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训练扩散模型

无条件图像生成是扩散模型最常见的应用之一，它会生成与训练数据集风格相似的图像。通常来说，在某个特定数据集上微调预训练模型能得到最好的结果。你可以在 Hub 上找到很多现成检查点；如果找不到满意的，也完全可以自己训练一个！

这篇教程会教你如何在 Smithsonian Butterflies 数据集的一个子集上，从零开始训练一个 UNet2DModel，生成属于你自己的 🦋 蝴蝶图像 🦋。

💡 这篇训练教程基于 Training with 🧨 Diffusers notebook 编写。如果你想了解更多背景，例如扩散模型的工作原理，也推荐一起看看这个 notebook。

开始之前，请确认已经安装了 🤗 Datasets，用来加载和预处理图像数据集；以及 🤗 Accelerate，用来简化任意数量 GPU 上的训练。下面这条命令也会安装 TensorBoard 来可视化训练指标（你也可以使用 Weights & Biases 跟踪训练）。

# 如果你在 Colab 中运行，请取消注释来安装所需依赖
#!pip install diffusers[training]

我们也很鼓励你把模型分享给社区。为此，你需要登录自己的 Hugging Face 账号（如果还没有，可以在 这里 创建）。你可以在 notebook 中登录，系统会提示你输入 token。请确保这个 token 具有写入权限。

>>> from huggingface_hub import notebook_login

>>> notebook_login()

或者在终端里登录：

hf auth login

由于模型检查点通常比较大，建议安装 Git-LFS 来管理这些大文件：

!sudo apt -qq install git-lfs
!git config --global credential.helper store

训练配置

为了方便起见，我们先创建一个 TrainingConfig 类，把训练超参数放在一起（你可以按需调整）：

>>> from dataclasses import dataclass

>>> @dataclass
... class TrainingConfig:
...     image_size = 128  # 生成图像的分辨率
...     train_batch_size = 16
...     eval_batch_size = 16  # 评估时每次采样多少张图像
...     num_epochs = 50
...     gradient_accumulation_steps = 1
...     learning_rate = 1e-4
...     lr_warmup_steps = 500
...     save_image_epochs = 10
...     save_model_epochs = 30
...     mixed_precision = "fp16"  # float32 用 `no`，自动混合精度用 `fp16`
...     output_dir = "ddpm-butterflies-128"  # 本地和 HF Hub 上的模型名称

...     push_to_hub = True  # 是否将保存后的模型上传到 HF Hub
...     hub_model_id = "<your-username>/<my-awesome-model>"  # 在 HF Hub 上创建的仓库名称
...     hub_private_repo = None
...     overwrite_output_dir = True  # 重新运行 notebook 时是否覆盖旧模型
...     seed = 0

>>> config = TrainingConfig()

加载数据集

你可以很轻松地通过 🤗 Datasets 加载 Smithsonian Butterflies 数据集：

>>> from datasets import load_dataset

>>> config.dataset_name = "huggan/smithsonian_butterflies_subset"
>>> dataset = load_dataset(config.dataset_name, split="train")

💡 你也可以从 HugGan Community Event 找到更多数据集，或者通过本地 ImageFolder 使用自己的数据集。如果你使用 HugGan Community Event 里的数据集，把 config.dataset_name 设为对应数据集的 repository id；如果你使用自己的图像，就设为 imagefolder。

🤗 Datasets 使用 Image 特性自动解码图像数据，并将其加载为 PIL.Image，所以我们可以直接可视化：

>>> import matplotlib.pyplot as plt

>>> fig, axs = plt.subplots(1, 4, figsize=(16, 4))
>>> for i, image in enumerate(dataset[:4]["image"]):
...     axs[i].imshow(image)
...     axs[i].set_axis_off()
>>> fig.show()

不过这些图像的尺寸各不相同，所以你需要先做预处理：

• Resize 把图像缩放到 config.image_size 中定义的大小。
• RandomHorizontalFlip 通过随机水平翻转图像来做数据增强。
• Normalize 很重要，它会把像素值缩放到 [-1, 1] 区间，这是模型期望的输入范围。

>>> from torchvision import transforms

>>> preprocess = transforms.Compose(
...     [
...         transforms.Resize((config.image_size, config.image_size)),
...         transforms.RandomHorizontalFlip(),
...         transforms.ToTensor(),
...         transforms.Normalize([0.5], [0.5]),
...     ]
... )

使用 🤗 Datasets 的 set_transform 方法，在训练过程中按需应用 preprocess 函数：

>>> def transform(examples):
...     images = [preprocess(image.convert("RGB")) for image in examples["image"]]
...     return {"images": images}

>>> dataset.set_transform(transform)

你也可以再次可视化图像，确认它们已经被调整到目标尺寸。接下来，就可以把数据集封装成一个 DataLoader 来训练了！

>>> import torch

>>> train_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset, batch_size=config.train_batch_size, shuffle=True)

创建 UNet2DModel

在 🧨 Diffusers 中，可以很方便地通过模型类和参数创建预训练模型。例如，下面创建一个 UNet2DModel：

>>> from diffusers import UNet2DModel

>>> model = UNet2DModel(
...     sample_size=config.image_size,  # 目标图像分辨率
...     in_channels=3,  # 输入通道数，RGB 图像为 3
...     out_channels=3,  # 输出通道数
...     layers_per_block=2,  # 每个 UNet block 中使用多少个 ResNet 层
...     block_out_channels=(128, 128, 256, 256, 512, 512),  # 每个 UNet block 的输出通道数
...     down_block_types=(
...         "DownBlock2D",  # 标准的 ResNet 下采样块
...         "DownBlock2D",
...         "DownBlock2D",
...         "DownBlock2D",
...         "AttnDownBlock2D",  # 带空间自注意力的 ResNet 下采样块
...         "DownBlock2D",
...     ),
...     up_block_types=(
...         "UpBlock2D",  # 标准的 ResNet 上采样块
...         "AttnUpBlock2D",  # 带空间自注意力的 ResNet 上采样块
...         "UpBlock2D",
...         "UpBlock2D",
...         "UpBlock2D",
...         "UpBlock2D",
...     ),
... )

通常最好先快速检查一下，样本图像的形状和模型输出形状是否一致：

>>> sample_image = dataset[0]["images"].unsqueeze(0)
>>> print("Input shape:", sample_image.shape)
Input shape: torch.Size([1, 3, 128, 128])

>>> print("Output shape:", model(sample_image, timestep=0).sample.shape)
Output shape: torch.Size([1, 3, 128, 128])

很好！接下来，你还需要一个调度器为图像添加噪声。

创建调度器

调度器在训练和推理中的行为不同。推理时，调度器会从噪声中生成图像；训练时，调度器会取扩散过程某一步的模型输出或样本，并根据噪声日程与更新规则对图像加噪。

我们先看看 DDPMScheduler，并使用 add_noise 方法给前面的 sample_image 添加一些随机噪声：

>>> import torch
>>> from PIL import Image
>>> from diffusers import DDPMScheduler

>>> noise_scheduler = DDPMScheduler(num_train_timesteps=1000)
>>> noise = torch.randn(sample_image.shape)
>>> timesteps = torch.LongTensor([50])
>>> noisy_image = noise_scheduler.add_noise(sample_image, noise, timesteps)

>>> Image.fromarray(((noisy_image.permute(0, 2, 3, 1) + 1.0) * 127.5).type(torch.uint8).numpy()[0])

模型训练的目标，就是预测添加到图像中的噪声。当前步骤的损失可以这样计算：

>>> import torch.nn.functional as F

>>> noise_pred = model(noisy_image, timesteps).sample
>>> loss = F.mse_loss(noise_pred, noise)

训练模型

到这里，启动训练所需的大部分组件都准备好了，剩下的就是把它们拼起来。

首先，你需要一个优化器和一个学习率调度器：

>>> from diffusers.optimization import get_cosine_schedule_with_warmup

>>> optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=config.learning_rate)
>>> lr_scheduler = get_cosine_schedule_with_warmup(
...     optimizer=optimizer,
...     num_warmup_steps=config.lr_warmup_steps,
...     num_training_steps=(len(train_dataloader) * config.num_epochs),
... )

接着，你还需要一种评估模型的方法。评估时，我们可以使用 DDPMPipeline 生成一批示例图像，并把它们保存成一个网格图：

>>> from diffusers import DDPMPipeline
>>> from diffusers.utils import make_image_grid
>>> import os

>>> def evaluate(config, epoch, pipeline):
...     # 从随机噪声采样图像（这就是反向扩散过程）
...     # 管道默认输出类型是 `List[PIL.Image]`
...     images = pipeline(
...         batch_size=config.eval_batch_size,
...         generator=torch.Generator(device='cpu').manual_seed(config.seed), # 单独使用一个 torch generator，避免回退主训练循环的随机状态
...     ).images

...     # 把图像拼成网格
...     image_grid = make_image_grid(images, rows=4, cols=4)

...     # 保存图像
...     test_dir = os.path.join(config.output_dir, "samples")
...     os.makedirs(test_dir, exist_ok=True)
...     image_grid.save(f"{test_dir}/{epoch:04d}.png")

现在，你可以用 🤗 Accelerate 把这些组件包装进一个训练循环中，轻松实现 TensorBoard 日志记录、梯度累积和混合精度训练。为了把模型上传到 Hub，还需要写一个函数来创建仓库并将训练结果推送到 Hub。

💡 下面的训练循环看起来可能有点长，也有点吓人，但等你真正只用一行代码启动训练时，就会觉得很值得！如果你现在只想快点开始生成图像，也可以先直接复制运行下面的代码，之后再回头仔细研究训练循环，比如等模型训练完成的时候。🤗

>>> from accelerate import Accelerator
>>> from huggingface_hub import create_repo, upload_folder
>>> from tqdm.auto import tqdm
>>> from pathlib import Path
>>> import os

>>> def train_loop(config, model, noise_scheduler, optimizer, train_dataloader, lr_scheduler):
...     # 初始化 accelerator 和 tensorboard 日志
...     accelerator = Accelerator(
...         mixed_precision=config.mixed_precision,
...         gradient_accumulation_steps=config.gradient_accumulation_steps,
...         log_with="tensorboard",
...         project_dir=os.path.join(config.output_dir, "logs"),
...     )
...     if accelerator.is_main_process:
...         if config.output_dir is not None:
...             os.makedirs(config.output_dir, exist_ok=True)
...         if config.push_to_hub:
...             repo_id = create_repo(
...                 repo_id=config.hub_model_id or Path(config.output_dir).name, exist_ok=True
...             ).repo_id
...         accelerator.init_trackers("train_example")

...     # 准备所有对象
...     # 不需要记住固定顺序，只要解包时和传给 prepare 的顺序一致即可。
...     model, optimizer, train_dataloader, lr_scheduler = accelerator.prepare(
...         model, optimizer, train_dataloader, lr_scheduler
...     )

...     global_step = 0

...     # 开始训练模型
...     for epoch in range(config.num_epochs):
...         progress_bar = tqdm(total=len(train_dataloader), disable=not accelerator.is_local_main_process)
...         progress_bar.set_description(f"Epoch {epoch}")

...         for step, batch in enumerate(train_dataloader):
...             clean_images = batch["images"]
...             # 为图像采样噪声
...             noise = torch.randn(clean_images.shape, device=clean_images.device)
...             bs = clean_images.shape[0]

...             # 为每张图像随机采样一个时间步
...             timesteps = torch.randint(
...                 0, noise_scheduler.config.num_train_timesteps, (bs,), device=clean_images.device,
...                 dtype=torch.int64
...             )

...             # 按照每个时间步对应的噪声强度给干净图像加噪
...             # （这就是前向扩散过程）
...             noisy_images = noise_scheduler.add_noise(clean_images, noise, timesteps)

...             with accelerator.accumulate(model):
...                 # 预测噪声残差
...                 noise_pred = model(noisy_images, timesteps, return_dict=False)[0]
...                 loss = F.mse_loss(noise_pred, noise)
...                 accelerator.backward(loss)

...                 if accelerator.sync_gradients:
...                     accelerator.clip_grad_norm_(model.parameters(), 1.0)
...                 optimizer.step()
...                 lr_scheduler.step()
...                 optimizer.zero_grad()

...             progress_bar.update(1)
...             logs = {"loss": loss.detach().item(), "lr": lr_scheduler.get_last_lr()[0], "step": global_step}
...             progress_bar.set_postfix(**logs)
...             accelerator.log(logs, step=global_step)
...             global_step += 1

...         # 每个 epoch 后可以选择用 evaluate() 采样一些演示图像，并保存模型
...         if accelerator.is_main_process:
...             pipeline = DDPMPipeline(unet=accelerator.unwrap_model(model), scheduler=noise_scheduler)

...             if (epoch + 1) % config.save_image_epochs == 0 or epoch == config.num_epochs - 1:
...                 evaluate(config, epoch, pipeline)

...             if (epoch + 1) % config.save_model_epochs == 0 or epoch == config.num_epochs - 1:
...                 if config.push_to_hub:
...                     upload_folder(
...                         repo_id=repo_id,
...                         folder_path=config.output_dir,
...                         commit_message=f"Epoch {epoch}",
...                         ignore_patterns=["step_*", "epoch_*"],
...                     )
...                 else:
...                     pipeline.save_pretrained(config.output_dir)

呼，这段代码确实不少！不过现在你终于可以用 🤗 Accelerate 的 notebook_launcher 函数启动训练了。把训练循环函数、所有训练参数以及进程数（你可以改成自己可用 GPU 的数量）传进去即可：

>>> from accelerate import notebook_launcher

>>> args = (config, model, noise_scheduler, optimizer, train_dataloader, lr_scheduler)

>>> notebook_launcher(train_loop, args, num_processes=1)

训练完成后，来看看你的扩散模型最终生成的 🦋 蝴蝶图像 🦋 吧！

>>> import glob

>>> sample_images = sorted(glob.glob(f"{config.output_dir}/samples/*.png"))
>>> Image.open(sample_images[-1])

下一步

无条件图像生成只是可训练任务中的一个例子。你可以继续访问 🧨 Diffusers 训练示例 页面，探索更多任务和训练技术。比如：

• Textual Inversion：教会模型一个特定的视觉概念，并把它融入生成结果中。
• DreamBooth：给定某个主体的若干输入图像，生成该主体的个性化图像。
• 引导：在你自己的数据集上微调 Stable Diffusion 模型。
• 引导：使用 LoRA 这种更省内存的方法，更快地微调超大模型。