DDPM（Denoising Diffusion Probabilistic Models，去噪扩散概率模型）

jerwey

已于 2025-05-13 15:09:01 修改

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文章标签：人工智能计算机视觉 DDPM

于 2025-05-07 16:49:31 首次发布

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DDPM即去噪扩散概率模型（Denoising Diffusion Probabilistic Models），是一种生成式模型，在图像生成、视频生成等领域有广泛应用。以下是其详细介绍：

DDPM的核心思想是通过在数据上逐步添加噪声来破坏数据，然后学习一个逆过程，从噪声中恢复出原始数据。这个过程基于马尔可夫链，将数据的生成看作是从噪声中逐步采样并去噪的过程。
前向过程（正向扩散）：从干净的图像 $x_0$ 开始，通过不断地添加高斯噪声，逐步将图像转化为纯噪声 $x_T$ 。在每一步 $t$ ，根据给定的噪声 schedule（通常是一个固定的方差序列），按照公式 $q(xt∣xt−1)=N(xt;1−βtxt−1,βtI)q(x_t|x_{t - 1}) = \mathcal{N}(x_t; \sqrt{1 - \beta_t}x_{t - 1}, \beta_t\mathbf{I})$ 来添加噪声，其中 $βt\beta_t$ 是第 $t$ 步的噪声方差， $N\mathcal{N}$ 表示高斯分布。
反向过程（逆向去噪）：学习一个神经网络（通常是U-Net结构）来估计在给定噪声图像 $x_t$ 的情况下，前一步干净图像 $x_{t - 1}$ 的条件分布 $pθ(xt−1∣xt)p_{\theta}(x_{t - 1}|x_t)$ 。通过最小化重建损失等目标函数来训练这个神经网络，使得它能够逐渐从噪声中恢复出原始图像。

DDPM通常使用U-Net作为其核心的神经网络架构。U-Net具有编码器和解码器结构，中间通过跳跃连接（skip connections）相连。编码器部分用于提取图像的特征，随着网络层数的加深，特征图的分辨率逐渐降低，通道数逐渐增加；解码器部分则是将低分辨率、高通道数的特征图逐步上采样，恢复出原始图像的分辨率，同时利用跳跃连接来融合编码器不同层次的特征，以更好地重建图像细节。

训练：在训练过程中，从数据集中随机采样图像，然后按照正向扩散过程添加噪声，将噪声图像和对应的时间步 $t$ 作为输入，将原始干净图像作为目标，训练神经网络来最小化预测的去噪图像与真实干净图像之间的损失，常用的损失函数有均方误差（MSE）等。
采样：在生成阶段，从纯噪声 $x_T$ 开始，按照训练好的反向去噪过程，逐步从 $pθ(xt−1∣xt)p_{\theta}(x_{t - 1}|x_t)$ 中采样，经过 $T$ 步的采样，最终得到生成的图像 $x_0$ 。

DDPM为生成式模型的发展提供了新的思路和方法，其后续也有许多改进和扩展的工作，推动了生成式模型在更多领域的应用和发展。

DDPM（Denoising Diffusion Probabilistic Models，去噪扩散概率模型）是一种基于扩散过程的生成模型，通过逐步添加和去除噪声来学习数据分布并生成高质量样本。以下是其核心原理和特点：

DDPM通过两个马尔可夫链过程实现生成：

前向扩散过程（Forward Process）：
对输入数据 $x_0$ 逐步添加高斯噪声，经过 $T$ 步后转化为纯噪声 $x_T$ 。每一步的加噪公式为：
$xt=αtxt−1+1−αtϵt,ϵt∼N(0,I)x_t = \sqrt{\alpha_t}x_{t-1} + \sqrt{1-\alpha_t}\epsilon_t, \quad \epsilon_t \sim \mathcal{N}(0, I)$
其中 $αt\alpha_t$ 是预定义的噪声调度参数（如线性插值），控制噪声添加的强度。
反向去噪过程（Reverse Process）：
训练一个神经网络（通常为U-Net）预测噪声 $ϵθ(xt,t)\epsilon_\theta(x_t, t)$ ，逐步从 $x_T$ 恢复原始数据 $x_0$ 。每一步的生成公式为：
$xt−1=1αt(xt−1−αt1−αˉtϵθ(xt,t))+σtz,z∼N(0,I)x_{t-1} = \frac{1}{\sqrt{\alpha_t}}\left(x_t - \frac{1-\alpha_t}{\sqrt{1-\bar{\alpha}_t}}\epsilon_\theta(x_t, t)\right) + \sigma_t z, \quad z \sim \mathcal{N}(0, I)$
其中 $αˉt=∏s=1tαs\bar{\alpha}_t = \prod_{s=1}^t \alpha_s$ ， $σt\sigma_t$ 为噪声方差。

目标：最小化预测噪声与真实噪声的均方误差（MSE）：
$L(θ)=Ex0,t,ϵ[∥ϵ−ϵθ(xt,t)∥2]L(\theta) = \mathbb{E}_{x_0,t,\epsilon} \left[ \|\epsilon - \epsilon_\theta(x_t, t)\|^2 \right]$
通过重参数化技巧直接优化噪声预测。
高效训练：利用重参数化直接从 $x_0$ 计算任意 $x_t$ ，避免逐步采样噪声。