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人工智能圖像生成的工作原理:擴散模型解析
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DALL-E、Midjourney 和 Stable Diffusion 等工具使用擴散模型創建圖像:神經網絡經過訓練,可以將圖像轉換為隨機噪聲,然後反轉該過程。要生成新圖像,網絡從純噪聲開始,由文本提示引導,逐步去除噪聲,直到出現連貫的圖像。
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從 2022 年開始出現的多款人工智能圖像生成器,包括 OpenAI 的 DALL-E 2、Midjourney 和 Stability AI 的 Stable Diffusion,都是基於一種稱為擴散的技術建立的。與其逐筆繪製圖像不同,這些系統學會反轉一個數學過程,該過程逐漸用噪聲破壞圖像,然後從隨機靜態開始反向運行該過程。
核心理念:學習消除噪聲
圖像生成的擴散模型在 Jonathan Ho、Ajay Jain 和 Pieter Abbeel 的 2020 年論文《去噪擴散概率模型》(Denoising Diffusion Probabilistic Models) 中正式確立,該論文發佈在研究存儲庫 arXiv 上。該方法據稱受到非平衡熱力學的啟發,分兩個階段進行。在「前向」階段(僅在訓練期間使用),將少量隨機(高斯)噪聲分多個步驟添加到真實照片中,直到圖像與靜態無法區分。在「反向」階段,神經網絡被訓練來預測和減去該噪聲,逐步進行,直到原始圖像被恢復。
經過訓練後,網絡不再需要從真實照片開始。它可以從純隨機噪聲畫布開始,並運行它在訓練期間學習的相同去噪步驟,產生一個以前不存在的全新圖像。2020 年的論文報告稱,在名為 CIFAR-10 的數據集上,其模型達到了強勁的圖像質量分數,在更大的 256x256 圖像上,與 ProgressiveGAN(一種基於不同架構的早期生成技術)的樣本質量相匹配。
神經網絡工作的地方:U-Net 和文本引導
執行去噪的網絡通常是 U-Net,一種將圖像縮小以捕捉整體結構,然後將其重新構建為全分辨率的架構類型。在 Stable Diffusion 在 GitHub 上的官方技術文檔中,該模型被描述為使用 8.6 億參數的 U-Net 來運行擴散過程,以及一個單獨的自動編碼器,將圖像壓縮成較小的數學表示,然後將結果解壓縮回完整圖像。
為了遵循書面提示,系統需要一種方式將單詞連接到像素。根據相同的 Stable Diffusion 文檔,該模型使用凍結的 CLIP ViT-L/14 文本編碼器(一個單獨訓練以匹配文本和圖像的組件)將提示轉換為數字表示,指導每個去噪步驟,因此網絡以引導新興圖像朝向單詞描述的方向去除噪聲。
- 訓練:真實圖像在許多步驟上逐漸被隨機噪聲破壞,直到只剩靜態。
- 學習:U-Net 神經網絡被訓練來預測和去除在每一步添加的噪聲。
- 文本條件化:單獨的文本編碼器(如 CLIP)將提示轉換為去噪網絡的數字指南。
- 生成:從隨機噪聲開始,訓練後的網絡在文本的引導下逐步去除噪聲,直到出現圖像。
- 解碼(僅限潛在模型):壓縮的內部表示被轉換回全分辨率圖像。
像素空間與潛在空間:為什麼 Stable Diffusion 可以在筆記本電腦上運行
並非所有擴散模型在內部工作方式相同。根據 MIT Technology Review 在 2022 年 12 月對該技術興起的報導,DALL-E 2 在全分辨率圖像像素上直接執行噪聲去除過程,而 Stable Diffusion 則在神經網絡內圖像的壓縮「潛在」表示上工作——該媒體表示這種方法讓 Stable Diffusion 可以在普通個人計算機上運行,而不是需要大型服務器基礎設施。
如果你這樣做一千次,最終圖像看起來就像你從電視機上拔下天線電纜——只是雪花。
由 CompVis 研究組與 Stability AI 和 Runway 維護的 Stable Diffusion GitHub 存儲庫指出,該模型的潛在擴散方法是基於該組的較早論文《使用潛在擴散模型的高分辨率圖像合成》(High-Resolution Image Synthesis with Latent Diffusion Models),該論文在 CVPR 2022 計算機視覺會議上發表,並在 LAION-5B 數據集中的圖像上進行了訓練。
主要的基於擴散的圖像生成器如何比較
| 模型 | 組織 | 推出時間 | 噪聲去除空間 |
|---|---|---|---|
| DALL-E 2 | OpenAI | 2022 年 4 月 | 全圖像像素 |
| Imagen / Parti | 2022 年 5 月宣佈;根據 MIT Technology Review,當時未向公眾發布 | 在審查的來源中未詳細說明 | |
| Midjourney | Midjourney, Inc. | 2022 年夏季,根據 MIT Technology Review | 在審查的來源中未詳細說明 |
| Stable Diffusion | CompVis / Stability AI / Runway | 2022 年 8 月 | 壓縮潛在表示 |
MIT Technology Review 報導稱,DALL-E 2 在 2022 年 4 月推出後約兩個半月內達到了一百萬用戶,Stable Diffusion 的 DreamStudio 服務在 2022 年 8 月發布後不到一半的時間內超過了一百萬用戶——該媒體引用這些數字作為擴散方法在當年迅速達到大量用戶的證據。
2020-2022 年研究確立的內容
基礎機制——在訓練期間添加噪聲,在生成期間去除噪聲,由文本編碼器引導——構成了 2022 年出現的主要圖像生成器的基礎,如 Ho、Jain 和 Abbeel 的 2020 年論文以及此處審查的 2022 年報告和文檔所述。各家公司此後在同一擴散框架的基礎上分層添加了其他組件,例如更大的 U-Net、更大的文本編碼器或提示重寫系統。
常見問題
- 什麼是擴散模型?簡單來說?
- 它是一個神經網絡,經過訓練來反轉一個逐漸將真實圖像埋在隨機噪聲下的過程;一旦訓練完成,它可以從純噪聲開始,逐步去除它以構建新圖像,如 Ho、Jain 和 Abbeel 的 2020 年論文《去噪擴散概率模型》所述。
- DALL-E 2 和 Stable Diffusion 有什麼區別?
- 根據 MIT Technology Review,DALL-E 2 在全分辨率圖像像素上直接去除噪聲,而 Stable Diffusion 從圖像的壓縮「潛在」表示中去除噪聲,Stability AI 的 GitHub 文檔表示這允許它在消費級 GPU 上運行,而不是需要大型服務器基礎設施。
- 文本提示實際上是如何引導圖像生成的?
- 根據 Stable Diffusion 的 GitHub 文檔,一個名為文本編碼器的單獨組件(該模型中的 CLIP ViT-L/14)將提示轉換為去噪網絡在每一步查詢的數字表示,將新興圖像推向單詞描述的方向。
- 基於擴散的圖像生成器何時在 2022 年推出?
- MIT Technology Review 記錄了 2022 年的時間表:DALL-E 2 在 4 月推出;Google 在 5 月宣佈 Imagen 和 Parti,但未公開發布;Midjourney 在夏季推出;開源 Stable Diffusion 在 8 月推出。
- 什麼是 U-Net,為什麼擴散模型使用它?
- U-Net 是執行逐步噪聲去除的神經網絡架構;Stable Diffusion 的官方技術文檔將其版本描述為 8.6 億參數的 U-Net,與壓縮和解壓縮圖像的自動編碼器一起工作。
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