深入浅出 diffusion(2):pytorch 实现 diffusion 加噪过程

我在上篇博客深入浅出 diffusion(1):白话 diffusion 原理(无公式)中介绍了 diffusion 的一些基本原理,其中谈到了 diffusion 的加噪过程,本文用pytorch 实现下到底是怎么加噪的。

python 复制代码
import torch
import math
import numpy as np
from PIL import Image
import requests
import matplotlib.pyplot as plot
import cv2


def linear_beta_schedule(timesteps):
    """
    linear schedule, proposed in original ddpm paper
    """
    scale = 1000 / timesteps
    beta_start = scale * 0.0001
    beta_end = scale * 0.02
    return torch.linspace(beta_start, beta_end, timesteps, dtype = torch.float64)

def cosine_beta_schedule(timesteps, s = 0.008):
    """
    cosine schedule
    as proposed in https://openreview.net/forum?id=-NEXDKk8gZ
    """
    steps = timesteps + 1
    t = torch.linspace(0, timesteps, steps, dtype = torch.float64) / timesteps
    alphas_cumprod = torch.cos((t + s) / (1 + s) * math.pi * 0.5) ** 2
    alphas_cumprod = alphas_cumprod / alphas_cumprod[0]
    betas = 1 - (alphas_cumprod[1:] / alphas_cumprod[:-1])
    return torch.clip(betas, 0, 0.999)
    
   
# 时间步(timestep)定义为1000
timesteps = 1000

# 定义Beta Schedule, 选择线性版本,同DDPM原文一致,当然也可以换成cosine_beta_schedule
betas = linear_beta_schedule(timesteps=timesteps)

# 根据beta定义alpha 
alphas = 1. - betas
alphas_cumprod = torch.cumprod(alphas, axis=0)
sqrt_recip_alphas = torch.sqrt(1.0 / alphas)

# 计算前向过程 diffusion q(x_t | x_{t-1}) 中所需的
sqrt_alphas_cumprod = torch.sqrt(alphas_cumprod)
sqrt_one_minus_alphas_cumprod = torch.sqrt(1. - alphas_cumprod)


def extract(a, t, x_shape):
    batch_size = t.shape[0]
    out = a.gather(-1, t.cpu())
    return out.reshape(batch_size, *((1,) * (len(x_shape) - 1))).to(t.device)

# 前向加噪过程: forward diffusion process
def q_sample(x_start, t, noise=None):
    if noise is None:
        noise = torch.randn_like(x_start)
        cv2.imwrite('noise.png', noise.numpy()*255)

    sqrt_alphas_cumprod_t = extract(sqrt_alphas_cumprod, t, x_start.shape)
    sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t = extract(
        sqrt_one_minus_alphas_cumprod, t, x_start.shape
    )
    
    print('sqrt_alphas_cumprod_t :', sqrt_alphas_cumprod_t)
    print('sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t :', sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t)
    return sqrt_alphas_cumprod_t * x_start + sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t * noise

# 图像后处理
def get_noisy_image(x_start, t):
  # add noise
  x_noisy = q_sample(x_start, t=t)

  # turn back into PIL image
  noisy_image = x_noisy.squeeze().numpy()

  return noisy_image

...

# 展示图像, t=0, 50, 100, 500的效果
x_start = cv2.imread('img.png') / 255.0
x_start = torch.tensor(x_start, dtype=torch.float)
cv2.imwrite('img_0.png', get_noisy_image(x_start, torch.tensor([0])) * 255.0)
cv2.imwrite('img_50.png', get_noisy_image(x_start, torch.tensor([50])) * 255.0)
cv2.imwrite('img_100.png', get_noisy_image(x_start, torch.tensor([100])) * 255.0)
cv2.imwrite('img_500.png', get_noisy_image(x_start, torch.tensor([500])) * 255.0)
cv2.imwrite('img_999.png', get_noisy_image(x_start, torch.tensor([999])) * 255.0)


sqrt_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.9999]]], dtype=torch.float64)
sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.0100]]], dtype=torch.float64)
sqrt_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.9849]]], dtype=torch.float64)
sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.1733]]], dtype=torch.float64)
sqrt_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.9461]]], dtype=torch.float64)
sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.3238]]], dtype=torch.float64)
sqrt_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.2789]]], dtype=torch.float64)
sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.9603]]], dtype=torch.float64)
sqrt_alphas_cumprod_t : tensor([[[0.0064]]], dtype=torch.float64)
sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t : tensor([[[1.0000]]], dtype=torch.float64)

以下分别为原图,t = 0, 50, 100, 500, 999 的结果。

可见,随着 t 的加大,原图对应的比例系数减小,噪声的强度系数加大,t = 500的时候,隐约可见人脸轮廓,t = 999 的时候,人脸彻底淹没在噪声里面了。

相关推荐
fantasy_arch9 小时前
pytorch人脸匹配模型
人工智能·pytorch·python
熊猫_豆豆9 小时前
广义相对论水星近日点进动完整详细数学推导
python·天体·广义相对论
web3.08889999 小时前
1688 图搜接口(item_search_img / 拍立淘) 接入方法
开发语言·python
AI算法沐枫10 小时前
深度学习python代码处理科研测序数据
数据结构·人工智能·python·深度学习·决策树·机器学习·线性回归
X1A0RAN11 小时前
解决Pycharm中部分文件或文件夹被隐藏不展示问题
ide·python·pycharm
MomentYY11 小时前
第 3 篇:让 Agent 学会分工,LangGraph 构建多 Agent系统
人工智能·python·agent
程序员Jelena11 小时前
Python 代码是什么?—— 从字节到执行的完整解析
python
测试员周周11 小时前
【Appium 系列】第13节-混合测试执行器 — API + UI 的协同执行
开发语言·人工智能·python·功能测试·ui·appium·pytest
用户83562907805111 小时前
Python 操作 PowerPoint OLE 对象
后端·python
小江的记录本12 小时前
【Java基础】Java 8-21新特性:JDK21 LTS:虚拟线程、模式匹配switch、结构化并发、序列集合(附《思维导图》+《面试高频考点清单》)
java·数据库·python·mysql·spring·面试·maven