BigDL 教程：使用 Stable Diffusion 从文本生成你自己的图像

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本文最初发表于 Medium 博客，经原作者授权，InfoQ 翻译并分享。

导读：本文介绍了如何使用 Stable Diffusion 模型从文本生成图像。作者详细介绍了该模型的架构概述以及学习过程，并指出该模型需要大量计算，但可以使用英特尔提供的优化技术缩短运行时间。同时，文章还提供了文本到图像的实现步骤，并鼓励读者在 GitHub 上跟随实现。

如果说每种技术都有其季节，那么人工智能已经迎来了“夏天”。人工智能的一系列进步引领了该学科目前的繁荣，并带来了对未来的巨大期望。

计算机视觉就是一个典型例子。尽管对计算资源的需求很高，但在图像生成（Huang 等，2018）领域已经取得了巨大的进展。图像生成始于生成式对抗网络（Generative Adversarial Network，GAN）范式，然后逐步发展到如今的扩散模型。这种进化为数据科学家提供了易于训练、快速收敛并能可靠生成高质量图像的模型。

这种技术在人工智能内容生成（generative AI，AIGC）中发挥着重要作用，它能够生成各种数据，包括音频、代码、图像、文本、模拟、3D 对象、视频等等。它通过训练算法来基于以前的训练数据生成新的信息。AIGC 有许多用途包括文本生成（如 GPT，Bidirectional Encoder Representations from Transformer（BERT）或最近的 ChatGPT）、音频生成、文本到图像的创建（DALL-E 或 Stable Diffusion）等。

在本文中，我们将展示如何借助 BigDL（ BigDL Nano 中的优化）在 Intel 笔记本电脑上运行优化后的 Stable Diffusion 模型，从而实现文本到图像的生成。

使用 Stable Diffusion 的两种方法

使用 Stable Diffusion 生成图像有两种方式：无条件和有条件。

无条件图像生成：可以从噪声种生成新的图像而不需要任何条件（例如提示文本或其他图像）。模型在训练之后可以生成新的随机图片。相关详细信息，请查看此使用蝴蝶图像训练模型的示例。


训练集


生成的图像

有条件图像生成：该模型可以根据输入条件生成新的图像，而有条件图像生成的具体应用包括文本到图像、图像到图像、语义、修补和补全等。让我们来详细看一下：

  • 文本到图像（txt2img）：基于输入文本生成图像。输入：文本-> 输出：图像

以下是一个输入文本的示例：一只戴眼镜的狗。


  • 图像到图像：该模型基于低分辨率图像生成高分辨率图像。下面展示了一种上采样扩散模型的实现。输入：图像->输出：图像。


摘自《基于潜在扩散模型的高分辨率图像合成》（High-Resolution Image Synthesis with Latent Diffusion Models）

  • 语义增强（img2img）：该模型允许你基于输入的图像和文本生成新的图像。你可以尝试使用这个图像到图像教程。在下面的示例中，我们要求它生成一个美丽的海滩。然而，由于我们对理想的度假场景不满意，我们要求添加一个高尔夫球场。该模型以生成的海滩作为输入，并在其上添加了一个高尔夫球场。



海滩（上图）带高尔夫球场的海滩（下图）

  • 图像修补：该模型可以使用新内容填充图像中被遮蔽的区域，无论是因为图像的某些部分已经损坏，还是为了替换图像中现有但不需要的内容。使用这个多修补模型，下面的挂钟被替换成了蝙蝠侠面具。（对于替换图像，你可以使用你的想象力添加任何图像。）



家庭办公室（来自 UnSplash 的原始照片）；带有生成的斗篷十字军面具的家庭办公室

  • 扩展绘制：这里的绘制发生在原始图像的外部区域。该模型会人工“填充”图像到所需的大小。在下面的示例中，我们要求模型生成一个名为“街上的汽车”的图像，并使用扩展绘制来填充图像的左下部分。



Stable Diffusion 的工作原理：概述

Stable Diffusion 是用于高分辨率图像生成的模型。为了理解扩散模型的工作原理，而不深入复杂的数学原理，我们将一个 txt2img 稳定扩散模型分解为三个主要部分：

  1. 文本编码器：是一个基于 Transformer 的 ClipText 模型，采取和 GPT 一样的架构。Transformer 已经证明了对语言的良好理解，因此它们可以基于你文本提示的意图轻松地识别和转换。

  2. 图像信息生成器（基于文本信息的 UNET）：这是扩散发生的地方。在这一部分中使用了 U-Net（Resnet-CNN 架构）网络，在推理之前该网络已经进行了训练。扩散理论可以分解为前向扩散和反向扩散两个主要过程。工作原理是首先通过逐渐添加高斯噪声来破坏训练数据，然后通过学习反转噪声来恢复数据。

  • 预处理阶段：正向扩散过程，通过不断添加高斯噪声来破坏训练数据，以生成训练样本，对应下图从右到左的过程。


图片来源（Ho 等人，2020 年）

  • 训练/推理阶段：反向扩散过程，模型学习从噪声中恢复数据，对应上图从左到右的过程。

  1. 图像解码器（VAE 解码器）：接收图像信息生成器生成的向量，将其转换为图像，并将最终图像转换为所需的格式。


架构概述。图片来源：Ezequiel Lanza

BigDL

你可以使用上述的架构来获得图像，但是你是否注意到这个过程需要很长时间，有时需要几分钟？

这是因为我们使用的模型很大，但可以通过优化来减少处理时间。具体哪些部分可以进行优化，这里不再详细介绍。优化已经被集成到了 BigDL 中，其考虑了多种优化，例如 Intel® Optimization for TensorFlow，Intel® Extension for PyTorch，Intel® Distribution of OpenVINO，Intel® AVX-512 等等。


BigDL 架构。图：Ruonan Wang

使用 BigDL 生成图像

现在轮到你了。我们将在这里为你提供步骤，或者你可以在 GitHub 上跟随实现。


安装

我们建议使用至少 16GB RAM 和 15GB 可用磁盘空间的 Intel 笔记本电脑/台式机。

为了访问我们提供的实现，建议使用新的虚拟环境运行，并安装必要的先决条件。

conda create -n sd python=3.8 
conda activate sd 
pip install -r requirements.txt

启动 Web UI

打开你下载文件的文件夹，然后运行启动脚本：

python launch.py

随后应用程序将在你的设备上运行，并且你可以在浏览器中输入此地址：https://127.0.0.1:7860/

优化模型

在生成图像之前，你需要获取优化后的模型。 请转到“优化模型”选项卡执行操作。


现在你可以选择以下两个选项：

  • CPU-FP32 将为 CPU 生成优化后的 fp32 模型，后面会出现“CPU FP32”选项（例如“v2.1-base CPU FP32”）。

  • CPU / iGPU FP16 将为 CPU 和 iGPU 生成优化后的 fp16 模型，后面将出现两个“FP16”选项（例如“v2.1-base CPU FP16”，“v2.1-base CPU+iGPU FP16”）。

注意：这一步可能需要一些时间，因为应用程序会实时下载原始模型并为你进行优化。

模型优化完成后，你可以键入任何文本以生成原始图像。


注意：由于我们正在使用 Hugging Face 模型，你需要按照上图所示添加访问令牌。

现在你的模型已准备就绪，你可以从“txt2img”选项卡开始生成图像。此外，应用程序还提供了其他选项。


总结

Stable Diffusion 是一种功能强大的工具，具有革命性的潜力，可应用于许多现实世界的场景。本文介绍的模型及其学习过程需要大量计算，Intel 提供的优化技术可以缩短处理时间。如果想获取更多来自 Intel 的开源内容，请访问 open.intel 或关注我们的 Twitter。

作者简介：

Ezequiel Lanza 是英特尔开放生态系统团队的开源倡导者，热衷于帮助人们发现令人兴奋的人工智能世界。他还是经常参加人工智能会议的演讲者，创建使用案例、教程和指南，帮助开发人员采用像 TensorFlow 和 Hugging Face 这 样的开源人工智能工具。

Ruonan Wang 是英特尔 AIA 的人工智能框架工程师，目前专注于开发 BigDL-Nano，这是一个 Python 包，可以在英特尔硬件上透明加速 PyTorch 和 TensorFlow 应用程序。

原文链接：

https://medium.com/intel-tech/bigdl-tutorial-generate-your-own-images-from-text-with-stable-diffusion-63f45634ab2c

本文文字及图片出自 InfoQ

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