Stable diffusion文生图大模型——隐扩散模型原理解析

1、前言

本篇文章,我们将讲这些年非常流行的文生图大模型——Stable Diffusion。该模型也不难,甚至说很简单。创新点也相对较少,如果你学会了我以前的文章讲过的模型,学习这个也自然水到渠成!

视频:[Stable diffusion生成大模型——隐扩散模型原理解析-哔哩哔哩]

演示:

在这里插入图片描述

2、Stable Diffusion

2.1、隐空间扩散

在传统的扩散模型中,都是一上来就对图像就行加噪去噪。这种做法有一些难以避免的问题——效率。一方面,图像的像素如果非常大,那么计算量将是难以想象地;另一方面,我们在VAE那里说到过,图像之中,总是存在一些冗余地部分。我们直接拿图像去扩散,相当于也把那些冗余的部分也一起计算了。

所以,作者选择先把图像编码成一个维度相对较小的编码向量(或特征图)。然后再训练扩散模型

那么,该如何进行编码呢?答案就是使用VAE(详细请看VAE变分自编码器原理)。总所周知,使用VAE可以把图像编码成维度相对较小的向量(或特征图)

除此之外,就是使用离散化的编码器——VQGAN(详细请看VQGAN原理解析

这两种方法,都可以进行图像的压缩。压缩完成之后,在进行扩散过程

在这里插入图片描述

其中编码器对应图中的 E \mathcal{E} E,解码器对应 D \mathcal{D} D。也就是说,先把图像x通过 E \mathcal{E} E进行编码,再进行Diffusion Process

2.2、条件生成

如果你用过Stable Diffusion。就必然知道它可以进行条件生成。那么该如何把条件引入Diffusion里面呢?在Diffusion系列里面,我其实从没有讲过如何进行条件生成。

其实进行条件生成有一个很简单的理解方式。那就是直接采用下面的损失函数
L = ∣ ∣ ϵ − ϵ θ ( x t , t , y ) ∣ ∣ 2 (1) L=||\epsilon-\epsilon_\theta(x_t,t,y)||^2\tag{1} L=∣∣ϵϵθ(xt,t,y)2(1)
为什么可以这样?我们回忆一下DDPM里面的损失函数
L = ∣ ∣ ϵ − ϵ θ ( x t , t ) ∣ ∣ 2 (2) L=||\epsilon-\epsilon_\theta(x_t,t)||^2\tag{2} L=∣∣ϵϵθ(xt,t)2(2)
区别在哪里,那就是Eq.(1)里面神经网络的输入多加了一个条件y。这个条件y可以是标签,文本等等信息。

为什么多加了一个y就可以进行条件生成?

我们从一个比较简单的方面的来理解。在DDPM里面,我们层提到三种预测方式——均值、原始图像,噪声

我们最终只使用噪声而已。那假如我们预测的是原始图像呢?
L = ∣ ∣ x 0 − x θ ( x t , t ) ∣ ∣ 2 L=||x_0-x_\theta(x_t,t)||^2 L=∣∣x0xθ(xt,t)2
如果我们加入一个条件y
L = ∣ ∣ x 0 − x θ ( x t , t , y ) ∣ ∣ 2 L=||x_0-x_\theta(x_t,t,y)||^2 L=∣∣x0xθ(xt,ty)2
加入的一个条件y(比如假设它是图像的类别标签),这就意味着什么呢?意味着我们告诉了神经网络图像 x 0 x_0 x0的类别是什么。那么让神经网络去预测 x 0 x_0 x0,肯定会相对容易,因为神经网络已经知道了图像的类别,排除了其他类别图像的可能。

所以,对于预测噪声也是同理。那么Eq.(1)也是同理,加入一个条件y。更加有利于去噪。

2.3、损失函数和网络结构

对于DIffusion的网络结构,其实我从来没说过。我只讲了用神经网络去预测噪声。对网络结构这些东西,我以后打算出一个单独的系列来讲。

现在主要讲模型原理。但为了完整性。我还是简单讲一下吧。万一有些读者已经有这些方面的基础呢

那么网络的结构该如何呢?在DDPM中,其实用的是U-Net结构的神经网络去预测噪声。在Stable Diffusion里面的,也沿用了这个结构。

我们前面说过,要给预测噪声的神经网络加入条件。但我们不是纯粹的把条件直接送进去。而是对条件进行编码表征之后再送进去。我们用 T θ ( y ) \mathcal{T}_\theta(y) Tθ(y)表示把条件编码成对应的中间表征。所以损失函数变成了这样
L L D M = E E ( x ) , ϵ ∼ N ( 0 , 1 ) , t [ ∣ ∣ ϵ − ϵ θ ( z t , t , T θ ( y ) ∣ ∣ 2 ] L_{LDM}=\mathbb{E}_{{\mathcal{E}(x)},\epsilon\sim \mathcal{N}(0,1),t}\left[||\epsilon-\epsilon_\theta(z_t,t,\mathcal{T}_\theta(y)||^2\right] LLDM=EE(x),ϵN(0,1),t[∣∣ϵϵθ(zt,t,Tθ(y)2]
其中, z t z_t zt E \mathcal{E} E编码得到图像加噪之后的结果。t代表时刻。

除此之外,如果你看了上面那张图,就能看到有一个Q,K,V的东西。那其实自注意力机制。这玩意儿是Transformer里面的。原本属于自然语言处理那边的。我打算以后分出一个系列讲自然语言处理。

在这里我简单讲一下,如果你会Transformer,应该不会陌生。如果不会,你听了估计也不会明白,我在这里不深入讲。讲到自然语言处理再讲

下面我们来简单过一下。对于里面的Q,K,V。计算如下
Q = W Q ( i ) ⋅ ϕ i ( z t ) , K = W k ( i ) ⋅ T θ ( y ) , V = W V ( i ) ⋅ T θ ( y ) Q=W^{(i)}_Q\cdot\phi_i(z_t),K=W_k^{(i)}\cdot \mathcal{T}_\theta(y),V=W_V^{(i)}\cdot\mathcal{T_{\theta}}(y) Q=WQ(i)ϕi(zt),K=Wk(i)Tθ(y),V=WV(i)Tθ(y)
其中, ϕ i ( z t ) \phi_i(z_t) ϕi(zt)是预测 ϵ θ \epsilon_\theta ϵθ的U-Net的中间表征。

那么,里面的 T θ \mathcal{T}_\theta Tθ究竟是什么呢?这要看具体情况,要根据具体特定领域而选择。比如当y是文本时,我们可以使用Transformer,或者使用CLIP等等。要根据具体情况而定。

2.4、训练

对于Stable Diffusion的训练。DIffusion和编码解码部分,并不是并行训练。

而是先训练好一个编码器和解码器。然后在训练Diffusion。对于条件的编码,一般情况下也是要一个训练好的,而不是跟着Diffusion一起训练。

2.5、采样

很简单,从高斯分布中采样一个 z T z_T zT,然后设置条件。慢慢去噪。到了 z 0 z_0 z0之后,使用解码器,就可以得到图像

3、结束

本篇文章到此结束,如有问题,还望指出。阿里嘎多!

在这里插入图片描述

<think>嗯,用户已经明确表达了想从入门到高阶系统学习StableDiffusion的需求,参考了提供的4条引用材料。需要整合这些资源构建阶梯学习路径。引用[3]其实是最基础但核心的知识点。应该从这里切入,先讲清楚潜在扩散模型的概念和基本原理,这是入门的关键。用户提到的配置问题引用[3]最后也有提到。引用[1]的学习路线价值在于知识体系完整性。我的学习路径第一部分参考这个设计成三级进阶结构,确保用户不会遗漏关键模块。特别是提示工程这个实用环节,很多教程会忽略。引用[2]的AmazonSageMaker实例很有价值——当用户掌握基础后,云平台能解决本地配置限制的问题。准备在实践环节重点推荐这个工具,它的GPU资源对高阶训练很实用。引用[4]对比了主流工具。考虑让用户先专注SD,掌握后再拓展到Midjourney比较合理。不过当前回复可以暂时不提这点。观察到用户特别标注"机器学习/深度学习",说明有技术深入意愿。在第三阶段特意加入原理解析环节,准备解释扩散过程、VAE等概念。但要注意用视觉化表达,避免数学公吓退初学者。实操性可能最重要——所以每个阶段都设置了输出成果检验点,比如第一阶段结束时能产出特定风格的片。在构建内容时,特别在入门阶段给出了具体的启动步骤和参数设置。</think> 基于您的学习目标,我将构建一个系统的Stable Diffusion学习路径,结合核心技术和实践资源: --- ### **Stable Diffusion 系统学习路线** #### **第一阶段:基础入门**(1-2周) 1. **核心概念理解** - 扩散模型原理:理解像如何从噪声逐步生成(正向/逆向扩散过程)[^3] - 潜空间(Latent Space):$z = \text{Encoder}(x)$,实现高效计算的关键 - 文生(Text-to-Image):提示词(Prompt)结构与权重控制 2. **环境搭建** - 本地部署:推荐 [AutoDL](https://www.autodl.com/) 云平台(免配置) - 云端实践:Amazon SageMaker [Stable Diffusion实验](https://aws.amazon.com/cn/sagemaker/)[^2] ```bash # 典型启动命令(WebUI) python launch.py --precision full --no-half ``` 3. **初阶实操** - 生成第一张:基础提示词构造(主体+风格+质量词) - 参数调整:采样步数(20-30)、CFG值(7-12)、种子控制 #### **第二阶段:技能进阶**(2-4周) 1. **精准控制技术** - 像到像(img2img):通过$ \text{noise} = \eta \cdot \text{init\_image} + \sqrt{1-\eta^2} \cdot z$ 控制重构强度 - ControlNet应用:边缘检测/深度/人体姿态控制 - LoRA微调:用5-20张定制专属风格 2. **提示词工程** - 结构化模板:`[主体][细节][环境][风格][画质][负向词]` - 嵌入向量分析:CLIP ViT-L/14文本编码器可视化 3. **工作流优化** - 高清修复:HiRes Fix双阶段生成 - 批量生成:X/Y/Z表对比参数效果 #### **第三阶段:高阶开发**(4周+) 1. **源码级理解** ```python # 扩散过程核心简化代码 for t in reversed(range(T)): noise_pred = unet(latents, t, text_embeddings) latents = scheduler.step(noise_pred, t, latents) ``` - 剖析U-Net结构:残差块与注意力层交互 2. **模型训练实战** - Dreambooth训练:`accelerate launch --num_processes=1 train_dreambooth.py` - 数据集构建:清洗+标注+增强规范 3. **工程化部署** - TensorRT加速:推理速度提升3-5倍 - API服务化:Flask + Docker容器部署 --- ### **精选学习资源** | 类型 | 资源 | 特点 | |------|------|------| | **入门指南** | [Stable Diffusion新手0基础入门PDF](https://example.com/sd-basic)[^1] | 文并茂的快速启动 | | **云端实验** | [AWS云上探索实验室](https://aws.amazon.com/cn/)[^2] | 免配置GPU环境 | | **技术解析** | 论文《High-Resolution Image Synthesis with Latent Diffusion Models》 | 掌握核心算法 | | **社区支持** | [CivitAI](https://civitai.com/)模型库 | 数千个预训练模型 | --- ### **学习注意事项** 1. **硬件选择** - 入门:4GB显存+8GB内存(云端优先) - 训练:RTX 3090(24GB)起推荐 2. **学习路径** ```mermaid graph LR A[基础操作] --> B[参数优化] B --> C[ControlNet] C --> D[模型微调] D --> E[源码改造] ``` 3. 避免误区:不必精通全部数学原理(如$ \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \theta} $),重在实际应用
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