Diffusion Models 10 篇必读论文（1）DDPMN

【导语】Diffusion Models 是近期人工智能领域最火的方向，也衍生了很多实用的技术。最近开始整理了几篇相关的经典论文，加上一些自己的理解和公式推导，分享出来和大家一起学习，欢迎讨论：702864842(QQ)，https://github.com/Huangdebo。

第 1 篇：《Denoising Diffusion Probabilistic Models》

摘要

前一篇介绍了 diffusion model 的设计灵感和主要的思想。这篇沿用了之前的想法，用一个马尔科夫链来构成一个生成模型，训练是是把原始分布逐步扩散到一个噪声分布，然后学习其逆扩散的过程。不同的是此处把模型的逆扩散过程更加形象地看成是去噪过程（DDPM），并优化了训练目标，使得训练和生成过程更加清晰简洁，后面很多论文都是基于这篇论文优化发展的。

模型生成可以看成是去噪过程

1、背景回顾

1、 扩散（diffusion）

扩散过程

（1） 每一步的新数据都是由上这次的扩散核作用在上一次数据上产生的，（2）扩散核，也就是扩散过程的规则，（3）最终的联合分布。

1.2 反向传播

方向传播

在扩散率 β 很小的情况下，可以把正向扩散和反向传播的每一步都可以看成是同一种形式（比如高斯扩散）。而这个反向传播中高斯扩散的均值和方差便可以作为参数进行训练。

2、 模型具体特性

2.1 扩散过程

扩散过程是一个马尔科夫高斯扩散，每个时刻的分布只和前一个分布和扩散核有关：

正向扩散过程

设 αt = 1 - βt，则：

x/x-1

将以上两个式子联立，带入，可以得到：

xt

两个独立同分布的高斯分布相加之后有以下公式：

高斯合并特性

最终可以简化并推导可得：

简化结果

2.2 逆扩散过程

q(xt|xt-1) 为扩散的过程，则 q(xt-1|xt) 为理想的逆扩散过程，利用贝叶斯可求解，而且当 β 足够小时候，逆扩散扩展可以看成和扩散过程一样的高斯扩散形式：

逆扩散

标准正态分布的展开为：

标准高斯分布

对比上面两式子可得：

方差和均值

根据 2.1 的扩散特性可消掉 x0，得

消掉x0

最终得到 q(xt|xt-1) 的表达形式（其中的噪声则是正向扩散时添加的噪声）：

q的最终表达式

3、 优化目标

此模型采用了最大化对数似然（交叉熵）来进行优化训练：

优化目标

经过一些骚作后转化成：

优化目标转化

1. Lt 在训练中是确定的常数，所以可以忽略
2. L0 根据图像的取值范围和归一化范围设定成

L0

1. 设q(xt|xt-1) 为扩散的过程，则 p(xt-1|xt) 都为同形式的高斯生成过程：

逆扩散和生成

其中的 p(xt-1|xt) 中的方差 σ 可以取 2.2 （2）中 β，也可以取值波浪β，结果差别不大，根据两个高斯分布的KL散度公式可得

Lt-1

根据 2.2 的 （1）得

Lt-1 - C

所以最小化 Lt-1 则是让 μθ 来预测

用 u 来预测 Lt-1

所以

uθ

其中的Eθ 便是用神经网络来根据xt 预测出来的噪声，则取样结果为（z是标准正态分布，加上 σz 是为了把方差转变成 σ）：

xt-1

然后模型最终的优化目标可以简化成：

最终的优化目标

但在训练中发现，去掉其中的系数能简化训练：

简化后的优化目标

算法流程

算法流程

4.1 训练过程

不断取样本x0~q(x0)和一个随机正态分布的噪声E，利用1~T 步中由神经网络输出的噪声和E计算误差来训练，直到网络收敛。神经网络的输入则是扩散过程中每一步扩散得到的 xt。

4.2 生成过程

训练中计算的 1~T 步中扩散的 方差 p(xt-1|xt) 中的方差 σ^2 ，然后先生成一个随机高斯噪声，再逐步利用训练得到的噪声E和方差，使用第4 步的式子来计算。在 x1->x0时，z 则取值为0。

结论

这篇文章把模型的逆扩散过程更加形象地看成是去噪过程（DDPM），并优化了训练目标，使得训练和生成过程更加清晰简洁，使得模型能生成质量更高的图像。由于在图像数据上出色的inductive biases， diffusion model 后续的在生成模型的发展上大放异彩，甚至超越了 GANs.