13. Pretraining is All You Need for Image-to-Image Translation
该文提出一种基于预训练扩散模型的图像转换方法，称为PITI。其思想并不复杂，就是借鉴现有视觉和NLP领域中常见的预训练方法，考虑预先在一个大规模的任务无关数据集上对扩散模型进行预训练，使其具备一个高度语义化的空间。然后，再针对特定任务对模型进行微调训练，此时微调过程只需要关注与任务相关的输入信息，而困难的图像生成工作，比如渲染一个合理布局和真实的纹理，将根据预训练时得到的知识来完成。
在本文中，作者采用GLIDE模型作为基础模型，在一个包含67M个文本-图像对的数据集上进行预训练。使用基础模型进行图像生成的过程，可以看作是对原始输入 x 0 \boldsymbol{x}{0} x0和条件 y \boldsymbol{y} y进行编码和解码的过程 x t = D ~ ( E ~ ( x 0 , y ) ) \boldsymbol{x}{t}=\tilde{\mathcal{D}}\left(\tilde{\mathcal{E}}\left(\boldsymbol{x}_{0}, \boldsymbol{y}\right)\right) xt=D~(E~(x0,y))其中 D ~ \tilde{\mathcal{D}} D~和 E ~ \tilde{\mathcal{E}} E~分别表示解码和编码器。微调训练包含两个阶段，第一阶段时锁定解码器的参数，只对编码器进行训练；第二阶段是对两者进行联合训练。
由于扩散模型生成的结果通常分辨率较低，如64*64，因此作者也采用了一个基于扩散模型的上采样器，对生成结果进行分辨率提升。然而，作者发现提升的结果存在过度平滑的问题，因此作者又引入了GAN中常见的感知损失和对抗损失，如下式 L perc = E t , x 0 , ϵ ∥ ψ m ( x ^ 0 t ) − ψ m ( x 0 ) ∥ , L a d v = E t , x 0 , ϵ log D θ ( x \^ 0 t ) + E x 0 log ( 1 − D θ ( x 0 ) ) \begin{aligned} \mathcal{L}{\text {perc }} & =\mathbb{E}{t, \boldsymbol{x}{0}, \boldsymbol{\epsilon}}\left\|\boldsymbol{\psi}{m}\left(\hat{\boldsymbol{x}}{0}^{t}\right)-\boldsymbol{\psi}{m}\left(\boldsymbol{x}{0}\right)\right\|, \\ \mathcal{L}{\mathrm{adv}} & =\mathbb{E}{t, \boldsymbol{x}{0}, \boldsymbol{\epsilon}}\left\\log D_{\\theta}\\left(\\hat{\\boldsymbol{x}}_{0}\^{t}\\right)\\right+\mathbb{E}{\boldsymbol{x}{0}}\left\\log \\left(1-D_{\\theta}\\left(\\boldsymbol{x}_{0}\\right)\\right)\\right \end{aligned} Lperc Ladv=Et,x0,ϵ ψm(x^0t)−ψm(x0) ,=Et,x0,ϵlogDθ(x\^0t)+Ex0log(1−Dθ(x0))其中 x ^ 0 t = ( x t − 1 − α t ϵ θ ( x t , y , t ) ) / α t \hat{\boldsymbol{x}}{0}^{t}=\left(\boldsymbol{x}{t}-\sqrt{1-\alpha_{t}} \boldsymbol{\epsilon}{\theta}\left(\boldsymbol{x}{t}, \boldsymbol{y}, t\right)\right) / \sqrt{\alpha_{t}} x^0t=(xt−1−αt ϵθ(xt,y,t))/αt 表示预测得到的生成结果。
最后，作者发现在常规的无分类器引导的扩散模型CDM中 ϵ ^ θ ( x t ∣ y ) = ϵ θ ( x t ∣ y ) + w ⋅ ( ϵ θ ( x t ∣ y ) − ϵ θ ( x t ∣ ∅ ) ) \hat{\boldsymbol{\epsilon}}{\theta}\left(\boldsymbol{x}{t} \mid \boldsymbol{y}\right)=\boldsymbol{\epsilon}{\theta}\left(\boldsymbol{x}{t} \mid \boldsymbol{y}\right)+w \cdot\left(\boldsymbol{\epsilon}{\theta}\left(\boldsymbol{x}{t} \mid \boldsymbol{y}\right)-\boldsymbol{\epsilon}{\theta}\left(\boldsymbol{x}{t} \mid \emptyset\right)\right) ϵ^θ(xt∣y)=ϵθ(xt∣y)+w⋅(ϵθ(xt∣y)−ϵθ(xt∣∅))条件的引入会导致估计噪声的均值和方差发生漂移，如下 μ ^ = μ + w ( μ − μ ∅ ) \hat{\mu}=\mu+w\left(\mu-\mu_{\emptyset}\right) μ^=μ+w(μ−μ∅) σ ^ 2 = ( 1 + w ) 2 σ 2 + w 2 σ ∅ 2 \hat{\sigma}^{2}=(1+w)^{2} \sigma^{2}+w^{2} \sigma_{\emptyset}^{2} σ^2=(1+w)2σ2+w2σ∅2并且这个偏移会随着迭代去噪过程逐渐累积，最终导致生成图像过饱和或者过度平滑。为此，作者提出一种规则化处理方式，如下式 ϵ ~ θ ( x t ∣ y ) = σ σ ^ ( ϵ ^ θ ( x t ∣ y ) − μ ^ ) + μ \tilde{\boldsymbol{\epsilon}}{\theta}\left(\boldsymbol{x}{t} \mid \boldsymbol{y}\right)=\frac{\sigma}{\hat{\sigma}}\left(\hat{\boldsymbol{\epsilon}}{\theta}\left(\boldsymbol{x}{t} \mid \boldsymbol{y}\right)-\hat{\mu}\right)+\mu ϵ~θ(xt∣y)=σ^σ(ϵ^θ(xt∣y)−μ^)+μ
作者在"掩码到图像"、"轮廓到图像"和"几何体到图像"等图像转换任务中，对本文提出的方法进行了测试，其效果如下
