当前位置: 首页 > news >正文

扩散模型实战(四):从零构建扩散模型

推荐阅读列表:

扩散模型实战(一):基本原理介绍

扩散模型实战(二):扩散模型的发展

扩散模型实战(三):扩散模型的应用

本文以MNIST数据集为例,从零构建扩散模型,具体会涉及到如下知识点:

  • 退化过程(向数据中添加噪声)
  • 构建一个简单的UNet模型
  • 训练扩散模型
  • 采样过程分析

下面介绍具体的实现过程:

一、环境配置&python包的导入
     

最好有GPU环境,比如公司的GPU集群或者Google Colab,下面是代码实现:

# 安装diffusers库!pip install -q diffusers# 导入所需要的包import torchimport torchvisionfrom torch import nnfrom torch.nn import functional as Ffrom torch.utils.data import DataLoaderfrom diffusers import DDPMScheduler, UNet2DModelfrom matplotlib import pyplot as pltdevice = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")print(f'Using device: {device}')
# 输出Using device: cuda

此时会输出运行环境是GPU还是CPU

载MNIST数据集

       MNIST数据集是一个小数据集,存储的是0-9手写数字字体,每张图片都28X28的灰度图片,每个像素的取值范围是[0,1],下面加载该数据集,并展示部分数据:

dataset = torchvision.datasets.MNIST(root="mnist/", train=True, download=True, transform=torchvision.transforms.ToTensor())train_dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=8, shuffle=True)x, y = next(iter(train_dataloader))print('Input shape:', x.shape)print('Labels:', y)plt.imshow(torchvision.utils.make_grid(x)[0], cmap='Greys');
# 输出Input shape: torch.Size([8, 1, 28, 28])Labels: tensor([7, 8, 4, 2, 3, 6, 0, 2])

扩散模型的退化过程

       所谓退化过程,其实就是对输入数据加入噪声的过程,由于MNIST数据集的像素范围在[0,1],那么我们加入噪声也需要保持在相同的范围,这样我们可以很容易的把输入数据与噪声进行混合,代码如下:

def corrupt(x, amount):  """Corrupt the input `x` by mixing it with noise according to `amount`"""  noise = torch.rand_like(x)  amount = amount.view(-1, 1, 1, 1) # Sort shape so broadcasting works  return x*(1-amount) + noise*amount

接下来,我们看一下逐步加噪的效果,代码如下:

# Plotting the input datafig, axs = plt.subplots(2, 1, figsize=(12, 5))axs[0].set_title('Input data')axs[0].imshow(torchvision.utils.make_grid(x)[0], cmap='Greys')# Adding noiseamount = torch.linspace(0, 1, x.shape[0]) # Left to right -> more corruptionnoised_x = corrupt(x, amount)# Plottinf the noised versionaxs[1].set_title('Corrupted data (-- amount increases -->)')axs[1].imshow(torchvision.utils.make_grid(noised_x)[0], cmap='Greys');

       从上图可以看出,从左到右加入的噪声逐步增多,当噪声量接近1时,数据看起来像纯粹的随机噪声。

构建一个简单的UNet模型

       UNet模型与自编码器有异曲同工之妙,UNet最初是用于完成医学图像中分割任务的,网络结构如下所示:

代码如下:

class BasicUNet(nn.Module):    """A minimal UNet implementation."""    def __init__(self, in_channels=1, out_channels=1):        super().__init__()        self.down_layers = torch.nn.ModuleList([             nn.Conv2d(in_channels, 32, kernel_size=5, padding=2),            nn.Conv2d(32, 64, kernel_size=5, padding=2),            nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=5, padding=2),        ])        self.up_layers = torch.nn.ModuleList([            nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=5, padding=2),            nn.Conv2d(64, 32, kernel_size=5, padding=2),            nn.Conv2d(32, out_channels, kernel_size=5, padding=2),         ])        self.act = nn.SiLU() # The activation function        self.downscale = nn.MaxPool2d(2)        self.upscale = nn.Upsample(scale_factor=2)    def forward(self, x):        h = []        for i, l in enumerate(self.down_layers):            x = self.act(l(x)) # Through the layer and the activation function            if i < 2: # For all but the third (final) down layer:              h.append(x) # Storing output for skip connection              x = self.downscale(x) # Downscale ready for the next layer                      for i, l in enumerate(self.up_layers):            if i > 0: # For all except the first up layer              x = self.upscale(x) # Upscale              x += h.pop() # Fetching stored output (skip connection)            x = self.act(l(x)) # Through the layer and the activation function                    return x

我们来检验一下模型输入输出的shape变化是否符合预期,代码如下:

net = BasicUNet()x = torch.rand(8, 1, 28, 28)net(x).shape
# 输出torch.Size([8, 1, 28, 28])

再来看一下模型的参数量,代码如下:

sum([p.numel() for p in net.parameters()])
# 输出309057

至此,已经完成数据加载和UNet模型构建,当然UNet模型的结构可以有不同的设计。

、扩散模型训练

        扩散模型应该学习什么?其实有很多不同的目标,比如学习噪声,我们先以一个简单的例子开始,输入数据为带噪声的MNIST数据,扩散模型应该输出对应的最佳数字预测,因此学习的目标是预测值与真实值的MSE,训练代码如下:

# Dataloader (you can mess with batch size)batch_size = 128train_dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)# How many runs through the data should we do?n_epochs = 3# Create the networknet = BasicUNet()net.to(device)# Our loss finctionloss_fn = nn.MSELoss()# The optimizeropt = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=1e-3) # Keeping a record of the losses for later viewinglosses = []# The training loopfor epoch in range(n_epochs):    for x, y in train_dataloader:        # Get some data and prepare the corrupted version        x = x.to(device) # Data on the GPU        noise_amount = torch.rand(x.shape[0]).to(device) # Pick random noise amounts        noisy_x = corrupt(x, noise_amount) # Create our noisy x        # Get the model prediction        pred = net(noisy_x)        # Calculate the loss        loss = loss_fn(pred, x) # How close is the output to the true 'clean' x?        # Backprop and update the params:        opt.zero_grad()        loss.backward()        opt.step()        # Store the loss for later        losses.append(loss.item())    # Print our the average of the loss values for this epoch:    avg_loss = sum(losses[-len(train_dataloader):])/len(train_dataloader)    print(f'Finished epoch {epoch}. Average loss for this epoch: {avg_loss:05f}')# View the loss curveplt.plot(losses)plt.ylim(0, 0.1);
# 输出Finished epoch 0. Average loss for this epoch: 0.024689Finished epoch 1. Average loss for this epoch: 0.019226Finished epoch 2. Average loss for this epoch: 0.017939

训练过程的loss曲线如下图所示:

六、扩散模型效果评估

我们选取一部分数据来评估一下模型的预测效果,代码如下:

#@markdown Visualizing model predictions on noisy inputs:# Fetch some datax, y = next(iter(train_dataloader))x = x[:8] # Only using the first 8 for easy plotting# Corrupt with a range of amountsamount = torch.linspace(0, 1, x.shape[0]) # Left to right -> more corruptionnoised_x = corrupt(x, amount)# Get the model predictionswith torch.no_grad():  preds = net(noised_x.to(device)).detach().cpu()# Plotfig, axs = plt.subplots(3, 1, figsize=(12, 7))axs[0].set_title('Input data')axs[0].imshow(torchvision.utils.make_grid(x)[0].clip(0, 1), cmap='Greys')axs[1].set_title('Corrupted data')axs[1].imshow(torchvision.utils.make_grid(noised_x)[0].clip(0, 1), cmap='Greys')axs[2].set_title('Network Predictions')axs[2].imshow(torchvision.utils.make_grid(preds)[0].clip(0, 1), cmap='Greys');

从上图可以看出,对于噪声量较低的输入,模型的预测效果是很不错的,当amount=1时,模型的输出接近整个数据集的均值,这正是扩散模型的工作原理。

Note:我们的训练并不太充分,读者可以尝试不同的超参数来优化模型。

相关文章:

扩散模型实战(四):从零构建扩散模型

推荐阅读列表&#xff1a; 扩散模型实战&#xff08;一&#xff09;&#xff1a;基本原理介绍 扩散模型实战&#xff08;二&#xff09;&#xff1a;扩散模型的发展 扩散模型实战&#xff08;三&#xff09;&#xff1a;扩散模型的应用 本文以MNIST数据集为例&#xff0c;从…...

YOLOv5、YOLOv8改进:S2注意力机制

目录 1.简介 2.YOLOv5改进 2.1增加以下S2-MLPv2.yaml文件 2.2common.py配置 2.3yolo.py配置 1.简介 S2-MLPv2注意力机制 最近&#xff0c;出现了基于 MLP 的视觉主干。与 CNN 和视觉Transformer相比&#xff0c;基于 MLP 的视觉架构具有较少的归纳偏差&#xff0c;在图像识…...

LeetCode 542. 01 Matrix【多源BFS】中等

本文属于「征服LeetCode」系列文章之一&#xff0c;这一系列正式开始于2021/08/12。由于LeetCode上部分题目有锁&#xff0c;本系列将至少持续到刷完所有无锁题之日为止&#xff1b;由于LeetCode还在不断地创建新题&#xff0c;本系列的终止日期可能是永远。在这一系列刷题文章…...

使用open cv进行角度测量

使用open cv进行角度测量 用了一点初中数学的知识&#xff0c;准确度&#xff0c;跟鼠标点的准不准有关系&#xff0c;话不多说直接上代码 import cv2 import mathpath "test.jpg" img cv2.imread(path) pointsList []def mousePoint(event, x, y, flags, param…...

java 线程池实现多线程处理list数据

newFixedThreadPool线程池实现多线程 List<PackageAgreementEntity> entityList new CopyOnWriteArrayList<>();//多线程 10个线程//int threadNum 10;int listSize 300;List<List<PackageAgreementDto>> splitData Lists.partition(packageAgre…...

Centos安装Docker

Centos安装 Docker 从 2017 年 3 月开始 docker 在原来的基础上分为两个分支版本: Docker CE 和 Docker EE。 Docker CE 即社区免费版&#xff0c;Docker EE 即企业版&#xff0c;强调安全&#xff0c;但需付费使用。 本文介绍 Docker CE 的安装使用。 移除旧的版本&#x…...

Unity启动项目无反应的解决

文章首发见博客&#xff1a;https://mwhls.top/4803.html。 无图/格式错误/后续更新请见首发页。 更多更新请到mwhls.top查看 欢迎留言提问或批评建议&#xff0c;私信不回。 摘要&#xff1a;通过退还并重新载入许可证以解决Unity项目启动无反应问题。 场景 Unity Hub启动项目…...

2.3 opensbi: riscv: opensbi源码解析

文章目录 3. sbi_init()函数4. init_coldboot()函数4.1 sbi_scratch_init()函数4.2 sbi_domain_init()函数4.3 sbi_scratch_alloc_offset()函数4.4 sbi_hsm_init()函数4.5 sbi_platform_early_init()函数3. sbi_init()函数 函数位置:lib/sbi/sbi_init.c函数参数:scratch为每个…...

点破ResNet残差网络的精髓

卷积神经网络在实际训练过程中&#xff0c;不可避免会遇到一个问题&#xff1a;随着网络层数的增加&#xff0c;模型会发生退化。    换句话说&#xff0c;并不是网络层数越多越好&#xff0c;为什么会这样&#xff1f; 不是说网络越深&#xff0c;提取的特征越多&#xff…...

Ubuntu服务器service版本初始化

下载 下载路径 官网&#xff1a;https://cn.ubuntu.com/ 下载路径&#xff1a;https://cn.ubuntu.com/download 服务器&#xff1a;https://cn.ubuntu.com/download/server/step1 点击下载&#xff08;22.04.3&#xff09;&#xff1a;https://cn.ubuntu.com/download/server…...

re学习(33)攻防世界-secret-galaxy-300(脑洞题)

下载压缩包&#xff1a; 下载链接&#xff1a;https://adworld.xctf.org.cn/challenges/list 参考文章&#xff1a;攻防世界逆向高手题之secret-galaxy-300_沐一 林的博客-CSDN博客 发现这只是三个同一类型文件的三个不同版本而已&#xff0c;一个windows32位exe&#xff0…...

Mybatis Plus中使用LambdaQueryWrapper进行分页以及模糊查询对比传统XML方式进行分页

传统的XML分页以及模糊查询操作 传统的XML方式只能使用limit以及offset进行分页&#xff0c;通过判断name和bindState是否为空&#xff0c;不为空则拼接条件。 List<SanitationCompanyStaff> getSanitationStaffInfo(Param("name") String name,Param("bi…...

vue中push和resolve的区别

import { useRouter } from vue-router;const routeuseRouter()route.push({path:/test,query:{name:1}})import { useRouter } from vue-router;const routeuseRouter()const urlroute.resolve({path:/test,query:{name:1}})window.open(url.href)比较上述代码会发现,resolve能…...

详解RFC 3550文档-1

1. 介绍 rfc 3550描述了实时传输协议RTP。RTP提供端到端的网络传输功能,适用于通过组播或单播网络服务传输实时数据(如音频、视频或仿真数据)的应用。 TP本身不提供任何机制来确保及时交付或提供其他服务质量保证,而是依赖于较低层的服务来完成这些工作。它不保证传输或防止…...

Go 与 Rust

目录 1. Go 与 Rust 1. Go 与 Rust 一位挺 Rust 的网友说道: “我也为这个选择烦恼了很久。最终 Rust 胜出了。首先, 我感觉 Rust 更接近于以前 Pascal 时代的东西, 你可以控制一切; 其次, 如果 wasm 和相关技术大爆发, Rust 将是一个更安全的选择; 然后, 我们已经有了 Python…...

Android Studio实现读取本地相册文件并展示

目录 原文链接效果 代码activity_main.xmlMainActivity 原文链接 效果 代码 activity_main.xml 需要有一个按钮和image来展示图片 <?xml version"1.0" encoding"utf-8"?> <LinearLayout xmlns:android"http://schemas.android.com/apk…...

python的全局解释锁(GIL)

一、介绍 全局解释锁&#xff08;Global Interpreter Lock&#xff0c;GIL&#xff09;是在某些编程语言的解释器中使用的一种机制。在Python中&#xff0c;GIL是为了保证解释器线程安全而引入的。 GIL的作用是在解释器的执行过程中&#xff0c;确保同一时间只有一个线程可以…...

小程序swiper一个轮播显示一个半内容且实现无缝滚动

效果图&#xff1a; wxml&#xff08;无缝滚动&#xff1a;circular"true"&#xff09;&#xff1a; <!--components/tool_version/tool_version.wxml--> <view class"tool-version"><swiper class"tool-version-swiper" circul…...

【自然语言处理】关系抽取 —— SimpleRE 讲解

SimpleRE 论文信息 标题:An Embarrassingly Simple Model for Dialogue Relation Extraction 作者:Fuzhao Xue 期刊:ICASSP 2022 发布时间与更新时间:2020.12.27 2022.01.25 主题:自然语言处理、关系抽取、对话场景、BERT arXiv:[2012.13873] An Embarrassingly Simple M…...

【O2O领域】Axure外卖订餐骑手端APP原型图,外卖众包配送原型设计图

作品概况 页面数量&#xff1a;共 110 页 兼容软件&#xff1a;Axure RP 9/10&#xff0c;不支持低版本 应用领域&#xff1a;外卖配送、生鲜配送 作品申明&#xff1a;页面内容仅用于功能演示&#xff0c;无实际功能 作品特色 本品为外卖订餐骑手端APP原型设计图&#x…...

浅谈 React Hooks

React Hooks 是 React 16.8 引入的一组 API&#xff0c;用于在函数组件中使用 state 和其他 React 特性&#xff08;例如生命周期方法、context 等&#xff09;。Hooks 通过简洁的函数接口&#xff0c;解决了状态与 UI 的高度解耦&#xff0c;通过函数式编程范式实现更灵活 Rea…...

C++初阶-list的底层

目录 1.std::list实现的所有代码 2.list的简单介绍 2.1实现list的类 2.2_list_iterator的实现 2.2.1_list_iterator实现的原因和好处 2.2.2_list_iterator实现 2.3_list_node的实现 2.3.1. 避免递归的模板依赖 2.3.2. 内存布局一致性 2.3.3. 类型安全的替代方案 2.3.…...

利用ngx_stream_return_module构建简易 TCP/UDP 响应网关

一、模块概述 ngx_stream_return_module 提供了一个极简的指令&#xff1a; return <value>;在收到客户端连接后&#xff0c;立即将 <value> 写回并关闭连接。<value> 支持内嵌文本和内置变量&#xff08;如 $time_iso8601、$remote_addr 等&#xff09;&a…...

shell脚本--常见案例

1、自动备份文件或目录 2、批量重命名文件 3、查找并删除指定名称的文件&#xff1a; 4、批量删除文件 5、查找并替换文件内容 6、批量创建文件 7、创建文件夹并移动文件 8、在文件夹中查找文件...

STM32+rt-thread判断是否联网

一、根据NETDEV_FLAG_INTERNET_UP位判断 static bool is_conncected(void) {struct netdev *dev RT_NULL;dev netdev_get_first_by_flags(NETDEV_FLAG_INTERNET_UP);if (dev RT_NULL){printf("wait netdev internet up...");return false;}else{printf("loc…...

《基于Apache Flink的流处理》笔记

思维导图 1-3 章 4-7章 8-11 章 参考资料 源码&#xff1a; https://github.com/streaming-with-flink 博客 https://flink.apache.org/bloghttps://www.ververica.com/blog 聚会及会议 https://flink-forward.orghttps://www.meetup.com/topics/apache-flink https://n…...

EtherNet/IP转DeviceNet协议网关详解

一&#xff0c;设备主要功能 疆鸿智能JH-DVN-EIP本产品是自主研发的一款EtherNet/IP从站功能的通讯网关。该产品主要功能是连接DeviceNet总线和EtherNet/IP网络&#xff0c;本网关连接到EtherNet/IP总线中做为从站使用&#xff0c;连接到DeviceNet总线中做为从站使用。 在自动…...

Hive 存储格式深度解析:从 TextFile 到 ORC,如何选对数据存储方案?

在大数据处理领域&#xff0c;Hive 作为 Hadoop 生态中重要的数据仓库工具&#xff0c;其存储格式的选择直接影响数据存储成本、查询效率和计算资源消耗。面对 TextFile、SequenceFile、Parquet、RCFile、ORC 等多种存储格式&#xff0c;很多开发者常常陷入选择困境。本文将从底…...

排序算法总结(C++)

目录 一、稳定性二、排序算法选择、冒泡、插入排序归并排序随机快速排序堆排序基数排序计数排序 三、总结 一、稳定性 排序算法的稳定性是指&#xff1a;同样大小的样本 **&#xff08;同样大小的数据&#xff09;**在排序之后不会改变原始的相对次序。 稳定性对基础类型对象…...

【无标题】路径问题的革命性重构:基于二维拓扑收缩色动力学模型的零点隧穿理论

路径问题的革命性重构&#xff1a;基于二维拓扑收缩色动力学模型的零点隧穿理论 一、传统路径模型的根本缺陷 在经典正方形路径问题中&#xff08;图1&#xff09;&#xff1a; mermaid graph LR A((A)) --- B((B)) B --- C((C)) C --- D((D)) D --- A A -.- C[无直接路径] B -…...