[论文解析] Diffusion Guided Domain Adaptation of Image Generators

project link: https://styleganfusion.github.io/

Overview

What problem is addressed in the paper?

In this paper, we show that the classifier-free guidance can be leveraged as a critic and enable generators to distill knowledge from large-scale text-to-image diffusion models. Generators can be efficiently shifted into new domains indicated by text prompts without access to groundtruth samples from target domains
本文表明，可以利用无分类器指导作为批评器，并使生成器从大规模文本到图像扩散模型中提取知识。生成器可以有效地转移到文本提示表示的新域，而无需访问目标域的groundtruth样本

What is the key to the solution?

• We introduce the diffusion model score distillation sampling (SDS) into domain adaptation of style-based image generators and achieve better performance than the prior art. 将扩散模型score distillation sampling (SDS)引入到基于风格的图像生成器的域适应中，并取得了比现有技术更好的性能。
• To regularize the network and prevent model collapse, we propose a diffusion directional regularizer and adapt the reconstruction guidance to SDS. To solve blurry issues, we adapt the layer selection into the SDS finetuning framework. 为了正则化网络并防止模型崩溃，提出了一种扩散定向正则化器，并将重建指导适应于SDS。为了解决模糊问题，我们将图层选择调整到SDS微调框架中。

What is the main contribution?

• our model achieves equally high CLIP scores and significantly lower FID than prior work on short prompts, and outperforms the baseline qualitatively and quantitatively on long and complicated prompts. 所提出模型在短提示上取得了同样高的CLIP分数和显著低于之前工作的FID，并在长而复杂的提示上从质量和数量上超过了基线。
• we extend our work to 3D-aware style-based generators and DreamBooth guidance 将工作扩展到3d感知的基于风格的生成器和DreamBooth指导

Introduction

我们利用预先训练的大规模扩散模型的强大功能，并基于最近提出的评分蒸馏采样技术[38]，其中文本到图像的扩散作为一个冻结的、有效的评论家，预测图像空间编辑。

在本文中，我们研究了两种将扩散与基于风格的生成器结合起来的技术，以进一步探索这一想法:

• 我们将扩散模型分数蒸馏采样(SDS)引入到基于风格的图像生成器的领域自适应中，取得了比现有技术更好的性能。
• 为了使网络正则化，防止模型崩溃，我们提出了一种diffusion directional regularizer，并将重构guidance适应于SDS。为了解决模糊问题，我们将layer selection引入SDS调优框架。

Background

Latent diffusion model

本文的guidance model：
latent diffusion model (LDM) StableDiffusion[46]
LDM 用一个编码器$\epsilon$将图像x 编码到潜空间z，$z_0=\epsilon (x)$denoising process 实在latent space Z中进行的。
我们用${ϵ}_{\theta }$ 表示一个latent diffusion model，其训练的目标函可以表示如下：

其中$(x,c)$ 是data-conditioning pairs. $ϵ\sim N(0,1)，t\sim Uniform(1,T)$（t服从1到T之间的均匀分布）。

Classifier-free guidance

classifier guidance是一种有效的方法，可以更好地引导合成朝着期望的方向进行， classifier 可以是 a class or a text prompt…
这个方法使用从预训练模型$p(c|z_t)$在采样过程中的梯度。

Classifier-free guidance (CFG) 是一个可替换的技术，它避免了使用预训练的分类器。 具体地，在训练conditional diffusion model的过程中， 随机dropping 条件c，从而让模型学习在没有condition的情况的去生成图像。因此，在扩散过程中，通过将条件C下的合成结果推向远离非条件结果，可以生成条件良好的图像。

这里前后两项${ϵ}_{\theta }$分别表示 conditional 和unconditional的 误差预测。S为guidance权重，s越大（>1），引导效果越强。

Method

Model Structure and Diffusion Guidance Loss

一张使用生成器G，根据style code w 生成的图像x，其中w 服从$P_w$分布。生成图像表示为：$x=G(w)$.
将x嵌入到 StableDiffusion model中： $z_0=\epsilon (x)\in R^{c\times h\times w}$.
根据标准的diffusion model 的前向过程，我们采样时间步t，来获得噪音潜码：我们遵循DreamFusion[38]提出的梯度技巧，直接使用预测分数和ground-truth分数之间的差值作为梯度并反向传播

Directional and Reconstruction Regularizer

diffusion directional regularizer：
我们用$G_{train}$ 和$G_{frozen}$ 分别表示当前训练的和初始冻结的生成器。

提供的正则化是上述二者之间的cosine相似性。
我们根据其预期半径对每个分数张量进行归一化，添加如下定义的正则化梯度项：

我们使用这个梯度项来优化生成器。

实验表明，方向正则化算法能有效地防止模型崩溃。它是一个与其他正则化方法兼容的插件模块。

我们将分数蒸馏框架扩展到重建指导[13]，并引入了重建正则化：

其中${▽}_{\widehat{ϵ}}{L}_{rec}$ 是重构损失$L_{rec}=||{\hat{z}}_0-z_0|{|}^2$的梯度，并且：

整体损失表示为：

Overview of our StyleGAN-Fusion framework.

Timestep Range and Layer Selection

较小的$T_{SDS}$留给指导的空间较小，并且更多地与局部结构和细节有关。去噪时间步长范围配置允许我们控制变化的规模。

如果我们一起优化生成器层，可能会出现不满意的情况，即使用高层次的整体结构引导损失来更新浅层和详细的生成器层，导致生成的图像模糊。

我们基于SDS目标对W+风格代码空间进行N次优化，并选择对应于变化最显著的风格代码的k层，消融研究(见第4.3节)显示了多个k设置的质量提升，特别是在减少模糊模糊性方面。

Experiments

We compare our method and the baseline, StyleGANNADA
实验表明，StyleGANNADA很难捕获长文本提示中提到的所有关键约束。相比之下，当文本提示很长很复杂时，我们的模型生成的图像具有更高的质量和保真度。

图5 ：我们的结果更符合提示，特别是在自然和不扭曲的脸部布局和大而美丽的反射眼睛方面。此外，我们的模型的结果有更真实的三维照明和更好地匹配文本提示。

我们尝试采用StyleGAN2-Cat[18]，使用包含多个约束的长提示符，包括渲染引擎、3D样式、纹理和照明。

图6显示了我们的方法和基线生成的图像。基线模型没有正确地遵循文本描述，在许多方面都失败了。阴影不像我们的那么真实，有很多不需要的纹理。正如提示符所描述的，我们的模型有更多电影般的照明。

结果中的纹理比基线更平滑。与看起来平坦的基线图像不同，我们的结果实现了具有高质量细节的更强烈的3D风格。我们从两个角度来解决这些问题：

• 生成器和扩散引导由图像编码器分开，使得生成器更有可能在语义有意义的水平上进行优化，而不是在像素水平上进行对抗。
• 由于StableDiffusion使用了一系列文本嵌入和跨域注意，所提出的扩散引导具有更丰富的信息，使其具有更高的能力来捕获长文本提示中提到的多个关键约束。
  
  图8：我们的方法生成了视觉上更真实和自然的结果，包括未扭曲的面部组件、更干净的背景、多样的姿势和更高的姿势逼真度。

图7：较大的范围可以实现结构变化，并增加图像对目标域的保真度，而较小的范围关注局部变化，并倾向于对源域的保真度。

图9： 选择更少的层需要更多的训练迭代，我们为每个层配置显示最佳视觉质量的结果。选择的图层越少，模糊的感觉就会消失，头发的细节也会得到更好的保存。

图10：$L_{SDS}^{dir}$ 更好地保留了包括面部表情、耳环和背景颜色在内的细节，而非reg方法最终忽略了它们。

图11：$L_{SDS}^{rec}$ 是一个更强的约束，并保留更好的细节，而$L_{SDS}^{dir}$ 允许添加新的颜色，如蓝色眼睛。

Conclusion

我们提出了一种新的图像生成域自适应方法，该方法使用稳定扩散引导和分数蒸馏采样。我们的方法允许通过选择TSDS的值来灵活地控制修改的幅度。通过引入扩散引导方向正则化器和层选择技术，我们的模型能够将生成器从文本提示指示的目标域生成新的图像，与现有方法相比，质量有所提高。