazów o wysokiej rozdzielczości lub treści o długiej formie.
Zaawansowane tematy
Przewodnik bez klasyfikatorów
Wskazówki bez klasyfikatorów jest techniką poprawiającą jakość i sterowalność próbek. Kluczowym pomysłem jest trenowanie dwóch modeli dyfuzji:
Model bezwarunkowy p(x_t)
Model warunkowy p(x_t | y), gdzie y jest pewną informacją warunkową (np. tekst zachęty)
Podczas pobierania próbek dokonujemy interpolacji pomiędzy tymi modelami:
ε_θ = (1 + w) * ε_θ(x_t | y) - w * ε_θ(x_t)
Gdzie w > 0 jest skalą pomocniczą, która kontroluje, jak bardzo należy podkreślać model warunkowy.
Pozwala to na silniejsze warunkowanie bez konieczności ponownego trenowania modelu. Miało to kluczowe znaczenie dla sukcesu modeli przetwarzania tekstu na obraz, takich jak DALL-E 2 i Stable Diffusion.
Model dyfuzji utajonej (LDM) proces obejmuje kodowanie danych wejściowych do przestrzeni ukrytej, w której zachodzi proces dyfuzji. Model stopniowo dodaje szum do ukrytej reprezentacji obrazu, co prowadzi do wygenerowania zaszumionej wersji, która jest następnie odszumiana przy użyciu architektury U-Net. U-Net, kierowany przez mechanizmy uwagi krzyżowej, integruje informacje z różnych źródeł warunkowania, takich jak mapy semantyczne, tekst i reprezentacje obrazu, ostatecznie rekonstruując obraz w przestrzeni pikseli. Ten proces jest kluczowy w generowaniu wysokiej jakości obrazów o kontrolowanej strukturze i pożądanych atrybutach.
Daje to szereg korzyści:
Szybsze szkolenie i pobieranie próbek
Lepsze przetwarzanie obrazów o wysokiej rozdzielczości
Łatwiejsze włączanie kondycjonowania
Proces działa w następujący sposób:
Naucz autokoder kompresować obrazy do przestrzeni ukrytej
Wytrenuj model dyfuzji w tej przestrzeni ukrytej
Do generowania, próbkuj w przestrzeni utajonej i dekoduj do pikseli
Podejście to okazało się bardzo skuteczne i stanowi podstawę takich modeli jak stabilna dyfuzja.
Modele spójności
Modele spójności to niedawna innowacja, której celem jest poprawa szybkości i jakości modeli dyfuzji. Kluczowym pomysłem jest wytrenowanie pojedynczego modelu, który może mapować dowolny poziom szumu bezpośrednio na wynik końcowy, zamiast wymagać iteracyjnego odszumiania.
Osiąga się to dzięki starannie zaprojektowanej funkcji strat, która wymusza spójność między prognozami przy różnych poziomach szumu. Rezultatem jest model, który może generować wysokiej jakości próbki w jednym przejściu do przodu, co znacznie przyspiesza wnioskowanie.
Praktyczne wskazówki dotyczące modeli dyfuzji szkoleniowej
Szkolenie wysokiej jakości modeli dyfuzji może być trudne. Oto kilka praktycznych wskazówek, jak poprawić stabilność i wyniki szkolenia:
Przycinanie gradientowe:Używaj przycinania gradientu, aby zapobiec gwałtownym wzrostom gradientów, zwłaszcza na wczesnym etapie szkolenia.
EMA wag modelu:Utrzymuj wykładniczą średnią ruchomą (EMA) wag modelu do próbkowania, co może prowadzić do bardziej stabilnej i wyższej jakości generacji.
Powiększanie danych:W przypadku modeli obrazów proste rozszerzenia, takie jak losowe odbicia poziome, mogą poprawić generalizację.
Harmonogram hałasu: Eksperymentuj z różnymi harmonogramami szumów (liniowym, cosinusoidalnym, sigmoidalnym), aby znaleźć taki, który najlepiej sprawdza się w przypadku Twoich danych.
Mieszany trening precyzyjny:Używaj treningu o mieszanej precyzji, aby zmniejszyć zużycie pamięci i przyspieszyć trening, zwłaszcza w przypadku dużych modeli.
Generacja warunkowa:Nawet jeśli Twoim celem końcowym jest generowanie bezwarunkowe, trening z warunkowaniem (np. na klasach obrazów) może poprawić ogólną jakość próbki.
Ocena modeli dyfuzji
Prawidłowa ocena modeli generatywnych jest kluczowa, ale trudna. Oto kilka typowych metryk i podejść:
Odległość początkowa Frécheta (FID)
FID jest szeroko stosowaną metryką służącą do oceny jakości i różnorodności generowanych obrazów. Porównuje statystyki wygenerowanych próbek z rzeczywistymi danymi w przestrzeni cech wstępnie wytrenowanego klasyfikatora (zwykle InceptionV3).
Niższe wyniki FID wskazują na lepszą jakość i bardziej realistyczne rozkłady. Jednak FID ma ograniczenia i nie powinien być jedynym stosowanym wskaźnikiem.
Wynik początkowy (IS)
Wynik inicjacji mierzy zarówno jakość, jak i różnorodność generowanych obrazów. Używa wstępnie wytrenowanej sieci Inception do obliczenia:
IS = exp(E[KL(p(y|x) || p(y))])
Gdzie p(y|x) jest warunkowym rozkładem klas dla wygenerowanego obrazu x.
Wyższy współczynnik IS wskazuje na lepszą jakość i różnorodność, ale ma też swoje ograniczenia, zwłaszcza w przypadku zbiorów danych znacznie różniących się od ImageNet.
W przypadku modeli dyfuzyjnych możemy obliczyć ujemną logarytmiczną wiarygodność danych zatrzymanych. Zapewnia to bezpośredni pomiar tego, jak dobrze model pasuje do rzeczywistego rozkładu danych.
Jednakże dokładne oszacowanie NLL w przypadku danych wielowymiarowych może być kosztowne obliczeniowo.
Ocena człowieka
W przypadku wielu aplikacji, zwłaszcza kreatywnych, ocena człowieka pozostaje kluczowa. Może to obejmować:
Porównania bezpośrednie z innymi modelami
Oceny w stylu testu Turinga
Oceny specyficzne dla zadania (np. podpisywanie obrazów w modelach tekst-obraz)
Choć ocena subiektywna, dokonywana przez człowieka jest w stanie uchwycić aspekty jakości, których nie dostrzegają automatyczne pomiary.
Modele dyfuzyjne w produkcji
Wdrażanie modeli dyfuzji w środowiskach produkcyjnych stwarza wyjątkowe wyzwania. Oto kilka uwag i najlepszych praktyk:
Optymalizacja dla wnioskowania
Eksport ONNX:Konwertuj modele do formatu ONNX w celu szybszego wnioskowania na różnym sprzęcie.
Kwantyzacja:Wykorzystaj techniki takie jak kwantyzacja INT8 w celu zmniejszenia rozmiaru modelu i zwiększenia szybkości wnioskowania.
buforowanie:W przypadku modeli warunkowych buforuj wyniki pośrednie dla modelu bezwarunkowego, aby przyspieszyć wskazówki bez klasyfikatora.
Przetwarzanie wsadowe:Wykorzystaj przetwarzanie wsadowe w celu efektywnego wykorzystania zasobów GPU.
Skalowanie
Wnioskowanie rozproszone:W przypadku aplikacji o wysokiej przepustowości należy wdrożyć rozproszone wnioskowanie na wielu procesorach GPU lub maszynach.
Próbkowanie adaptacyjne: Dynamicznie dostosuj liczbę kroków próbkowania na podstawie pożądanego kompromisu pomiędzy jakością i szybkością.
Pokolenie postępowe:W przypadku dużych wyników (np. obrazów o wysokiej rozdzielczości) generuj stopniowo od niskiej do wysokiej rozdzielczości, aby szybciej uzyskać początkowe rezultaty.
Bezpieczeństwo i filtrowanie
Filtrowanie zawartości:Wdrożenie solidnych systemów filtrowania treści w celu zapobiegania tworzeniu szkodliwych lub nieodpowiednich treści.
Znak wodny: Rozważ dodanie niewidocznych znaków wodnych do generowanej treści, aby umożliwić jej śledzenie.
Zastosowania
Modele dyfuzyjne okazały się skuteczne w szerokim zakresie zadań generatywnych:
Generowanie obrazu
Generowanie obrazu to miejsce, w którym modele dyfuzji zyskały na znaczeniu. Oto kilka godnych uwagi przykładów:
DALL-E3:Model tekstu na obraz OpenAI łączący koder tekstu CLIP z dekoderem obrazu dyfuzyjnego
Stabilna dyfuzja:Model dyfuzji ukrytej typu open source do generowania tekstu na obraz
Obraz:Model Google’a dyfuzji tekstu do obrazu
Modele te umożliwiają generowanie niezwykle realistycznych i kreatywnych obrazów z opisów tekstowych, co przewyższa poprzednie podejścia bazujące na sieciach GAN.
Generowanie wideo
Modele dyfuzyjne zastosowano również do generowania wideo:
Modele dyfuzji wideo:Generowanie wideo poprzez traktowanie czasu jako dodatkowego wymiaru w procesie dyfuzji
Zrób wideo:Model dyfuzji tekstu do wideo firmy Meta
Obraz wideo:Model Google’a umożliwiający konwersję tekstu na wideo
Modele te potrafią generować krótkie klipy wideo z opisów tekstowych, otwierając nowe możliwości tworzenia treści.
Generacja 3D
Najnowsze prace rozszerzyły modele dyfuzji o generację 3D:
DreamFusion:Generowanie tekstu do 3D przy użyciu modeli dyfuzji 2D
Punkt:Model dyfuzji chmury punktów OpenAI do generowania obiektów 3D
Podejścia te pozwalają na tworzenie zasobów 3D z opisów tekstowych, które znajdują zastosowanie w grach, VR/AR i projektowaniu produktów.
Wyzwania i przyszłe kierunki
Chociaż modele dyfuzji odniosły znaczący sukces, nadal istnieje kilka wyzwań i obszarów wymagających dalszych badań:
Wydajność obliczeniowa
Iteracyjny proces próbkowania modeli dyfuzji może być powolny, szczególnie w przypadku wyników o wysokiej rozdzielczości. Podejścia takie jak modele utajonej dyfuzji i spójności mają na celu rozwiązanie tego problemu, ale dalsze usprawnienia wydajności są aktywnym obszarem badań.
Kontrolowalność
Chociaż techniki takie jak naprowadzanie bez klasyfikatorów poprawiły sterowalność, wciąż pozostaje wiele do zrobienia, aby umożliwić bardziej szczegółową kontrolę nad generowanymi wynikami. Jest to szczególnie ważne w przypadku aplikacji kreatywnych.
Generacja multimodalna
Obecne modele dyfuzji są doskonałe w generowaniu pojedynczej modalności (np. obrazy lub dźwięk). Opracowywanie prawdziwie multimodalnych modeli dyfuzji, które mogą płynnie generować w różnych modalnościach, jest ekscytującym kierunkiem przyszłych prac.
Rozumienie teoretyczne
Chociaż modele dyfuzji dają silne wyniki empiryczne, wciąż pozostaje wiele do zrozumienia, dlaczego działają tak dobrze. Pogłębienie wiedzy teoretycznej może prowadzić do dalszych udoskonaleń i nowych zastosowań.
Podsumowanie
Modele dyfuzyjne stanowią krok naprzód w generatywnej AI, oferując wysokiej jakości wyniki w wielu modalnościach. Ucząc się odwracania procesu dodawania szumu, zapewniają elastyczne i teoretycznie ugruntowane podejście do generowania.
Od narzędzi kreatywnych po symulacje naukowe, możliwość generowania złożonych, wielowymiarowych danych ma potencjał transformacji wielu dziedzin. Ważne jest jednak, aby podchodzić do tych potężnych technologii z rozwagą, biorąc pod uwagę zarówno ich ogromny potencjał, jak i wyzwania etyczne, jakie ze sobą niosą.
Ostatnie pięć lat spędziłem zanurzając się w fascynującym świecie uczenia maszynowego i głębokiego uczenia się. Moja pasja i wiedza sprawiły, że uczestniczyłem w ponad 50 różnorodnych projektach z zakresu inżynierii oprogramowania, ze szczególnym uwzględnieniem AI/ML. Moja ciągła ciekawość przyciągnęła mnie również w stronę przetwarzania języka naturalnego – dziedziny, którą chcę dalej zgłębiać.