生成扩散模型漫谈（二十六）：基于恒等式的蒸馏（下）

继续回到我们的扩散系列。在《生成扩散模型漫谈（二十五）：基于恒等式的蒸馏（上）》中，我们介绍了SiD（Score identity Distillation），这是一种不需要真实数据、也不需要从教师模型采样的扩散模型蒸馏方案，其形式类似GAN，但有着比GAN更好的训练稳定性。

SiD的核心是通过恒等变换来为学生模型构建更好的损失函数，这一点是开创性的，同时也遗留了一些问题。比如，SiD对损失函数的恒等变换是不完全的，如果完全变换会如何？如何从理论上解释SiD引入的$\lambda$的必要性？上个月放出的《Flow Generator Matching》（简称FGM）成功从更本质的梯度角度解释了$\lambda=0.5$的选择，而受到FGM启发，笔者则进一步发现了$\lambda = 1$的一种解释。

接下来我们将详细介绍SiD的上述理论进展。

思想回顾 #

根据上一篇文章的介绍，我们知道SiD实现蒸馏的思想是“相近的分布，它们训练出来的去噪模型也是相近的”，用公式表示就是
$$\begin{align} &\text{教师扩散模型:}\quad\boldsymbol{\varphi}^* = \mathop{\text{argmin}}_{\boldsymbol{\varphi}} \mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_0\sim \tilde{p}(\boldsymbol{x}_0),\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}}(\boldsymbol{x}_t,t) - \boldsymbol{\varepsilon}\Vert^2\right]\label{eq:tloss} \\[8pt] &\text{学生扩散模型:}\quad\boldsymbol{\psi}^* = \mathop{\text{argmin}}_{\boldsymbol{\psi}} \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t) - \boldsymbol{\varepsilon}\Vert^2\right]\label{eq:dloss}\\[8pt] &\text{学生生成模型:}\quad\boldsymbol{\theta}^* = \mathop{\text{argmin}}_{\boldsymbol{\theta}} \underbrace{\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t) - \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2\right]}_{\mathcal{L}_1}\label{eq:gloss-1} \end{align}$$
这里记号比较多，我们逐一解释。第一个损失函数就是我们要蒸馏的扩散模型的训练目标，其中$\boldsymbol{x}_t = \bar{\alpha}_t\boldsymbol{x}_0 + \bar{\beta}_t\boldsymbol{\varepsilon}$代表加噪样本，$\bar{\alpha}_t,\bar{\beta}_t$是noise schedule，$\boldsymbol{x}_0$是训练样本；第二个损失函数则是用学生模型生成的数据来训练的扩散模型，其中$\boldsymbol{x}_t^{(g)}=\bar{\alpha}_t\boldsymbol{g}_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{z}) + \bar{\beta}_t\boldsymbol{\varepsilon}$，这里的$\boldsymbol{g}_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{z})$代表学生模型的生成样本，也记为$\boldsymbol{x}_0^{(g)}$；第三个损失函数，则是试图通过拉近真实数据和学生数据所训练的扩散模型的差距，来训练学生生成模型（生成器）。

这里的教师模型是可以提前训练好的，而两个学生模型的训练只需要教师模型本身，并不需要用到训练教师模型的数据，所以作为一种蒸馏方式来看SiD是data-free的；两个学生模型则是类似GAN那样的交替训练，逐步提高生成器的生成质量。就笔者所阅读过的文献来看，这种训练思想最早出自论文《Learning Generative Models using Denoising Density Estimators》，我们在《从去噪自编码器到生成模型》也有过相关介绍。

然而，尽管看上去没什么毛病，但实际情况是式$\eqref{eq:dloss}$和式$\eqref{eq:gloss-1}$的交替训练非常容易崩溃，以至于几乎不能出效果。这是因为理论和实践上的两个gap：

1、理论上要求先求出式$\eqref{eq:dloss}$的最优解，然后才去优化式$\eqref{eq:gloss-1}$，但实际上从训练成本考虑，我们并没有将它训练到最优就去优化式$\eqref{eq:gloss-1}$了；

2、理论上$\boldsymbol{\psi}^*$随$\boldsymbol{\theta}$而变，即应该写成$\boldsymbol{\psi}^*(\boldsymbol{\theta})$，从而在优化式$\eqref{eq:gloss-1}$时应该多出一项$\boldsymbol{\psi}^*(\boldsymbol{\theta})$对$\boldsymbol{\theta}$的梯度，但实际上在优化式$\eqref{eq:gloss-1}$时我们都只当$\boldsymbol{\psi}^*$是常数。

第1个问题其实还好，因为随着训练的推进$\boldsymbol{\psi}$总能慢慢逼近理论最优的$\boldsymbol{\psi}^*$，但第2个问题非常困难且本质，可以说GAN的训练不稳定性同样也有这个问题的“功劳”。而SiD和FGM的核心贡献，正是试图解决第2个问题。

恒等变换 #

SiD的想法是通过恒等变换来减少生成器损失函数$\eqref{eq:gloss-1}$对$\boldsymbol{\psi}^*$的依赖，从而弱化第2个问题。这一想法确实是开创性的，后面已经有不少工作围绕着SiD展开，包括下面要介绍的FGM也算是其中之一。

恒等变换的核心，是如下恒等式：
$$\begin{equation}\mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_0\sim \tilde{p}(\boldsymbol{x}_0),\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\left\langle\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t), \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t)\right\rangle\right] = \mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_0\sim \tilde{p}(\boldsymbol{x}_0),\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\left\langle\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t), \boldsymbol{\varepsilon}\right\rangle\right]\label{eq:id}\end{equation}$$
简单来说就是$\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t)$可以替换成$\boldsymbol{\varepsilon}$。这里的$\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t)$是式$\eqref{eq:tloss}$的理论最优解，而$\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t)$是任意只依赖于$\boldsymbol{x}_t$和$t$的向量函数。注意“只依赖于$\boldsymbol{x}_t$和$t$”是恒等式成立的必要条件，一旦$\boldsymbol{f}$掺杂了独立的$\boldsymbol{x}_0$或$\boldsymbol{\varepsilon}$，那么恒等式就未必成立了，所以应用该恒等式之前需要仔细检查这一点。

上一篇文章我们已经给出了该恒等式的证明，不过现在看来那个证明显得有点迂回，这里给出一个更直接点的证明：

证明：将目标$\eqref{eq:tloss}$等价地改写成
$$\begin{equation}\boldsymbol{\varphi}^* = \mathop{\text{argmin}}_{\boldsymbol{\varphi}} \mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_t\sim p(\boldsymbol{x}_t)}\Big[\mathbb{E}_{\boldsymbol{\varepsilon}\sim p(\boldsymbol{\varepsilon}|\boldsymbol{x}_t)}\left[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}}(\boldsymbol{x}_t,t) - \boldsymbol{\varepsilon}\Vert^2\right]\Big]\end{equation}$$
根据$\mathbb{E}[\boldsymbol{x}] = \mathop{\text{argmin}}\limits_{\boldsymbol{\mu}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{x}}\left[\Vert \boldsymbol{\mu} - \boldsymbol{x}\Vert^2\right]$（不熟悉可以求导证一下），我们可以得出上式的理论最优解是
$$\begin{equation}\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t) = \mathbb{E}_{\boldsymbol{\varepsilon}\sim p(\boldsymbol{\varepsilon}|\boldsymbol{x}_t)}[\boldsymbol{\varepsilon}]\end{equation}$$
所以
$$\begin{equation}\begin{aligned} \mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_0\sim \tilde{p}(\boldsymbol{x}_0),\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\left\langle\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t), \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t)\right\rangle\right]=&\, \mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_t\sim p(\boldsymbol{x}_t)}\left[\left\langle\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t), \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t)\right\rangle\right] \\ =&\, \mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_t\sim p(\boldsymbol{x}_t)}\left[\left\langle\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t), \mathbb{E}_{\boldsymbol{\varepsilon}\sim p(\boldsymbol{\varepsilon}|\boldsymbol{x}_t)}[\boldsymbol{\varepsilon}]\right\rangle\right] \\ =&\, \mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_t\sim p(\boldsymbol{x}_t),\boldsymbol{\varepsilon}\sim p(\boldsymbol{\varepsilon}|\boldsymbol{x}_t)}\left[\left\langle\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t), \boldsymbol{\varepsilon}\right\rangle\right] \\ =&\, \mathbb{E}_{\boldsymbol{x}_0\sim \tilde{p}(\boldsymbol{x}_0),\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\left\langle\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t), \boldsymbol{\varepsilon}\right\rangle\right] \end{aligned}\end{equation}$$
证毕。证明过程的“必经之路”是第一个等号，这需要用到“$\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}_t,t)$只依赖于$\boldsymbol{x}_t$和$t$”这个条件。

恒等式$\eqref{eq:id}$的关键是$\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t)$的最优性，而目标$\eqref{eq:tloss}$和$\eqref{eq:dloss}$形式是一样的，所以同样的结论也适用于$\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t)$，利用它我们就可以将$\eqref{eq:gloss-1}$变换成
$$\begin{equation}\begin{aligned} &\,\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t) - \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2\right] \\[8pt] =&\,\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\bigg[\Big\langle\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t) - \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t) - \underbrace{\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)}_{\text{可以替换为}\boldsymbol{\varepsilon}}\Big\rangle\bigg] \\[5pt] =&\,\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\left\langle\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t) - \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t) - \boldsymbol{\varepsilon}\right\rangle\right]\triangleq \mathcal{L}_2 \end{aligned}\label{eq:gloss-2}\end{equation}$$
最后的形式就是SiD所提的生成器损失函数$\mathcal{L}_2$，它是SiD成功训练的关键，我们可以理解为它通过恒等变换提前预估了$\boldsymbol{\psi}^*$的值，同时弱化了对$\boldsymbol{\psi}^*$的依赖，从而以它为损失函数训练生成器比$\mathcal{L}_1$有着更好的效果。

SiD的遗留问题是：

1、$\mathcal{L}_2$的恒等变换并不彻底，将$\mathcal{L}_2$展开会发现里边还有一项$\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\rangle]$，这一项的$\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)$同样可以替换为$\boldsymbol{\varepsilon}$，那么问题就是完整的变换即下式会是一个比$\mathcal{L}_2$更好的选择吗？
$$\begin{equation}\mathcal{L}_3 = \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}\Vert^2 - 2\langle\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle + \langle \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\boldsymbol{\varepsilon}\rangle\right]\label{eq:gloss-3}\end{equation}$$

2、实际上SiD最终用的损失不是$\mathcal{L}_2$也不是$\mathcal{L}_1$，而是$\mathcal{L}_2 - \lambda\mathcal{L}_1$，其中$\lambda > 0$，并且实验发现$\lambda$的最优值在$1$附近，某些任务甚至在$\lambda=1.2$表现最好，这是非常让人困惑的，因为$\mathcal{L}_1,\mathcal{L}_2$是理论上相等的，所以$\lambda > 1$似乎在反向优化$\mathcal{L}_1$？这不就跟出发点相反了？显然这迫切需要一个理论解释。

直面梯度 #

再来回顾一下，我们面临的根本困难是：理论上$\boldsymbol{\psi}^*$是$\boldsymbol{\theta}$的函数，所以我们在求$\nabla_{\boldsymbol{\theta}} \mathcal{L}_1$或$\nabla_{\boldsymbol{\theta}} \mathcal{L}_2$时，需要想办法求$\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\psi}^*$，但实践中我们至多可以得到$\mathcal{L}_i^{\color{skyblue}{(\text{sg})}} \triangleq \mathcal{L}_i|_{\boldsymbol{\psi}^* \to \color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}$，其中$\color{skyblue}{\text{sg}}$是stop gradient的意思，即无法获取$\boldsymbol{\psi}^*$关于$\boldsymbol{\theta}$的梯度，所以不论$\mathcal{L}_1,\mathcal{L}_2,\mathcal{L}_3$，它们在实践中的梯度都是有偏的。

这时候就轮到FGM登场了，它的想法更贴近本质：损失$\mathcal{L}_1,\mathcal{L}_2,\mathcal{L}_3$都只关注到了损失层面的相等性，但对于优化器来说我们需要的是梯度层面的相等，所以我们需要想办法找一个新的损失函数$\mathcal{L}_4$，使得它满足
$$\begin{equation}\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_4(\boldsymbol{\theta}, \color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]})= \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_{1/2/3}(\boldsymbol{\theta}, \boldsymbol{\psi}^*)\end{equation}$$
即$\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_4^{\color{skyblue}{(\text{sg})}} = \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_{1/2/3}$，那么以$\mathcal{L}_4$为损失函数时，就可以实现无偏的优化效果了。

FGM的推导同样基于恒等式$\eqref{eq:id}$，不过它的原始推导有点繁琐，对于本文来说可以直接从$\mathcal{L}_3$即式$\eqref{eq:gloss-3}$出发，它跟$\boldsymbol{\psi}^*$相关的项就只剩下$\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle]$，我们直接把它的梯度算出来，方法将“先恒等变换后求梯度”和“先求梯度后恒等变换”分别应用于$\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2]$操作一遍，对比它们的结果。

先恒等变换后求梯度：
$$\begin{equation}\begin{aligned} &\,\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2] \\[5pt] =&\, \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle] = \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle] \\[5pt] =&\, \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle] + \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{x}_t^{(g)}\color{skyblue}{]},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle] \end{aligned}\label{eq:g-grad-1}\end{equation}$$
先求梯度后恒等变换：
$$\begin{equation}\begin{aligned} &\,\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2] \\[8pt] =&\, \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2] = 2\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t), \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\rangle] \\[8pt] =&\, 2\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t), \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\rangle] + \underbrace{2\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{x}_t^{(g)}\color{skyblue}{]},t), \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\rangle]}_{\text{可以应用式}\eqref{eq:id}} \\[5pt] =&\, 2\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t), \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\rangle] + 2\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{x}_t^{(g)}\color{skyblue}{]},t), \boldsymbol{\varepsilon}\rangle] \end{aligned}\label{eq:g-grad-2}\end{equation}$$
这里要注意第三个等号，只有$\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{x}_t^{(g)}\color{skyblue}{]},t)$这一项才可以应用恒等式$\eqref{eq:id}$，因为$\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)$的$\boldsymbol{x}_t^{(g)}$要对$\boldsymbol{\theta}$求梯度，求完梯度后就不一定是$\boldsymbol{x}_t^{(g)}$的函数了，所以不满足应用式$\eqref{eq:id}$的条件。

现在对于$\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2]$我们有两个结果，将式$\eqref{eq:g-grad-1}$乘以2然后减去式$\eqref{eq:g-grad-2}$得到
$$\begin{equation}\begin{aligned} &\,\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle] = \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2] = \eqref{eq:g-grad-1}\times 2 - \eqref{eq:g-grad-2} \\[5pt] =&\,2 \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle] - 2\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t), \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\rangle] \\[5pt] =&\,2 \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle] - \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2] \\[5pt] =&\,\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[2\langle \boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle - \Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2] \end{aligned}\end{equation}$$
留意最后被求梯度的式子，它所有的$\boldsymbol{\psi}^*$都被加上了$\color{skyblue}{\text{sg}}$，说明我们不用设法求它关于$\boldsymbol{\theta}$的梯度了，但它的梯度等于$\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}[\langle \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle]$的准确梯度，所以用它来替换掉$\mathcal{L}_3$的对应项，我们就得到了$\mathcal{L}_4$：
$$\begin{equation}\mathcal{L}_4^{\color{skyblue}{(\text{sg})}} = \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})}\left[\Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}\Vert^2 - 2\langle\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle + 2\langle \boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t),\boldsymbol{\varepsilon}\rangle - \Vert\boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2\right]\end{equation}$$
这就是FGM的最终结果，它只依赖于$\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}$，但成立$\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_4^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}=\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_{1/2/3}$。再仔细观察一下，就会发现成立$\mathcal{L}_4^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}=2\mathcal{L}_2^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}-\mathcal{L}_1^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}=2(\mathcal{L}_2^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}-0.5\times \mathcal{L}_1^{\color{skyblue}{(\text{sg})}})$，所以FGM相当于从梯度角度肯定了SiD的$\lambda=0.5$的选择。

顺便说一下，FGM原论文的描述是在ODE式扩散框架（flow matching）内进行的，但正如笔者在上一篇文章所说，不管是SiD还是FGM，它实际并没有用到扩散模型的迭代生成过程，而是只用到了扩散模型所训练的去噪模型，所以不管是ODE、SDE还是DDPM框架都只是表象，它的去噪模型才是本质，所以本文可以接着上一篇SiD的记号来介绍FGM。

广义散度 #

FGM已经成功地求出了最本质的梯度，但这只能解释SiD的$\lambda=0.5$，这意味着如果我们需要解释其他$\lambda$值的可行性，就必须修改出发点了。为此，我们回到原点，反思一下生成器的目标$\eqref{eq:gloss-1}$。

熟悉扩散模型的读者应该都知道，式$\eqref{eq:tloss}$的理论最优解还可以写成$\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t,t)=-\bar{\beta}_t\nabla_{\boldsymbol{x}_t}\log p(\boldsymbol{x}_t)$，同理式$\eqref{eq:dloss}$的最优解则是$\boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)=-\bar{\beta}_t\nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)})$，这里的$p(\boldsymbol{x}_t)$、$p_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)})$分别是真实数据、生成器数据加噪的分布，如果不了解这个结果，可以参考《生成扩散模型漫谈（五）：一般框架之SDE篇》、《生成扩散模型漫谈（十八）：得分匹配 = 条件得分匹配》等介绍。

将这两个理论最优解代回式$\eqref{eq:gloss-1}$，我们会发现生成器实际上在试图最小化Fisher散度：
$$\begin{equation}\begin{aligned} \mathcal{F}(p, p_{\boldsymbol{\theta}}) =&\, \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})} \left[\Vert \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)}) - \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p(\boldsymbol{x}_t^{(g)})\Vert^2\right] \\ =&\, \int p_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)}) \left\Vert \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)}) - \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p(\boldsymbol{x}_t^{(g)})\right\Vert^2 d\boldsymbol{x}_t^{(g)} \end{aligned}\end{equation}$$
我们要反思的事情，就是Fisher散度的合理性和改进点。可以看到，Fisher散度里边$p_{\boldsymbol{\theta}}$出现了两次，现在我们来请读者思考一个问题：这两处$p_{\boldsymbol{\theta}}$中哪一处更重要呢？

答案是第二处。为了理解这个事实，我们不妨考虑两种情况：1、固定第一处$p_{\boldsymbol{\theta}}$，只优化第二处$p_{\boldsymbol{\theta}}$；2、固定第二处$p_{\boldsymbol{\theta}}$，只优化第一处$p_{\boldsymbol{\theta}}$。它们的结果有什么区别呢？第一种情况大概率不会有什么变化，即依然能学到$p_{\boldsymbol{\theta}}=p$，事实上由于Fisher散度带有$\Vert\Vert^2$，所以下面更一般的结论几乎是显然成立的：

只要$r(\boldsymbol{x})$是一个处处不为零的分布，那么$p(\boldsymbol{x})=q(\boldsymbol{x})$依然是如下广义Fisher散度的理论最优解： $$\begin{equation}\mathcal{F}(p,q|r) = \int r(\boldsymbol{x}) \Vert \nabla_{\boldsymbol{x}} p(\boldsymbol{x}) - \nabla_{\boldsymbol{x}} q(\boldsymbol{x})\Vert^2 d\boldsymbol{x}\end{equation}$$

说简单点，就是第一处$p_{\boldsymbol{\theta}}$根本不重要，换成其他分布都行，单靠$\Vert\Vert^2$就能保证两个分布相等。但第二种情况就不一样了，固定第二处$p_{\boldsymbol{\theta}}$只优化第一处$p_{\boldsymbol{\theta}}$的理论最优解是
$$\begin{equation}p_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)}) = \delta(\boldsymbol{x}_t^{(g)} - \boldsymbol{x}_t^*),\quad \boldsymbol{x}_t^* = \mathop{\text{argmin}}_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}} \,\left\Vert \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)}) - \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p(\boldsymbol{x}_t^{(g)})\right\Vert^2\end{equation}$$
其中$\delta$是狄拉克delta分布，即模型只需要生成让$\Vert\Vert^2$最小的那个样本，就可以让损失最小，这说白了就是模式坍缩（Mode Collapse）！所以，Fisher散度中的第一处$p_{\boldsymbol{\theta}}$的作用不单单是次要的，甚至还可能是负面的。

这启发我们，当我们使用基于梯度的优化器来训练模型时，第一处$p_{\boldsymbol{\theta}}$的梯度干脆不要还会更好，即下述形式的Fisher散度是一个更好的选择
$$\begin{equation}\begin{aligned} \mathcal{F}^+(p, p_{\boldsymbol{\theta}}) =&\, \int p_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\theta}\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)}) \left\Vert \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p_{\boldsymbol{\theta}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)}) - \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p(\boldsymbol{x}_t^{(g)})\right\Vert^2 d\boldsymbol{x}_t^{(g)} \\[5pt] =&\, \mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})} \left[\Vert \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p_{\boldsymbol{\theta}}(\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{x}_t^{(g)}\color{skyblue}{]}) - \nabla_{\boldsymbol{x}_t^{(g)}}\log p(\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{x}_t^{(g)}\color{skyblue}{]})\Vert^2\right] \\[5pt] \propto&\, \underbrace{\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})} \left[\Vert \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{x}_t^{(g)}\color{skyblue}{]},t) - \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\psi}^*}(\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{x}_t^{(g)}\color{skyblue}{]},t)\Vert^2\right]}_{\mathcal{L}_5} \end{aligned}\end{equation}$$
也就是说，这里的$\mathcal{L}_5$极有可能会是一个比$\mathcal{L}_1$更好的出发点，它数值上跟$\mathcal{L}_1$是相等的，但少了一部分梯度：
$$\begin{equation}\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_5 = \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_1 - \nabla_{\boldsymbol{\theta}}\underbrace{\mathbb{E}_{\boldsymbol{z},\boldsymbol{\varepsilon}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{0}, \boldsymbol{I})} \left[\Vert \boldsymbol{\epsilon}_{\boldsymbol{\varphi}^*}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t) - \boldsymbol{\epsilon}_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\psi}^*\color{skyblue}{]}}(\boldsymbol{x}_t^{(g)},t)\Vert^2\right]}_{\text{刚好是}\mathcal{L}_1^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}}\end{equation}$$
其中$\nabla_{\boldsymbol{\theta}}\mathcal{L}_1$已经由FGM算出来了，它等于$\nabla_{\boldsymbol{\theta}}(2\mathcal{L}_2^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}-\mathcal{L}_1^{\color{skyblue}{(\text{sg})}})$，因此以$\mathcal{L}_5$为出发点，我们实践中的损失函数是$2\mathcal{L}_2^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}-\mathcal{L}_1^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}-\mathcal{L}_1^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}=2(\mathcal{L}_2^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}-\mathcal{L}_1^{\color{skyblue}{(\text{sg})}})$，这就解释了$\lambda=1$的选择。至于$\lambda$稍大于1的选择，则更为极端一些，它相当于在$\mathcal{L}_5$的基础上将$-\mathcal{L}_1^{\color{skyblue}{(\text{sg})}}$作为额外的惩罚项，进一步降低模式坍缩的风险，当然这里真就是单纯的惩罚项，所以权重就不能太大了，根据SiD的实验结果，$\lambda=1.5$的时候已经开始训崩了。

顺便说一下，FGM之前作者还有个作品《One-Step Diffusion Distillation through Score Implicit Matching》，里边也提出了类似的对第一处$p_{\boldsymbol{\theta}}$改为$p_{\color{skyblue}{\text{sg}[}\boldsymbol{\theta}\color{skyblue}{]}}$的做法，但没有明确地从Fisher散度的原始形式出发讨论该操作的合理性，稍欠完整。

文章小结 #

本文介绍了SiD（Score identity Distillation）的后续理论进展，主要内容是从梯度视角解释了SiD中的$\lambda$参数设置，核心部分是由FGM（Flow Generator Matching）发现的准确估计SiD梯度的巧妙思路，这肯定了$\lambda=0.5$的选择，在此基础上，笔者拓展了Fisher散度的概念，从而解释了$\lambda=1$的取值。

转载到请包括本文地址：https://spaces.ac.cn/archives/10567

更详细的转载事宜请参考：《科学空间FAQ》

打赏

微信打赏

支付宝打赏

因为网站后台对打赏并无记录，因此欢迎在打赏时候备注留言。
你还可以点击这里或在下方评论区留言来告知你的建议或需求。