科学空间|Scientific Spaces

在文章《生成扩散模型漫谈（一）：DDPM = 拆楼 + 建楼》中，我们为生成扩散模型DDPM构建了“拆楼-建楼”的通俗类比，并且借助该类比完整地推导了生成扩散模型DDPM的理论形式。在该文章中，我们还指出DDPM本质上已经不是传统的扩散模型了，它更多的是一个变分自编码器VAE，实际上DDPM的原论文中也是将它按照VAE的思路进行推导的。

所以，本文就从VAE的角度来重新介绍一版DDPM，同时分享一下自己的Keras实现代码和实践经验。

Github地址：https://github.com/bojone/Keras-DDPM

多步突破

在传统的VAE中，编码过程和生成过程都是一步到位的：
\begin{equation}\text{编码:}\,\,x\to z\,,\quad \text{生成:}\,\,z\to x\end{equation}

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相信很多读者都听说过甚至读过克莱因的《高观点下的初等数学》这套书，顾名思义，这是在学到了更深入、更完备的数学知识后，从更高的视角重新审视过往学过的初等数学，以得到更全面的认知，甚至达到温故而知新的效果。类似的书籍还有很多，比如《重温微积分》、《复分析：可视化方法》等。

回到扩散模型，目前我们已经通过三篇文章从不同视角去解读了DDPM，那么它是否也存在一个更高的理解视角，让我们能从中得到新的收获呢？当然有，《Denoising Diffusion Implicit Models》介绍的DDIM模型就是经典的案例，本文一起来欣赏它。

思路分析

在《生成扩散模型漫谈（三）：DDPM = 贝叶斯 + 去噪》中，我们提到过该文章所介绍的推导跟DDIM紧密相关。具体来说，文章的推导路线可以简单归纳如下：
\begin{equation}p(\boldsymbol{x}_t|\boldsymbol{x}_{t-1})\xrightarrow{\text{推导}}p(\boldsymbol{x}_t|\boldsymbol{x}_0)\xrightarrow{\text{推导}}p(\boldsymbol{x}_{t-1}|\boldsymbol{x}_t, \boldsymbol{x}_0)\xrightarrow{\text{近似}}p(\boldsymbol{x}_{t-1}|\boldsymbol{x}_t)\end{equation}

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前面的几篇文章都是比较偏理论的结果，这篇文章我们来讨论一个比较有实用价值的主题——条件控制生成。

作为生成模型，扩散模型跟VAE、GAN、flow等模型的发展史很相似，都是先出来了无条件生成，然后有条件生成就紧接而来。无条件生成往往是为了探索效果上限，而有条件生成则更多是应用层面的内容，因为它可以实现根据我们的意愿来控制输出结果。从DDPM至今，已经出来了很多条件扩散模型的工作，甚至可以说真正带火了扩散模型的就是条件扩散模型，比如脍炙人口的文生图模型DALL·E 2、Imagen。

在这篇文章中，我们对条件扩散模型的理论基础做个简单的学习和总结。

技术分析

从方法上来看，条件控制生成的方式分两种：事后修改（Classifier-Guidance）和事前训练（Classifier-Free）。

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在《生成扩散模型漫谈（五）：一般框架之SDE篇》中，我们从SDE的角度理解了生成扩散模型，然后在《生成扩散模型漫谈（六）：一般框架之ODE篇》中，我们知道SDE对应的扩散模型中，实际上隐含了一个ODE模型。无独有偶，在《生成扩散模型漫谈（四）：DDIM = 高观点DDPM》中我们也知道原本随机采样的DDPM模型中，也隐含了一个确定性的采样过程DDIM，它的连续极限也是一个ODE。

细想上述过程，可以发现不管是“DDPM→DDIM”还是“SDE→ODE”，都是从随机采样模型过渡到确定性模型，而如果我们一开始的目标就是ODE，那么该过程未免显得有点“迂回”了。在本文中，笔者尝试给出ODE扩散模型的直接推导，并揭示了它与雅可比行列式、热传导方程等内容的联系。

微分方程

像GAN这样的生成模型，它本质上是希望找到一个确定性变换，能将从简单分布（如标准正态分布）采样出来的随机变量，变换为特定数据分布的样本。flow模型也是生成模型之一，它的思路是反过来，先找到一个能将数据分布变换简单分布的可逆变换，再求解相应的逆变换来得到一个生成模型。

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书接上文，在《生成扩散模型漫谈（十三）：从万有引力到扩散模型》中，我们介绍了一个由万有引力启发的、几何意义非常清晰的ODE式生成扩散模型。有的读者看了之后就疑问：似乎“万有引力”并不是唯一的选择，其他形式的力是否可以由同样的物理绘景构建扩散模型？另一方面，该模型在物理上确实很直观，但还欠缺从数学上证明最后确实能学习到数据分布。

本文就尝试从数学角度比较精确地回答“什么样的力场适合构建ODE式生成扩散模型”这个问题。

基础结论

要回答这个问题，需要用到在《生成扩散模型漫谈（十二）：“硬刚”扩散ODE》中我们推导过的一个关于常微分方程对应的分布变化的结论。

考虑$\boldsymbol{x}_t\in\mathbb{R}^d, t\in[0,T]$的一阶（常）微分方程（组）
\begin{equation}\frac{d\boldsymbol{x}_t}{dt}=\boldsymbol{f}_t(\boldsymbol{x}_t)\label{eq:ode}\end{equation}

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众所周知，分类问题的常规评估指标是正确率，而标准的损失函数则是交叉熵，交叉熵有着收敛快的优点，但它并非是正确率的光滑近似，这就带来了训练和预测的不一致性问题。另一方面，当训练样本的预测概率很低时，交叉熵会给出一个非常巨大的损失（趋于$-\log 0^{+}=\infty$），这意味着交叉熵会特别关注预测概率低的样本——哪怕这个样本可能是“脏数据”。所以，交叉熵训练出来的模型往往有过度自信现象，即每个样本都给出较高的预测概率，这会带来两个副作用：一是对脏数据的过度拟合带来的效果下降，二是预测的概率值无法作为不确定性的良好指标。

围绕交叉熵的改进，学术界一直都有持续输出，目前这方面的研究仍处于“八仙过海，各显神通”的状态，没有标准答案。在这篇文章中，我们来学习一下论文《Tailoring Language Generation Models under Total Variation Distance》给出的该问题的又一种简明的候选方案。

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Wasserstein距离（下面简称“W距离”），是基于最优传输思想来度量两个概率分布差异程度的距离函数，笔者之前在《从Wasserstein距离、对偶理论到WGAN》等博文中也做过介绍。对于很多读者来说，第一次听说W距离，是因为2017年出世的WGAN，它开创了从最优传输视角来理解GAN的新分支，也提高了最优传输理论在机器学习中的地位。很长一段时间以来，GAN都是生成模型领域的“主力军”，直到最近这两年扩散模型异军突起，GAN的风头才有所下降，但其本身仍不失为一个强大的生成模型。

从形式上来看，扩散模型和GAN差异很明显，所以其研究一直都相对独立。不过，去年底的一篇论文《Score-based Generative Modeling Secretly Minimizes the Wasserstein Distance》打破了这个隔阂：它证明了扩散模型的得分匹配损失可以写成W距离的上界形式。这意味着在某种程度上，最小化扩散模型的损失函数，实则跟WGAN一样，都是在最小化两个分布的W距离。

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在这篇文章中，我们将探讨一个被称为“梯度流（Gradient Flow）”的概念。简单来说，梯度流是将我们在用梯度下降法中寻找最小值的过程中的各个点连接起来，形成一条随（虚拟的）时间变化的轨迹，这条轨迹便被称作“梯度流”。在文章的后半部分，我们将重点讨论如何将梯度流的概念扩展到概率空间，从而形成“Wasserstein梯度流”，为我们理解连续性方程、Fokker-Planck方程等内容提供一个新的视角。

梯度下降

假设我们想搜索光滑函数$f(\boldsymbol{x})$的最小值，常见的方案是梯度下降（Gradient Descent），即按照如下格式进行迭代：
\begin{equation}\boldsymbol{x}_{t+1} = \boldsymbol{x}_t -\alpha \nabla_{\boldsymbol{x}_t}f(\boldsymbol{x}_t)\label{eq:gd-d}\end{equation}
如果$f(\boldsymbol{x})$关于$\boldsymbol{x}$是凸的，那么梯度下降通常能够找到最小值点；相反，则通常只能收敛到一个“驻点”——即梯度为0的点，比较理想的情况下能收敛到一个极小值（局部最小值）点。这里没有对极小值和最小值做严格区分，因为在深度学习中，即便是收敛到一个极小值点也是很难得的了。

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