扩散+超分辨率模型强强联合，谷歌图像生成器Imagen背后的技术

近年来，多模态学习受到重视，特别是文本 - 图像合成和图像 - 文本对比学习两个方向。一些 AI 模型因在创意图像生成、编辑方面的应用引起了公众的广泛关注，例如 OpenAI 先后推出的文本图像模型 DALL・E 和 DALL-E 2，以及英伟达的 GauGAN 和 GauGAN2。

谷歌也不甘落后，在 5 月底发布了自己的文本到图像模型 Imagen，看起来进一步拓展了字幕条件（caption-conditional）图像生成的边界。

仅仅给出一个场景的描述，Imagen 就能生成高质量、高分辨率的图像，无论这种场景在现实世界中是否合乎逻辑。下图为 Imagen 文本生成图像的几个示例，在图像下方显示出了相应的字幕。

这些令人印象深刻的生成图像不禁让人想了解：Imagen 到底是如何工作的呢？

近期，开发者讲师 Ryan O'Connor 在 AssemblyAI 博客撰写了一篇长文《How Imagen Actually Works》，详细解读了 Imagen 的工作原理，对 Imagen 进行了概览介绍，分析并理解其高级组件以及它们之间的关联。

Imagen 工作原理概览

在这部分，作者展示了 Imagen 的整体架构，并对其它的工作原理做了高级解读；然后依次更透彻地剖析了 Imagen 的每个组件。如下动图为 Imagen 的工作流程。

首先，将字幕输入到文本编码器。该编码器将文本字幕转换成数值表示，后者将语义信息封装在文本中。Imagen 中的文本编码器是一个 Transformer 编码器，其确保文本编码能够理解字幕中的单词如何彼此关联，这里使用自注意力方法。

如果 Imagen 只关注单个单词而不是它们之间的关联，虽然可以获得能够捕获字幕各个元素的高质量图像，但描述这些图像时无法以恰当的方式反映字幕语义。如下图示例所示，如果不考虑单词之间的关联，就会产生截然不同的生成效果。

虽然文本编码器为 Imagen 的字幕输入生成了有用的表示，但仍需要设计一种方法生成使用这一表示的图像，也即图像生成器。为此，Imagen 使用了扩散模型，它是一种生成模型，近年来得益于其在多项任务上的 SOTA 性能而广受欢迎。

扩散模型通过添加噪声来破坏训练数据以实现训练，然后通过反转这个噪声过程来学习恢复数据。给定输入图像，扩散模型将在一系列时间步中迭代地利用高斯噪声破坏图像，最终留下高斯噪声或电视噪音静态（TV static）。下图为扩散模型的迭代噪声过程：

然后，扩散模型将向后 work，学习如何在每个时间步上隔离和消除噪声，抵消刚刚发生的破坏过程。训练完成后，模型可以一分为二。这样可以从随机采样高斯噪声开始，使用扩散模型逐渐去噪以生成图像，具体如下图所示：

总之，经过训练的扩散模型从高斯噪声开始，然后迭代地生成与训练图像类似的图像。很明显的是，无法控制图像的实际输出，仅仅是将高斯噪声输入到模型中，并且它会输出一张看起来属于训练数据集的随机图像。

但是，目标是创建能够将输入到 Imagen 的字幕的语义信息封装起来的图像，因此需要一种将字幕合并到扩散过程中的方法。如何做到这一点呢？

上文提到文本编码器产生了有代表性的字幕编码，这种编码实际上是向量序列。为了将这一编码信息注入到扩散模型中，这些向量被聚合在一起，并在它们的基础上调整扩散模型。通过调整这一向量，扩散模型学习如何调整其去噪过程以生成与字幕匹配良好的图像。过程可视化图如下所示：

由于图像生成器或基础模型输出一个小的 64x64 图像，为了将这一模型上采样到最终的 1024x1024 版本，使用超分辨率模型智能地对图像进行上采样。

对于超分辨率模型，Imagen 再次使用了扩散模型。整体流程与基础模型基本相同，除了仅仅基于字幕编码调整外，还以正在上采样的更小图像来调整。整个过程的可视化图如下所示：

这个超分辨率模型的输出实际上并不是最终输出，而是一个中等大小的图像。为了将该图像放大到最终的 1024x1024 分辨率，又使用了另一个超分辨率模型。两个超分辨率架构大致相同，因此不再赘述。而第二个超分辨率模型的输出才是 Imagen 的最终输出。

为什么 Imagen 比 DALL-E 2 更好？

确切地回答为什么 Imagen 比 DALL-E 2 更好是困难的。然而，性能差距中不可忽视的一部分源于字幕以及提示差异。DALL-E 2 使用对比目标来确定文本编码与图像（本质上是 CLIP）的相关程度。文本和图像编码器调整它们的参数，使得相似的字幕 - 图像对的余弦相似度最大化，而不同的字幕 - 图像对的余弦相似度最小化。

性能差距的一个显著部分源于 Imagen 的文本编码器比 DALL-E 2 的文本编码器大得多，并且接受了更多数据的训练。作为这一假设的证据，我们可以在文本编码器扩展时检查 Imagen 的性能。下面为 Imagen 性能的帕累托曲线：

放大文本编码器的效果高得惊人，而放大 U-Net 的效果却低得惊人。这一结果表明，相对简单的扩散模型只要以强大的编码为条件，就可以产生高质量的结果。

鉴于 T5 文本编码器比 CLIP 文本编码器大得多，再加上自然语言训练数据必然比图像 - 字幕对更丰富这一事实，大部分性能差距可能归因于这种差异。

除此以外，作者还列出了 Imagen 的几个关键要点，包括以下内容：

• 扩展文本编码器是非常有效的；
• 扩展文本编码器比扩展 U-Net 大小更重要；
• 动态阈值至关重要；
• 噪声条件增强在超分辨率模型中至关重要；
• 将交叉注意用于文本条件反射至关重要；
• 高效的 U-Net 至关重要。

这些见解为正在研究扩散模型的研究人员提供了有价值的方向，而不是只在文本到图像的子领域有用。

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