扩散模型(Diffusion Model)

扩散模型是一种深度生成模型,受非平衡热力学启发,通过逐步添加和移除噪声来生成数据。模型分为前向扩散(向数据添加噪声)和反向扩散(从噪声中恢复数据)。前向过程涉及马尔科夫链,而反向过程通过学习条件概率来实现。条件扩散模型允许根据给定条件控制生成过程,分为事后修改(Classifier-Guidance)和事前训练(Classifier-Free)两种方法。

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扩散模型(Diffusion Model)

Diffusion Model.

扩散模型 (Diffusion Model)是一类受到非平衡热力学 (non-equilibrium thermodynamics)启发的深度生成模型。这类模型首先定义前向扩散过程的马尔科夫链 (Markov Chain),向数据中逐渐地添加随机噪声;然后学习反向扩散过程,从噪声中构造所需的数据样本。扩散模型也是一类隐变量模型,其隐变量通常具有较高的维度(与原始数据相同的维度)。

扩散模型的主要优点:

  1. 目标函数为回归损失,训练过程平稳,容易训练;
  2. 与像素顺序无关的逐级自回归过程,图像生成质量高。

扩散模型的主要缺点:

  1. 采样速度慢,单次生成需要$T$步采样;
  2. 没有编码能力,无法编辑隐空间。

本文目录:

  1. 时间离散型扩散模型的基本原理
### 扩散模型概述 扩散模型是一种强大的生成模型,在机器学习领域内获得了广泛关注。这类模型通过逐步向数据添加噪声来学习复杂分布,并能够逆过程去噪以生成新的样本[^1]。 #### 工作原理 在扩散模型中,前向过程涉及将高斯噪声逐渐加入到初始数据点上;而反向过程中,则试图从未知的纯噪声状态恢复原始模式特征。此机制允许模型捕捉输入空间内的细微结构变化并有效模拟多模态现象。 ```python import torch.nn as nn class DiffusionModel(nn.Module): def __init__(self, timesteps=1000): super(DiffusionModel, self).__init__() self.timesteps = timesteps def forward_process(self, x_0): """Add noise to input over time steps.""" pass def reverse_process(self, noisy_x_t, timestep): """Remove noise from input at given step.""" pass ``` #### 应用场景 扩散模型已被应用于图像合成、语音处理等多个方面。特别是在计算机视觉任务里表现突出,比如超分辨率重建以及风格迁移等操作均能取得优异效果。此外,在自然语言处理方向也有着潜在的应用价值,可用于文本摘要生成或是翻译系统的改进工作之中。 #### 实现细节 为了构建一个有效的扩散模型框架,通常会采用变分自编码器(VAE)或流形映射的思想来进行设计。具体来说就是定义一系列连续的时间步长下的转换函数q(x_{t}|x_{t−1})用于描述加噪流程,同时估计p_theta(x_{T},...,x_0),即从最终含最大量随机性的表示回到原样貌的概率密度函数。这一系列计算往往依赖于深度神经网络完成参数化表达。
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