Stable Diffusion概要讲解
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扩散模型系列文章正在持续的更新，更新节奏如下，先更新SD模型讲解，再更新相关的微调方法文章，敬请期待！！！（本文及其之前的文章均已更新）
SD模型原理：
微调方法原理：
Stable Diffusion模型分类
参考：关于Stable diffusion的各种模型，看这篇就可以了！
模型后缀
在Stable diffusion中，有两种比较常见的模型后缀，分别是 .ckpt/.pt 和 .safetensors 。
.ckpt
.ckpt 的全称是 checkpoint，中文翻译就是检查点，这是 TensorFlow 中用于保存模型参数的格式，通常与 .meta 文件一起使用，以便恢复训练过程。简单理解的话，.ckpt 模型就好比我们打游戏时，每通过一关时对这一关的一个“存档”。.ckpt 保存了比较多的训练信息，比如模型的权重、优化器的状态还有一些Python代码。以便可以从这个点位重新开始训练。
.ckpt这种做法有两个问题：
- 可能包含恶意代码，因此不建议从未知或不信任的来源下载并加载.ckpt 模型文件；
- 模型的体积较大，一般真人版的单个模型的大小在7GB左右，动漫版的在2-5GB之间。
.pt、.pth 和.pkl
.pt 则是 PyTorch保存模型参数的格式。TensorFlow 和 PyTorch都是比较出名的深度学习框架，只不过一个是Google发布的，另外一个是Facebook发布的。PyTorch 保存模型的格式除了.pt 之外，还有 .pth 和.pkl。.pt 和 .pth 之间并没有本质的差别，而.pkl 只是多了一步用Python的 pickle 模块进行序列化。
.safetensors
.safetensors 模型则是 huggingface 推出的新的模型存储格式，专门为Stable Diffusion模型设计。这种格式的文件只保存模型的权重，而不包含优化器状态或其他信息，这也就意味着它通常用于模型的最终版本，当我们只关心模型的性能，而不需要了解训练过程中的详细信息时，这种格式便是一个很好的选择。
优点
- 只保存模型的权重，没有代码，所以会更安全；
- 由于保存的信息更少，所以它的体积也比 .ckpt 小，加载也更快，所以目前是比较推荐使用 .safetensors 的模型文件。
使用场景
如果想在某个SD模型上进行微调，那还是得用 .ckpt 模型；但如果你只关心出图结果，那么使用 .safetensors 模型会更好！
模型剪枝
下载模型的时候，可能还会看到两个版本，一个版本带 pruned，另外一个版本是带 pruned-emaonly，比如下面这个：
在深度学习模型训练的过程中，模型的参数（或称为“权重”）会在每一次迭代（或训练步）中根据损失函数（loss function）对数据的拟合情况进行调整。当训练结束时，模型所拥有的权重就是经过所有训练样本反复教导后的最终状态。
这是因为大模型在训练的时候会保存两组不同类型的权重：
pruned 模型
pruned 的模型取的是最后一次的权重，这部分权重代表了模型在训练数据上学习到的知识，没有经过额外的平滑处理，直接反映了最后一次更新的结果。
【保留了所有原始训练过程中的权重（即未经 EMA 平滑的权重），并且还包含了 EMA（Exponential Moving Average）权重】
pruned-emaonly 模型
只保留EMA权重。最近几次迭代【对整个训练过程中的所有迭代】的权重进行加权平均，加权平均即EMA（Exponential Moving Average），使用加权平均主要是减少短期波动的影响，这样得到的模型泛化性更好，也更稳定，也就是带 pruned-emaonly 的模型。
【EMA（Exponential Moving Average）权重是在训练过程中对模型参数进行滑动平均计算得到的。相比于原始权重，EMA 权重更平滑，能够提高推理时的模型稳定性，尤其是在深度学习生成模型中。】
具体计算方式
EMA 权重的更新公式如下：
原理说明
- 由于 EMA 使用指数加权平均，EMA 权重在训练过程中对所有过去的权重都有影响。
- 这种加权方式会对越早的权重赋予较低的权重，而对最近的权重赋予较高的权重。随着训练迭代次数增多，EMA 权重主要受到近期权重的影响，但早期的权重也不会被完全舍弃。
由于带 pruned-emaonly 的模型体积更小，所以占用的显存（VRAM）也更少，适合用于直接出图；带 pruned 的模型体积更大，占用的显存也更多，更适合对其进行微调，如下图：
Stable Diffusion概要讲解
转录至：https://www.youtube.com/watch?v=F6ApJH5xuVo
相关知识
这里讲解Stable Diffusion的生成原理，应该说Stable Diffusion算法是AIGC浪潮崛起的基础，无数的AIGC工具都在此基础上衍生出来的，本文主要会分为三个部分：
1. 介绍Stable Diffusion的原理：
什么是Diffusion？ 如何稳定的控制扩散？ 以及介绍CLIP和UNET的原理，理解VAE的编解码过程。
2. 第二部分介绍模型训练的相关原理：
包括机器是如何认识图片的以及如何训练模型
3. 第三部分介绍大模型的微调技术
包括为什么要进行微调，微调要解决的问题以及常见的微调技术及其相关原理。
什么是扩散 Diffusion？CLIP、UNET、VAE的原理
首先，需要明确一下 Stable Diffusion 是一个算法，Stable 是稳定的，Diffusion 是扩散，所以Stable Diffusion就是一种稳定的扩散的算法。
在图像领域中，扩散算法指的是通过一定规则去噪或者加噪的过程，其中去噪也称为反向扩散，加噪也称为正向扩散。
拿提示语 a red flower 为例，当要生成一朵红色的花时，扩散过程会从最开始的灰色噪点块、逐渐去噪，直到最终清晰显示一朵红色的花。那么对于Stable Diffusion算法来说，这个扩散过程。怎么能够被稳定的控制住呢？
我们以文生图为例，展示一下Stable Diffusion的原理。这里大家可以把它抽象理解为一个大的函数 函数名称是Fsd，函数的参数是prompt，输入一段自然语义prompt经过一系列的函数运算和变化 最终输出一张图的过程。
这个过程中会经过CLIP、UNET、VAE三部分，拆解开来讲解一下。
CLIP
第一个部分，我们输入了一段prompt，这段prompt是如何起作用的呢？
实际上，让prompt能够起作用的是一个叫做CLIP的算法。CLIP是Text Encoder算法的一种，Text Encoder 大家从字面意思也能够理解，是把文字转化为编码的一种算法。他的主要功能是【CLIP模型根据训练中的学到的经验，感知这个prompts的事物有哪些特征】把自然语义prompt 转变为77x768维度的词特征向量Embedding。比如我们输入了一个prompt cute girl，也就是可爱的女孩，CLIP算法在进行自然语义处理的时候，会根据之前被程序员调教的经验，大概感知到可爱的女孩可能具有哪些特征，比如她们可能有”大大圆圆的眼睛“， 可能有”白皙的肌肤“， 可能有”可爱的神态“等等，然后这些可能的特征，会被转化为77个等长的token词向量，其中每个词向量包含768个维度。这就是我们说的Embedding。
同样的一个关键词，为啥有的生成出来就这么好看，有的生成出来就很丑？ 那是因为，当输入同一个prompt时，Text encoder过程是一样，也就是得到的词向量是一致的，但是后面的去噪算法依赖的模型不同，所以生成的效果千差万别。接下来我们就来讲一下Stable Diffusion里面，最重要的UNET算法。
UNET
UNET是一种基于词向量的扩散算法。之前的CLIP算法，会根据输入的prompt输出对应机器能识别的词特征向量Embedding。 这个Embedding只需要把它粗浅的理解成是一个函数，【转换为】包含（Q、K、V）三个参数就好了，这三个参数会根据我们输入的对应的扩散步长，在UNET去噪算法的每一步发生作用，比如设置了去噪步长为20步，大家能看到这张图逐渐扩散生成的效果如下图。
这里需要注意的是，实际上UNET去噪的原理比这里描述的复杂很多，它其实并不是一步一步去噪就能得到对应效果的，如果仅仅是一步一步的去噪，效果往往很差，并不能精确得到描述文本的图片。
【不看这段也罢，说的是将prompt加入随机噪声中，并学习如何对加入的噪声进行预测，在生成图像时候，根据训练时候学习到的噪声预测方法进行去噪，看我后面系列文章的解读，会更清晰】所以这里稍微讲得深入一些介绍一下Classifier Free Guidance引导方法。为了保证我们prompt最终的精确性，在UNET分步去噪的时候，比如我设置的去噪步长为20，他会在每一步都生成一个有prompt特征引导的图，和一个没有prompt特征引导的图，然后把两者相减，就得到了每一个去噪步骤中，单纯由文字引导的特征信号，然后将这个特征信号放大很多倍，这就加强了文本引导。同时，在第N+1步去噪结束后，它还会用第N+1步去噪的信息特征减去第N部的特征然后继续放大很多倍，这样可以保证prompt 在每一步都能有足够的权重比参与运算，用通俗的大白话来说就是这个方法加强了prompt的权重，这个方法在Stable Diffusion web UI中被直译为提示词相关性，是一个很常用的参数，他的数值决定了生成的图与提示词的相关程度。
说完了文生图，也说一下图生图，使用图生图功能的时候，往往是给一张图，和一段prompt。比如还是设置扩散步数N=20，它的原理是先把我们提供的图进行逐步加噪，逐步提取图片信息，使它变成一张完全的噪点图；再让prompt起作用，结合上面的UNET算法逐步去噪，得到既有素材图片特征、也有prompt特征的最终效果图。
注意：上面写的UNET算法不是直接在图片上进行的，而是在”负空间“进行的。
VAE
最后简单来理解一下VAE编解码的过程，VAE全称变分自编码器，他是一个在编码层面先压缩后解压的算法。
VAE的原理是这样的，假如要生成的图是512x512的VAE算法在一开始的时候，会把它压缩到八分之一，变成64x64，然后在经过UNET算法的时候，会把图形数据带在噪点图中，这个过程叫Encoder；然后等走完UNET算法后，我们就得到了一个带有所有图片特征的噪点图，此时VAE再进行Decoder的过程，把这张图解压并放大成512x512。
Stable Diffusion的原理大致的过程就是这样。
模型训练
本部分包括：之前的机器识别图片是怎么做的？微调是什么？模型文件类型分类
首先我们先来介绍一下机器是如何认识图片的，最初计算机视觉训练认识物体的时候，采用的是成对训练的方法，通过“图”+“对应描述”，成对得进行训练，然后运用图像识别、自然语义处理与卷积神经网络等一系列技术，让计算机能够识别这个图形。
打个比方。如果要识别狗。会不停的给计算机喂成千上亿张狗的图，然后告诉他，你看这是狗，然后机器会不断归纳狗的特征重复学习上亿遍后，它就认识狗了。
假设经过成对训练，机器已经能够识别万物了，但是这时候由于学习的图片风格都不同，生成的图片有可能不满足我们的期望。举个例子，假设程序员经过十年的努力后，让机器正确认识了小女孩的特征，不会出现三个眼睛两个嘴巴。
当我们输入一个提示 a cute girl的时候生成的是图A ，但是A的风格与我们想要的完全不同，比如我们想要的是图B这种风格，这时候程序员们就会不断调整函数中的各种算法和参数，使得产出的图形A无限接近于图像B，然后停止训练。
此时整个Fsd(x) 函数的所有调整的参数，就被保存为一个 ckpt 的文件，这个叫checkpoint的文件 就是程序员训练好的、可供调用的AI绘图大模型，他能保证我们每次生成的图都偏向于某种特征集合。
Stable Diffusion可用的模型有两类：
- 一种是safetensors 这种文件是用numpy 保存的，这意味着它们只包含张量数据，没有任何代码，加载 safetensors 文件会更加安全和快速；
- 第二种是 ckpt 这种文件是用pickle序列化过的，这意味着它们可能包含恶意代码，如果你不信任模型的来源，加载 ckpt 文件可能会带来安全风险。
因此，下载模型的时候建议优先下载 safetensors。
大模型的微调技术
首先我们要确定为什么要进行大模型微调呢？ 上文说过Unet模型是SD中最重要的模型网络，内部包含了上亿个参数，要训练这样一个超大的模型，大概需要15亿个图像文本，使用256张A100显卡 跑15万个GPU小时，大概成本是60万美元。一般的设计师也不能像程序员那样，动不动就调函数参数来训练模型，那怎么办呢？
因为UNET模型的泛化性极强，泛化性极强就会带来风格化不足，就可能无法满足特定风格的需要，所以往往会对UNET大模型进行微调，让它更符合需要的使用场景，那么接下来就要介绍一下模型微调技术了。所有的大模型微调技术都是为了要解决两个问题：
- 如何减少训练参数，提高训练效率和生成图像的质量
- 如何解决模型泛化性差的问题
泛化性指的是模型对新数据的适应能力，他具体会表现为过拟合和欠拟合两种：
- 过拟合（Overfitting）是指微调模型对原始模型的语义理解程度发生了变化，整体训练出现语义漂移的现象。比如有一只猫，名字叫 jojo 我拍了他的几十张照片，一直用a jojo cat这个名字来强化模型对这只猫的认知，等以后我输入a jojo cat的时候，确实能出现我想要的这只猫，但是我输入a cat的时候，出现的画面却很怪异，这就说明cat这个词被污染了，出现了过度拟合的现象。
- 欠拟合（Underfitting）是指无法识别这个特征，比如它就完全识别不出jojo和cat的关系，这往往是训练样本量不足，或者训练样本质量较差等因素导致，属于训练无效。
那么我们来看下常见的大模型微调技术都有哪些，以及他们是如何解决上面两个问题的。
常见的大模型微调技术大概有这四种 Dreambooth、LoRA、Embedding、Hypernetwork【还有其他的也很流行，只不过次视频中只涉及到了这四种】。
Dreambooth
Dreambooth要求我们在训练过程中“特征词+类别”和“类别”要成对出现，比如之前提到的，如果想训练这只叫JOJO的猫的模型，又不能让它跟“猫”这个词过度拟合，可以采用的这样的输入方法，这样的话AI就能识别到，JOJO cat is a cat named JOJO。
Dreambooth是google在2022年8月提出的一种新的图像算法。这种方法可以完整的获得你想要的模型的视觉特征，它的提出既不是为了训练人物也不是为了训练画风，而是为了能使用少量训练图像，完美的还原细节特征。
在上面这张图上，大家注意原图闹钟右侧有一个”黄色的3“， Dreambooth将他完整还原了，这说明使用Dreambooth确实可以完整的获得你想要的模型的视觉特征。
所以当时发布的时候还是很牛的，Dreambooth虽然叫大模型微调技术，但是实际上它调得一点都不微，他基本把UNET算法每一层的内部参数都调了一遍。
就是图上红色的部分。
优点：可以将视觉特征完美融入。
缺点：需要调整UNet所有内部参数，训练时间长，模型体积也很大。【“所有内部参数”并不准确，看后面系列文章的详细解读】
LoRA
LoRA中文名叫做大模型的低秩适配器，如果要讲清楚LoRA的原理，还是得回到之前的UNET算法，如下图就是Stable Diffusion核心算法UNET的工作原理。
其中UNET的神经网络运算结构是由很多很多的计算层叠加组成的，它内部的每一个计算层，大家可以把它看成是一个一个的小的函数，前一个函数的输出等于后一个函数的输入，随着层数的叠加整个模型就能够理解输入的数据的特征了，前面说到的Dreambooth相当于把unet里的每一层函数都要进行微调，所以我们说它计算量大训练时间长，模型体积大。
但是LoRA就不同了，LoRA的目的呢是减少模型的训练参数，提升模型的训练效率，因此LoRA建议冻结预训练模型的权重，并将训练参数注入到Transformer函数架构的每个层中【“每个层”，其实也不是很准确，看后面系列文章的详细解读】。
它的优点呢就是不破坏原有的模型和即插即用，像图中红色部分所显示那样，正因为LoRA它的插入层较少，相较于Dreambooth，可以把训练参数降低1,000倍，而且对CPU的要求呢也会下降3倍，所以训练出来的LoRA模型就会非常小，一般只有几十M，而一个大模型呢往往有几个g，甚至十几个g。
通俗点来说，可以把LoRA理解成在原有的大模型上添加了一个滤镜，让这个底下的大模型往我们期望的效果走，比方说呢当我们的prompt不变的情况下，在一个偏动漫的底层模型revAnimated上
加了一个盲盒效果的LoRA，就相当于是给这个底层模型上了一个滤镜，让整个底层模型出来的效果往盲盒的方向上去靠。
Embedding
Embedding也叫Text inversion，它反映的是一个prompt与对应向量的映射记录关系的算法，可以用来训练特定的人或者是物体，前面我讲我们的prompt是如何起作用的时候，用到的下面这张图。
CLIP模型是text encoder算法的一种，text encoder主要是把自然语义prompt转变为词特征向量Embedding，所以可以针对从prompt到向量这个映射过程进行训练，去修改它们之间的映射记录关系，从而达到训练特定的人或者物体的效果。由于它生成的是一套纯文字的映射记录，所以体积非常小，一般呢只有几百k。
举个实际的例子，比如说下面这个人物，是游戏守望先锋里的Dva，如果要通过描述她的特征，去把她完整的描绘出来，可能就需要几千个prompt tag才行，那如果我们每次想生成Dva的时候都要再输入一次这么多的prompt，肯定是不科学的，所以这个时候呢，可以把这一串的tag打包映射成一个新的词汇叫做OW_Dva【让Embeeding模型理解这个词对应的向量应该有什么样的特征】。由于这个词呢是自创的，在CLIP映射集合里是找不到对应的映射关系的，所以CLIP会默认给他创建一个新的映射空间，经过一系列的训练之后，后续就可以通过输入一个简单的词汇，来完成一系列tag的打包效果。
hypernetwork
hypernetwork是一种即将要被Lora淘汰了的技术，大概讲一下它的原理。
我们先来总结一下三种技术的原理和在UNET中的使用范围
其中Dreambooth调整了整个UNET的函数和参数，所以它体积最大适用范围最全，但是训练难度和训练耗时和成本也都最大；
LoRA只是将训练参数注入到了部分的Transformer函数中，所以它不改变原来的模型即插直用，模型大小也可控，
hypernetwork从图上可以看出，它是新建了一个单独的神经网络模型，插入到原来的UNET模型的中间层，在训练过程中啊他会冻结所有的参数，只训练插入的部分，从而使输出图像与输入指令之间产生关联关系，同时呢只改变原来模型的一小块内容。
从这个原理的描述上大家应该就能发现 Hypernetwork 这种方法更适合用于训练某种画风，比如说像素画之类的，当然了也不是说它不能训练别的，它也是可以训练人物的，就是比LoRA呢麻烦一点，总之呢它在国内几乎是一个要被LoRA淘汰的技术了，关于hypernetwork的相关paper也都是2022年以前的了，所以我们也就把它当做一个滤镜来理解就好了。
那以上呢就是对整个Stable Diffusion算法以及相关内容的简单介绍，对算法原理和数学运算进行了一定的简化，内容也不可能面面俱到。
原文地址：https://blog.csdn.net/qq_42410605/article/details/143059982
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