硬核解读Stable Diffusion（系列三）

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SD 2.0

SD 2.0

Stability AI公司在2022年11月（stable-diffusion-v2-release）放出了SD 2.0版本，这里我们也简单介绍一下相比SD 1.x版本SD 2.0的具体改进点。SD 2.0相比SD 1.x版本的主要变动在于模型结构和训练数据两个部分。首先是模型结构方面，SD 1.x版本的text encoder采用的是OpenAI的CLIP ViT-L/14模型，其模型参数量为123.65M；而SD 2.0采用了更大的text encoder：基于OpenCLIP在laion-2b数据集上训练的CLIP ViT-H/14模型，其参数量为354.03M，相比原来的text encoder模型大了约3倍。两个CLIP模型的对比如下所示：可以看到CLIP ViT-H/14模型相比原来的OpenAI的L/14模型，在imagenet1K上分类准确率和mscoco多模态检索任务上均有明显的提升，这也意味着对应的text encoder更强，能够抓住更准确的文本语义信息。另外是一个小细节是SD 2.0提取的是text encoder倒数第二层的特征，而SD 1.x提取的是倒数第一层的特征。由于倒数第一层的特征之后就是CLIP的对比学习任务，所以倒数第一层的特征可能部分丢失细粒度语义信息，Imagen论文（见论文D.1部分）和novelai（见novelai blog）均采用了倒数第二层特征。对于UNet模型，SD 2.0相比SD 1.x几乎没有改变，唯一的一个小的变动是：SD 2.0不同stage的attention模块是固定attention head dim为64，而SD 1.0则是不同stage的attention模块采用固定attention head数量，明显SD 2.0的这种设定更常用，但是这个变动不会影响模型参数。 然后是训练数据，前面说过SD 1.x版本其实最后主要采用laion-2B中美学评分为5以上的子集来训练，而SD 2.0版本采用评分在4.5以上的子集，相当于扩大了训练数据集，具体的训练细节见model card。 另外SD 2.0除了512x512版本的模型，还包括768x768版本的模型（https://huggingface.co/stabilityai/stable-diffusion-2），所谓的768x768模型是在512x512模型基础上用图像分辨率大于768x768的子集继续训练的，不过优化目标不再是noise_prediction，而是采用Progressive Distillation for Fast Sampling of Diffusion Models论文中所提出的 v-objective。 下图为SD 2.0和SD 1.x版本在COCO2017验证集上评测的对比，可以看到2.0相比1.5，CLIP score有一个明显的提升，同时FID也有一定的提升。但是正如前面所讨论的，FID和CLIP score这两个指标均有一定的局限性，所以具体效果还是上手使用来对比。Stability AI在发布SD 2.0的同时，还发布了另外3个模型：stable-diffusion-x4-upscaler，stable-diffusion-2-inpainting和stable-diffusion-2-depth。stable-diffusion-x4-upscaler是一个基于扩散模型的4x超分模型，它也是基于latent diffusion，不过这里采用的autoencoder是基于VQ-reg的，下采样率为。在实现上，它是将低分辨率图像直接和noisy latent拼接在一起送入UNet，因为autoencoder将高分辨率图像压缩为原来的1/4，而低分辨率图像也为高分辨率图像的1/4，所以低分辨率图像的空间维度和latent是一致的。另外，这个超分模型也采用了Cascaded Diffusion Models for High Fidelity Image Generation所提出的noise conditioning augmentation，简单来说就是在训练过程中给低分辨率图像加上高斯噪音，可以通过扩散过程来实现，注意这里的扩散过程的scheduler与主扩散模型的scheduler可以不一样，同时也将对应的noise_level（对应扩散模型的time step）通过class labels的方式送入UNet，让UNet知道加入噪音的程度。stable-diffusion-x4-upscaler是使用LAION中>2048x2048大小的子集（10M）训练的，训练过程中采用512x512的crops来训练（降低显存消耗）。SD模型可以用来生成512x512图像，加上这个超分模型，就可以得到2048x2048大小的图像。在diffusers库中，可以如下使用这个超分模型（这里的noise level是指推理时对低分辨率图像加入噪音的程度）：

import requests
from PIL import Image
from io import BytesIO
from diffusers import StableDiffusionUpscalePipeline
import torch

# load model and scheduler
model_id = "stabilityai/stable-diffusion-x4-upscaler"
pipeline = StableDiffusionUpscalePipeline.from_pretrained(model_id, torch_dtype=torch.float16)
pipeline = pipeline.to("cuda")

# let's download an  image
url = "https://huggingface.co/datasets/hf-internal-testing/diffusers-images/resolve/main/sd2-upscale/low_res_cat.png"
response = requests.get(url)
low_res_img = Image.open(BytesIO(response.content)).convert("RGB")
low_res_img = low_res_img.resize((128, 128))

prompt = "a white cat"

upscaled_image = pipeline(prompt=prompt, image=low_res_img, noise_level=20).images[0]
upscaled_image.save("upsampled_cat.png")

stable-diffusion-2-inpainting是图像inpainting模型，和前面所说的runwayml/stable-diffusion-inpainting基本一样，不过它是在SD 2.0的512x512版本上finetune的。stable-diffusion-2-depth是也是在SD 2.0的512x512版本上finetune的模型，它是额外增加了图像的深度图作为condition，这里是直接将深度图下采样8x，然后和nosiy latent拼接在一起送入UNet模型中。深度图可以作为一种结构控制，下图展示了加入深度图后生成的图像效果：你可以调用diffusers库中的StableDiffusionDepth2ImgPipeline来实现基于深度图控制的文生图：

import torch
import requests
from PIL import Image
from diffusers import StableDiffusionDepth2ImgPipeline

pipe = StableDiffusionDepth2ImgPipeline.from_pretrained(
   "stabilityai/stable-diffusion-2-depth",
   torch_dtype=torch.float16,
).to("cuda")

url = "http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg"
init_image = Image.open(requests.get(url, stream=True).raw)

prompt = "two tigers"
n_propmt = "bad, deformed, ugly, bad anotomy"
image = pipe(prompt=prompt, image=init_image, negative_prompt=n_propmt, strength=0.7).images[0]

除此之外，Stability AI公司还开源了两个加强版的autoencoder：ft-EMA和ft-MSE（前者使用L1 loss后者使用MSE loss），前面已经说过，它们是在LAION数据集继续finetune decoder来增强重建效果。

SD 2.1

在SD 2.0版本发布几周后，Stability AI又发布了SD 2.1。SD 2.0在训练过程中采用NSFW检测器过滤掉了可能包含色情的图像（punsafe=0.1），但是也同时过滤了很多人像图片，这导致SD 2.0在人像生成上效果可能较差，所以SD 2.1是在SD 2.0的基础上放开了限制（punsafe=0.98）继续finetune，所以增强了人像的生成效果。和SD 2.0一样，SD 2.1也包含两个版本：512x512版本和768x768版本。

SD unclip

Stability AI在2023年3月份，又放出了基于SD的另外一个模型：stable-diffusion-reimagine，它可以实现单个图像的变换，即image variations，目前该模型已经在在huggingface上开源：stable-diffusion-2-1-unclip。

这个模型是借鉴了OpenAI的DALLE2（又称unCLIP)，unCLIP是基于CLIP的image encoder提取的image embeddings作为condition来实现图像的生成。SD unCLIP是在原来的SD模型的基础上增加了CLIP的image encoder的nosiy image embeddings作为condition。具体来说，它在训练过程中是对提取的image embeddings施加一定的高斯噪音（也是通过扩散过程），然后将noise level对应的time embeddings和image embeddings拼接在一起，最后再以class labels的方式送入UNet。在diffusers中，你可以调用StableUnCLIPImg2ImgPipeline来实现图像的变换：

import requests
import torch
from PIL import Image
from io import BytesIO

from diffusers import StableUnCLIPImg2ImgPipeline

#Start the StableUnCLIP Image variations pipeline
pipe = StableUnCLIPImg2ImgPipeline.from_pretrained(
    "stabilityai/stable-diffusion-2-1-unclip", torch_dtype=torch.float16, variation="fp16"
)
pipe = pipe.to("cuda")

#Get image from URL
url = "https://huggingface.co/datasets/hf-internal-testing/diffusers-images/resolve/main/stable_unclip/tarsila_do_amaral.png"
response = requests.get(url)
init_image = Image.open(BytesIO(response.content)).convert("RGB")

#Pipe to make the variation
images = pipe(init_image).images
images[0].save("tarsila_variation.png")

其实在SD unCLIP之前，已经有Lambda Labs开源的sd-image-variations-diffusers，它是在SD 1.4的基础上finetune的模型，不过实现方式是直接将text embeddings替换为image embeddings，这样也同样可以实现图像的变换。这里SD unCLIP有两个版本：sd21-unclip-l和sd21-unclip-h，两者分别是采用OpenAI CLIP-L和OpenCLIP-H模型的image embeddings作为condition。如果要实现文生图，还需要像DALLE2那样训练一个prior模型，它可以实现基于文本来预测对应的image embeddings，我们将prior模型和SD unCLIP接在一起就可以实现文生图了。KakaoBrain这个公司已经开源了一个DALLE2的复现版本：Karlo，它是基于OpenAI CLIP-L来实现的，你可以基于这个模型中prior模块加上sd21-unclip-l来实现文本到图像的生成，目前这个已经集成了在StableUnCLIPPipeline中，或者基于stablediffusion官方仓库来实现。

SD的其它特色应用

在SD模型开源之后，社区和研究机构也基于SD实现了形式多样的特色应用，这里我们也选择一些比较火的应用来介绍一下。

个性化生成

个性化生成是指的生成特定的角色或者风格，比如给定自己几张肖像来利用SD来生成个性化头像。在个性化生成方面，比较重要的两个工作是英伟达的Textual Inversion和谷歌的DreamBooth。Textual Inversion这个工作的核心思路是基于用户提供的3～5张特定概念（物体或者风格）的图像来学习一个特定的text embeddings，实际上只用一个word embedding就足够了。Textual Inversion不需要finetune UNet，而且由于text embeddings较小，存储成本很低。目前diffusers库已经支持textual_inversion的训练。DreamBooth原本是谷歌提出的应用在Imagen上的个性化生成，但是它实际上也可以扩展到SD上（更新版论文已经增加了SD）。DreamBooth首先为特定的概念寻找一个特定的描述词[V]，这个特定的描述词只要是稀有的就可以，然后与Textual Inversion不同的是DreamBooth需要finetune UNet，这里为了防止过拟合，增加了一个class-specific prior preservation loss（基于SD生成同class图像加入batch里面训练）来进行正则化。由于finetune了UNet，DreamBooth往往比Textual Inversion要表现的要好，但是DreamBooth的存储成本较高。目前diffusers库已经支持dreambooth训练，你也可以在sd-dreambooth-library中找到其他人上传的模型。 DreamBooth和Textual Inversion是最常用的个性化生成方法，但其实除了这两种，还有很多其它的研究工作，比如Adobe提出的Custom Diffusion，相比DreamBooth，它只finetune了UNet的attention模块的KV权重矩阵，同时优化一个新概念的token。

风格化finetune模型

SD的另外一大应用是采用特定风格的数据集进行finetune，这使得模型“过拟合”在特定的风格上。之前比较火的novelai就是基于二次元数据在SD上finetune的模型，虽然它失去了生成其它风格图像的能力，但是它在二次元图像的生成效果上比原来的SD要好很多。目前已经有很多风格化的模型在huggingface上开源，这里也列出一些：

• andite/anything-v4.0：二次元或者动漫风格图像

grid-0018.png

• dreamlike-art/dreamlike-diffusion-1.0：艺术风格图像

image.png

• prompthero/openjourney：mdjrny-v4风格图像

更多的模型可以直接在huggingface text-to-image模型库上找到。此外，很多基于SD进行finetune的模型开源在civitai上，你也可以在这个网站上找到更多风格的模型。 值得说明的一点是，目前finetune SD模型的方法主要有两种：一种是直接finetune了UNet，但是容易过拟合，而且存储成本；另外一种低成本的方法是基于微软的LoRA，LoRA本来是用于finetune语言模型的，但是现在已经可以用来finetune SD模型了，具体可以见博客Using LoRA for Efficient Stable Diffusion Fine-Tuning。

图像编辑

图像编辑也是SD比较火的应用方向，这里所说的图像编辑是指的是使用SD来实现对图片的局部编辑。这里列举两个比较好的工作：谷歌的prompt-to-prompt和加州伯克利的instruct-pix2pix。 谷歌的prompt-to-prompt的核心是基于UNet的cross attention maps来实现对图像的编辑，它的好处是不需要finetune模型，但是主要用在编辑用SD生成的图像。谷歌后面的工作Null-text Inversion有进一步实现了对真实图片的编辑：instruct-pix2pix这个工作基于GPT-3和prompt-to-prompt构建了pair的数据集，然后在SD上进行finetune，它可以输入text instruct对图像进行编辑：

可控生成

可控生成是SD最近比较火的应用，这主要归功于ControlNet，基于ControlNet可以实现对很多种类的可控生成，比如边缘，人体关键点，草图和深度图等等。其实在ControlNet之前，也有一些可控生成的工作，比如stable-diffusion-2-depth也属于可控生成，但是都没有太火。我觉得ControlNet之所以火，是因为这个工作直接实现了各种各种的可控生成，而且训练的ControlNet可以迁移到其它基于SD finetune的模型上（见Transfer Control to Other SD1.X Models）：与ControlNet同期的工作还有腾讯的T2I-Adapter以及阿里的composer-page：

stable-diffusion-webui

最后要介绍的一个比较火的应用stable-diffusion-webui其实是用来支持SD出图的一个web工具，它算是基于gradio框架实现了SD的快速部署，不仅支持SD的最基础的文生图、图生图以及图像inpainting功能，还支持SD的其它拓展功能，很多基于SD的拓展应用可以用插件的方式安装在webui上。

后话

在OpenAI最早放出DALLE2的时候，我曾被它生成的图像所惊艳到，但是我从来没有想到图像生成的AIGC会如此火爆，技术的发展太快了，这得益于互联网独有的开源精神。我想，没有SD的开源，估计这个方向可能还会沉寂一段时间。

参考

• High-Resolution Image Synthesis with Latent Diffusion Models
• https://huggingface.co/CompVis/stable-diffusion-v1-4
• https://huggingface.co/runwayml/stable-diffusion-v1-5
• https://github.com/huggingface/diffusers
• https://huggingface.co/blog/stable_diffusion
• https://github.com/CompVis/latent-diffusion
• https://laion.ai/blog/laion-5b/
• https://arxiv.org/abs/2303.05511
• https://arxiv.org/abs/2211.01324
• https://arxiv.org/abs/2205.11487
• https://keras.io/guides/keras_cv/generate_images_with_stable_diffusion/
• https://stability.ai/blog/stablediffusion2-1-release7-dec-2022

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