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扩散模型实战（十）：Stable Diffusion文本条件生成图像大模型
在扩散模型实战（十）：Stable Diffusion文本条件生成图像大模型中介绍了如何使用Stable Diffusion Pipeline控制图片生成效果以及大小，本文让我们剖析一下Stable Diffusion Pipeline内容细节。
Stable Diffusion Pipeline要比之前介绍的DDPMPipeline复杂一些，除了UNet和调度器还有其他组件，让我们来看一下具体包括的组件：
from diffusers import ( StableDiffusionPipeline, StableDiffusionImg2ImgPipeline, StableDiffusionInpaintPipeline, StableDiffusionDepth2ImgPipeline )
# 载入管线model_id = "stabilityai/stable-diffusion-2-1-base"pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(model_id).to(device)pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(model_id, revision="fp16",torch_dtype=torch.float16).to(device)
# 查看pipe的组件print(list(pipe.components.keys()))
# 输出组件['vae','text_encoder','tokenizer','unet','scheduler', 'safety_checker','feature_extractor']这些组件的概念之前都介绍过了，下面通过代码分析一下这些组件的细节：
一、可变分自编码器（VAE）
可变分自编码器（VAE）是一种模型，模型结构如图所示：
在使用Stable Diffusion生成图片时，首先需要在VAE的"隐空间"中应用扩散过程以生成隐编码，然后在扩散之后对他们解码，得到最终的输出图片，实际上，UNet的输入不是完整的图片，而是经过VAE压缩后的特征，这样可以极大地减少计算资源，代码如下：
# 创建取值区间为(-1, 1)的伪数据images = torch.rand(1, 3, 512, 512).to(device) * 2 - 1 print("Input images shape:", images.shape) # 编码到隐空间with torch.no_grad(): latents = 0.18215 * pipe.vae.encode(images).latent_dist.meanprint("Encoded latents shape:", latents.shape) # 再解码回来with torch.no_grad(): decoded_images = pipe.vae.decode(latents / 0.18215).sampleprint("Decoded images shape:", decoded_images.shape)
# 输出Input images shape: torch.Size([1, 3, 512, 512])Encoded latents shape: torch.Size([1, 4, 64, 64])Decoded images shape: torch.Size([1, 3, 512, 512])在这个示例中，原本512X512像素的图片被压缩成64X64的隐式表示，图片的每个空间维度都被压缩至原来的八分之一，因此设定参数width和height时，需要将它们设置成8的倍数。
PS：VAE解码过程并不完美，图像质量有所损失，但在实际使用中已经足够好了。
二、分词器tokenizer和文本编码器text_encoder
Prompt文本描述如何控制Stable Diffusion呢？首先需要对Prompt文本描述使用tokenizer进行分词转换为数值表示的ID，然后将这些分词后的ID输入给文本编码器。实际使用户中，可以直接调用_encode_prompt方法来补全或者截断分词后的长度为77获得最终的Prompt文本表示，代码如下：
# 手动对提示文字进行分词和编码# 分词input_ids = pipe.tokenizer(["A painting of a flooble"])['input_ids']print("Input ID -> decoded token")for input_id in input_ids[0]: print(f"{input_id} -> {pipe.tokenizer.decode(input_id)}") # 将分词结果输入CLIP input_ids = torch.tensor(input_ids).to(device)with torch.no_grad(): text_embeddings = pipe.text_encoder(input_ids)['last_hidden_state']print("Text embeddings shape:", text_embeddings.shape)
# 输出Input ID -> decoded token49406 -> <|startoftext|>320 -> a3086 -> painting539 -> of320 -> a4062 -> floo1059 -> ble49407 -> <|endoftext|>Text embeddings shape: torch.Size([1, 8, 1024])获取最终的文本特征
text_embeddings = pipe._encode_prompt("A painting of a flooble", device, 1, False, '')print(text_embeddings.shape)
# 输出torch.Size([1, 77, 1024])可以看到最终的文本从长度8补全到了77。
三、UNet网络
在扩散模型中，UNet的作用是接收"带噪"的输入并预测噪声，以实现"去噪"，网络结构如下图所示，与前面的示例不同，此次输入的并非是原始图片，而是图片的隐式表示，另外还有文本Prompt描述也作为UNet的输入。
下面让我们对上述三种输入使用伪输入让模型来了解一下UNet在预测过程中，输入输出形状和大小，代码如下：
# 创建伪输入timestep = pipe.scheduler.timesteps[0]latents = torch.randn(1, 4, 64, 64).to(device)text_embeddings = torch.randn(1, 77, 1024).to(device) # 让模型进行预测with torch.no_grad(): unet_output = pipe.unet(latents, timestep, text_embeddings).sampleprint('UNet output shape:', unet_output.shape)
# 输出UNet output shape: torch.Size([1, 4, 64, 64])四、调度器Scheduler
调度器保持了如何添加噪声的信息，并管理如何基于模型的预测更新"带噪"样本，默认的调度器是PNDMScheduler。
我们可以观察一下在添加噪声过程中，噪声水平随时间步增加的变化
plt.plot(pipe.scheduler.alphas_cumprod, label=r'$\bar{\alpha}$')plt.xlabel('Timestep (high noise to low noise ->)')plt.title('Noise schedule')plt.legend()
下面看一下使用不同的调度器生成的效果对比，比如使用LMSDiscreteScheduler，代码如下：
from diffusers import LMSDiscreteScheduler # 替换原来的调度器pipe.scheduler = LMSDiscreteScheduler.from_config(pipe.scheduler.config) # 输出配置参数print('Scheduler config:', pipe.scheduler) # 使用新的调度器生成图片pipe(prompt="Palette knife painting of an winter cityscape", height=480, width=480, generator=torch.Generator(device=device). manual_seed(42)).images[0]
# 输出Scheduler config: LMSDiscreteScheduler { "_class_name": "LMSDiscreteScheduler", "_diffusers_version": "0.11.1", "beta_end": 0.012, "beta_schedule": "scaled_linear", "beta_start": 0.00085, "clip_sample": false, "num_train_timesteps": 1000, "prediction_type": "epsilon", "set_alpha_to_one": false, "skip_prk_steps": true, "steps_offset": 1, "trained_betas": null}生成的图片如下图所示：
五、复现完整Pipeline
到目前为止，我们已经分步骤剖析了Pipeline的每个组件，现在我们将组合起来手动实现一个完整的Pipeline，代码如下：
guidance_scale = 8num_inference_steps=30prompt = "Beautiful picture of a wave breaking"negative_prompt = "zoomed in, blurry, oversaturated, warped" # 对提示文字进行编码text_embeddings = pipe._encode_prompt(prompt, device, 1, True, negative_prompt) # 创建随机噪声作为起点latents = torch.randn((1, 4, 64, 64), device=device, generator=generator)latents *= pipe.scheduler.init_noise_sigma # 准备调度器pipe.scheduler.set_timesteps(num_inference_steps, device=device) # 生成过程开始for i, t in enumerate(pipe.scheduler.timesteps): latent_model_input = torch.cat([latents] * 2) latent_model_input = pipe.scheduler.scale_model_input( latent_model_input, t) with torch.no_grad(): noise_pred = pipe.unet(latent_model_input, t, encoder_hidden_states=text_embeddings).sample noise_pred_uncond, noise_pred_text = noise_pred.chunk(2) noise_pred = noise_pred_uncond + guidance_scale * (noise_pred_text - noise_pred_uncond) latents = pipe.scheduler.step(noise_pred, t, latents).prev_sample # 将隐变量映射到图片，效果如图6-14所示with torch.no_grad(): image = pipe.decode_latents(latents.detach()) pipe.numpy_to_pil(image)[0]生成的效果，如下图所示：
六、其他Pipeline介绍
在也提到一些其他Pipeline模型，比如图片到图片风格迁移Img2Img，图片修复Inpainting以及图片深度Depth2Image模型，本小节我们就来探索一下这些模型的具体使用效果。
6.1 Img2Img
到目前为止，我们的图片仍然是从完全随机的隐变量开始生成的，并且都使用了完整的扩展模型采样循环。Img2Img Pipeline不必从头开始，它首先会对一张已有的图片进行编码，在得到一系列的隐变量后，就在这些隐变量上随机添加噪声，并以此作为起点。
噪声的数量和"去噪"的步数决定了Img2Img生成的效果，添加少量噪声只会带来微小的变化，添加大量噪声并执行完整的"去噪"过程，可能得到与原始图片完全不同，近在整体结构上相似的图片。
# 载入Img2Img管线model_id = "stabilityai/stable-diffusion-2-1-base"img2img_pipe = StableDiffusionImg2ImgPipeline.from_pretrained( model_id).to(device)
result_image = img2img_pipe( prompt="An oil painting of a man on a bench", image = init_image, # 输入待编辑图片 strength = 0.6, # 文本提示在设为0时完全不起作用，设为1时作用强度最大).images[0] # 显示结果，如图6-15所示fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 5))axs[0].imshow(init_image);axs[0].set_title('Input Image')axs[1].imshow(result_image);axs[1].set_title('Result')生成的效果，如下图所示：
6.2 Inpainting
Inpainting是一个图片修复技术，它可以保留图片一部分内容不变，其他部分生成新的内容，Inpainting UNet网络结构如下图所示：
下面我们使用一个示例来展示一下效果：
pipe = StableDiffusionInpaintPipeline.from_pretrained("runwayml/ stable-diffusion-inpainting")pipe = pipe.to(device)# 添加提示文字，用于让模型知道补全图像时使用什么内容prompt = "A small robot, high resolution, sitting on a park bench"image = pipe(prompt=prompt, image=init_image, mask_image=mask_image).images[0] # 查看结果，如图6-17所示fig, axs = plt.subplots(1, 3, figsize=(16, 5))axs[0].imshow(init_image);axs[0].set_title('Input Image')axs[1].imshow(mask_image);axs[1].set_title('Mask')axs[2].imshow(image);axs[2].set_title('Result')生成的效果，如下图所示：
这是个有潜力的模型，如果可以和自动生成掩码的模型结合就会非常强大，比如Huggingface Space上的一个名为CLIPSeg的模型就可以自动生成掩码。
6.3 Depth2Image
如果想保留图片的整体结构而不保留原有的颜色，比如使用不同的颜色或纹理生成新图片，Img2Img是很难通过"强度"来控制的。而Depth2Img采用深度预测模型来预测一个深度图，这个深度图被输入微调过的UNet以生成图片，我们希望生成的图片既能保留原始图片的深度信息和总体结构，同时又能在相关部分填入全新的内容，代码如下：
# 载入Depth2Img管线pipe = StableDiffusionDepth2ImgPipeline.from_pretrained ("stabilityai/stable-diffusion-2-depth")pipe = pipe.to(device)# 使用提示文字进行图像补全prompt = "An oil painting of a man on a bench"image = pipe(prompt=prompt, image=init_image).images[0] # 查看结果，如图6-18所示fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(16, 5))axs[0].imshow(init_image);axs[0].set_title('Input Image')axs[1].imshow(image);axs[1].set_title('Result')
PS：该模型在3D场景下加入纹理非常有用。