从U-Net到DiT：Transformer技术在统治扩散模型中的应用

近几年，在 Transformer 的推动下，机器学习正在经历复兴。过去五年中，用于自然语言处理、计算机视觉以及其他领域的神经架构在很大程度上已被 transformer 所占据。

不过还有许多图像级生成模型仍然不受这一趋势的影响，例如过去一年扩散模型在图像生成方面取得了惊人的成果，几乎所有这些模型都使用卷积 U-Net 作为主干。这有点令人惊讶！在过去的几年中，深度学习的大事件一直是跨领域的 Transformer 的主导地位。U-Net 或卷积是否有什么特别之处使它们在扩散模型中表现得如此出色？

将 U-Net 主干网络首次引入扩散模型的研究可追溯到 Ho 等人，这种设计模式继承了自回归生成模型 PixelCNN++，只是稍微进行了一些改动。而 PixelCNN++ 由卷积层组成，其包含许多的 ResNet 块。其与标准的 U-Net 相比，PixelCNN++ 附加的空间自注意力块成为 transformer 中的基本组件。不同于其他人的研究，Dhariwal 和 Nichol 等人消除了 U-Net 的几种架构选择，例如使用自适应归一化层为卷积层注入条件信息和通道计数。

本文中来自 UC 伯克利的 William Peebles 以及纽约大学的谢赛宁撰文《 Scalable Diffusion Models with Transformers 》，目标是揭开扩散模型中架构选择的意义，并为未来的生成模型研究提供经验基线。该研究表明，U-Net 归纳偏置对扩散模型的性能不是至关重要的，并且可以很容易地用标准设计（如 transformer）取代。

这一发现表明，扩散模型可以从架构统一趋势中受益，例如，扩散模型可以继承其他领域的最佳实践和训练方法，保留这些模型的可扩展性、鲁棒性和效率等有利特性。标准化架构也将为跨领域研究开辟新的可能性。

• 论文地址：https://arxiv.org/pdf/2212.09748.pdf
• 项目地址：https://github.com/facebookresearch/DiT
• 论文主页：https://www.wpeebles.com/DiT

该研究专注于一类新的基于 Transformer 的扩散模型：Diffusion Transformers（简称 DiTs）。DiTs 遵循 Vision Transformers (ViTs) 的最佳实践，有一些小但重要的调整。DiT 已被证明比传统的卷积网络（例如 ResNet ）具有更有效地扩展性。

具体而言，本文研究了 Transformer 在网络复杂度与样本质量方面的扩展行为。研究表明，通过在潜在扩散模型 (LDM) 框架下构建 DiT 设计空间并对其进行基准测试，其中扩散模型在 VAE 的潜在空间内进行训练，可以成功地用 transformer 替换 U-Net 主干。本文进一步表明 DiT 是扩散模型的可扩展架构：网络复杂性（由 Gflops 测量）与样本质量（由 FID 测量）之间存在很强的相关性。通过简单地扩展 DiT 并训练具有高容量主干（118.6 Gflops）的 LDM，可以在类条件 256 × 256 ImageNet 生成基准上实现 2.27 FID 的最新结果。

Diffusion Transformers

DiTs 是一种用于扩散模型的新架构，目标是尽可能忠实于标准 transformer 架构，以保留其可扩展性。DiT 保留了 ViT 的许多最佳实践，图 3 显示了完整 DiT 体系架构。

DiT 的输入为空间表示 z（对于 256 × 256 × 3 图像，z 的形状为 32 × 32 × 4）。DiT 的第一层是 patchify，该层通过将每个 patch 线性嵌入到输入中，以此将空间输入转换为一个 T token 序列。patchify 之后，本文将标准的基于 ViT 频率的位置嵌入应用于所有输入 token。

patchify 创建的 token T 的数量由 patch 大小超参数 p 决定。如图 4 所示，将 p 减半将使 T 翻四倍，因此至少能使 transformer Gflops 翻四倍。本文将 p = 2,4,8 添加到 DiT 设计空间。

DiT 块设计：在 patchify 之后，输入 token 由一系列 transformer 块处理。除了噪声图像输入之外，扩散模型有时还会处理额外的条件信息，例如噪声时间步长 t、类标签 c、自然语言等。本文探索了四种以不同方式处理条件输入的 transformer 块变体。这些设计对标准 ViT 块设计进行了微小但重要的修改。所有模块的设计如图 3 所示。

本文尝试了四种因模型深度和宽度而异的配置：DiT-S、DiT-B、DiT-L 和 DiT-XL。这些模型配置范围从 33M 到 675M 参数，Gflops 从 0.4 到 119 。

实验

研究者训练了四个最高 Gflop 的 DiT-XL/2 模型，每个模型使用不同的 block 设计 ——in-context（119.4Gflops）、cross-attention（137.6Gflops）、adaptive layer norm（adaLN，118.6Gflops）或 adaLN-zero（118.6Gflops）。然后在训练过程中测量 FID，图 5 为结果。

扩展模型大小和 patch 大小。图 2（左）给出了每个模型的 Gflops 和它们在 400K 训练迭代时的 FID 概况。可以发现，增加模型大小和减少 patch 大小会对扩散模型产生相当大的改进。

图 6（顶部）展示了 FID 是如何随着模型大小的增加和 patch 大小保持不变而变化的。在四种设置中，通过使 Transformer 更深、更宽，训练的所有阶段都获得了 FID 的明显提升。同样，图 6（底部）展示了 patch 大小减少和模型大小保持不变时的 FID。研究者再次观察到，在整个训练过程中，通过简单地扩大 DiT 处理的 token 数量，并保持参数的大致固定，FID 会得到相当大的改善。

图 8 中展示了 FID-50K 在 400K 训练步数下与模型 Gflops 的对比：

SOTA 扩散模型 256×256 ImageNet。在对扩展分析之后，研究者继续训练最高 Gflop 模型 DiT-XL/2，步数为 7M。图 1 展示了该模型的样本，并与类别条件生成 SOTA 模型进行比较，表 2 中展示了结果。

当使用无分类器指导时，DiT-XL/2 优于之前所有的扩散模型，将之前由 LDM 实现的 3.60 的最佳 FID-50K 降至 2.27。如图 2（右）所示，相对于 LDM-4（103.6 Gflops）这样的潜在空间 U-Net 模型来说，DiT-XL/2（118.6 Gflops）计算效率高得多，也比 ADM（1120 Gflops）或 ADM-U（742 Gflops）这样的像素空间 U-Net 模型效率高很多。

表 3 展示了与 SOTA 方法的比较。XL/2 在这一分辨率下再次胜过之前的所有扩散模型，将 ADM 之前取得的 3.85 的最佳 FID 提高到 3.04。

更多研究细节，可参考原论文。

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