扩散模型（Diffusion Model）原理概述
一、核心思想
扩散模型（Diffusion Model）是一种生成模型，受热力学中扩散过程的启发，通过模拟数据从噪声中逐步去噪的过程来生成样本。其核心思想是渐进式地添加噪声（正向过程）和逐步去噪（反向过程）。
在正向过程中，逐步向数据中添加高斯噪声，最终将数据转化为纯噪声；在反向过程中，学习如何从噪声中逐步去噪，恢复出原始数据分布。
二、前向扩散过程（Forward Diffusion）
目标：将真实数据逐步“破坏”为随机噪声。
过程：对原始数据（如图像）进行 T 步微小的高斯噪声添加，每一步都让数据更接近纯噪声。
数学上，第t 步的状态\(x_t\)由第 t-1 步的状态\(x_{t-1}\)和噪声\(\epsilon\)（服从标准正态分布）生成：
\[x_t=\sqrt{\alpha_t}\cdot x_{t-1}+\sqrt{1-\alpha_t}\cdot \epsilon
\]
其中，\(\alpha_t\)是控制噪声强度的参数（\(0<\alpha_t<1），随着 t 增大，x_t\)逐渐接近随机噪声。
结果：经过 T 步后，原始数据完全转化为与训练数据无关的高斯噪声\(x_T\)。
三、逆向扩散过程（Reverse Diffusion）
目标：从纯噪声中逐步“恢复”出有意义的数据（即生成新样本）。
过程：训练一个神经网络（通常是 U-Net 结构）学习“去噪”能力 —— 给定第 t 步的带噪声数据\(x_t\)，预测它在第 t-1 步的状态\(x_{t-1}\)（或直接预测添加的噪声\(\epsilon\)）。
实际生成时，从随机噪声\(x_T\)出发，利用训练好的网络反向迭代 T 步，每一步都去除部分噪声，最终得到接近真实数据分布的生成结果\(x_0\)。
核心：神经网络通过学习噪声的分布规律，实现从噪声到数据的“逆推”。
四、Python示例
构建一个基础的扩散模型，用于生成一维数据。
import matplotlib
matplotlib.use('TkAgg')
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader, TensorDataset
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] # 中文支持
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False # 负号显示
# 设置随机种子，确保结果可复现
np.random.seed(42)
torch.manual_seed(42)
# 生成一维数据（示例数据：混合高斯分布）
def generate_data(n_samples=1000):
# 生成两个高斯分布的数据
cluster1 = np.random.normal(loc=-2.0, scale=0.5, size=(n_samples // 2, 1))
cluster2 = np.random.normal(loc=2.0, scale=0.5, size=(n_samples // 2, 1))
data = np.vstack([cluster1, cluster2])
np.random.shuffle(data)
return data
# 前向过程：逐步添加噪声
def forward_process(x_0, timesteps, betas):
"""
执行扩散过程的前向步骤，逐步向数据添加噪声
"""
# 计算alpha和alpha_bar
alphas = 1. - betas
alphas_cumprod = torch.cumprod(alphas, dim=0)
# 随机选择一个时间步
t = torch.randint(0, timesteps, (x_0.shape[0],), device=x_0.device)
# 从标准正态分布采样噪声
noise = torch.randn_like(x_0)
# 计算x_t
sqrt_alphas_cumprod_t = torch.sqrt(alphas_cumprod[t]).reshape(-1, 1)
sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t = torch.sqrt(1 - alphas_cumprod[t]).reshape(-1, 1)
x_t = sqrt_alphas_cumprod_t * x_0 + sqrt_one_minus_alphas_cumprod_t * noise
return x_t, t, noise
# 简单的神经网络模型，用于预测噪声
class SimpleDenoiser(nn.Module):
def __init__(self, input_dim=1, hidden_dim=128):
super(SimpleDenoiser, self).__init__()
self.model = nn.Sequential(
nn.Linear(input_dim + 1, hidden_dim), # +1 for time embedding
nn.SiLU(),
nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim),
nn.SiLU(),
nn.Linear(hidden_dim, input_dim)
)
def forward(self, x, t):
# 将时间步t嵌入为模型输入的一部分
t_emb = t.unsqueeze(-1).float()
x_with_t = torch.cat([x, t_emb], dim=1)
return self.model(x_with_t)
# 训练函数
def train_diffusion_model(model, dataloader, num_epochs=1000, lr=1e-3):
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
model = model.to(device)
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)
criterion = nn.MSELoss()
# 定义扩散过程的参数
timesteps = 100
betas = torch.linspace(0.0001, 0.02, timesteps, device=device)
for epoch in range(num_epochs):
epoch_loss = 0.0
for batch in dataloader:
x_0 = batch[0].to(device)
# 前向过程：添加噪声
x_t, t, noise = forward_process(x_0, timesteps, betas)
# 模型预测噪声
noise_pred = model(x_t, t)
# 计算损失
loss = criterion(noise_pred, noise)
# 反向传播和优化
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
epoch_loss += loss.item()
if (epoch + 1) % 100 == 0:
print(f"Epoch {epoch + 1}/{num_epochs}, Loss: {epoch_loss / len(dataloader):.6f}")
return model
# 采样函数：从噪声中生成数据
def sample(model, sample_size=1000, timesteps=100):
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
model = model.to(device)
model.eval()
# 定义扩散过程的参数
betas = torch.linspace(0.0001, 0.02, timesteps, device=device)
alphas = 1. - betas
alphas_cumprod = torch.cumprod(alphas, dim=0)
alphas_cumprod_prev = torch.cat([torch.tensor([1.], device=device), alphas_cumprod[:-1]])
sqrt_recip_alphas = torch.sqrt(1.0 / alphas)
posterior_variance = betas * (1. - alphas_cumprod_prev) / (1. - alphas_cumprod)
# 从标准正态分布开始采样
x = torch.randn(sample_size, 1, device=device)
with torch.no_grad():
for i in reversed(range(timesteps)):
t = torch.full((sample_size,), i, device=device, dtype=torch.long)
noise_pred = model(x, t)
# 计算均值
sqrt_recip_alphas_t = sqrt_recip_alphas[i]
x = sqrt_recip_alphas_t * (x - betas[i] / torch.sqrt(1 - alphas_cumprod[i]) * noise_pred)
# 添加方差（最后一步不添加）
if i > 0:
noise = torch.randn_like(x)
posterior_variance_t = posterior_variance[i]
x = x + torch.sqrt(posterior_variance_t) * noise
return x.cpu().numpy()
# 主函数
def main():
# 生成数据
data = generate_data(n_samples=1000)
data_tensor = torch.tensor(data, dtype=torch.float32)
# 创建数据加载器
dataset = TensorDataset(data_tensor)
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)
# 初始化模型
model = SimpleDenoiser(input_dim=1)
# 训练模型
trained_model = train_diffusion_model(model, dataloader, num_epochs=1000)
# 生成样本
samples = sample(trained_model, sample_size=1000)
# 可视化结果
plt.figure(figsize=(12, 5))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.hist(data, bins=50, density=True, alpha=0.7, label='真实数据')
plt.title('真实数据分布')
plt.xlabel('值')
plt.ylabel('密度')
plt.legend()
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.hist(samples, bins=50, density=True, alpha=0.7, label='生成数据', color='orange')
plt.title('扩散模型生成的数据分布')
plt.xlabel('值')
plt.ylabel('密度')
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()
if __name__ == "__main__":
main()
示例展示了扩散模型的主要过程：
数据生成：使用两个高斯分布的混合作为示例数据
前向过程：逐步向数据添加噪声，最终将数据转换为噪声
模型架构：使用一个简单的神经网络来学习预测噪声
训练过程：通过最小化预测噪声与实际噪声之间的差异来训练模型
采样过程：从噪声开始，逐步恢复数据
五、小结
扩散模型通过“加噪-去噪”的框架，将生成问题转化为对噪声分布的逐步修正，其核心在于反向过程的参数化学习和噪声调度的设计。这一方法在生成任务中展现了强大的潜力，成为当前生成式AI的重要技术之一。
浙公网安备 33010602011771号