标准扩散模型涉及图像变换 - 添加高斯噪声 - 以及逆转此降解的图像恢复操作员。我们观察到，扩散模型的生成行为并不是很大程度上取决于图像降解的选择，实际上，可以通过改变这种选择来构建整个生成模型家族。即使使用完全确定性的降解（例如，模糊，掩蔽等），培训和测试时间更新规则是基于扩散模型的培训和测试时间更新规则，可以轻松地概括为创建生成模型。这些完全确定的模型的成功使社区对扩散模型的理解质疑，这依赖于梯度Langevin动力学或变异推理中的噪声，并为反转任意过程的广义扩散模型铺平了道路。我们的代码可从https://github.com/arpitbansal297/cold-diffusion-models获得

DeNoising扩散模型代表了计算机视觉中最新的主题，在生成建模领域表现出了显着的结果。扩散模型是一个基于两个阶段的深层生成模型，一个正向扩散阶段和反向扩散阶段。在正向扩散阶段，通过添加高斯噪声，输入数据在几个步骤中逐渐受到干扰。在反向阶段，模型的任务是通过学习逐步逆转扩散过程来恢复原始输入数据。尽管已知的计算负担，即由于采样过程中涉及的步骤数量，扩散模型对生成样品的质量和多样性得到了广泛赞赏。在这项调查中，我们对视觉中应用的denoising扩散模型的文章进行了全面综述，包括该领域的理论和实际贡献。首先，我们识别并介绍了三个通用扩散建模框架，这些框架基于扩散概率模型，噪声调节得分网络和随机微分方程。我们进一步讨论了扩散模型与其他深层生成模型之间的关系，包括变异自动编码器，生成对抗网络，基于能量的模型，自回归模型和正常流量。然后，我们介绍了计算机视觉中应用的扩散模型的多角度分类。最后，我们说明了扩散模型的当前局限性，并设想了一些有趣的未来研究方向。

Most existing Image Restoration (IR) models are task-specific, which can not be generalized to different degradation operators. In this work, we propose the Denoising Diffusion Null-Space Model (DDNM), a novel zero-shot framework for arbitrary linear IR problems, including but not limited to image super-resolution, colorization, inpainting, compressed sensing, and deblurring. DDNM only needs a pre-trained off-the-shelf diffusion model as the generative prior, without any extra training or network modifications. By refining only the null-space contents during the reverse diffusion process, we can yield diverse results satisfying both data consistency and realness. We further propose an enhanced and robust version, dubbed DDNM+, to support noisy restoration and improve restoration quality for hard tasks. Our experiments on several IR tasks reveal that DDNM outperforms other state-of-the-art zero-shot IR methods. We also demonstrate that DDNM+ can solve complex real-world applications, e.g., old photo restoration.

我们定义了更广泛的腐败过程，该过程概括了先前已知的扩散模型。为了扭转这些一般的扩散，我们提出了一个称为“软得分匹配”的新目标，可以证明可以学习任何线性腐败过程的得分功能，并为Celeba提供最先进的结果。软得分匹配结合了网络中的降解过程，并训练模型以预测腐败与扩散观察相匹配的干净图像。我们表明，我们的目标在适当的规律性条件下为腐败过程的家庭学习了可能性的梯度。我们进一步开发了一种原则性的方法，以选择一般扩散过程的损坏水平和一种我们称为动量采样器的新型抽样方法。我们评估了我们的框架，腐败是高斯模糊和低幅度添加噪声。我们的方法在Celeba-64上获得了最先进的FID得分$ 1.85 $，表现优于所有以前的线性扩散模型。与香草deno的扩散相比，我们还显示出显着的计算益处。

自由格式介绍是在任意二进制掩码指定的区域中向图像中添加新内容的任务。大多数现有方法训练了一定的面具分布，这将其概括能力限制为看不见的掩模类型。此外，通过像素和知觉损失的训练通常会导致对缺失区域的简单质地扩展，而不是语义上有意义的一代。在这项工作中，我们提出重新启动：基于deno的扩散概率模型（DDPM）的内部介入方法，甚至适用于极端掩模。我们采用预定的无条件DDPM作为生成先验。为了调节生成过程，我们仅通过使用给定的图像信息对未掩盖的区域进行采样来改变反向扩散迭代。由于该技术不会修改或调节原始DDPM网络本身，因此该模型可为任何填充形式产生高质量和不同的输出图像。我们使用标准面具和极端口罩验证面部和通用图像的方法。重新粉刷优于最先进的自动回归，而GAN的方法至少在六个面具分布中进行了五个。 github存储库：git.io/repaint

尽管许多远程成像系统旨在支持扩展视力应用，但由于大气湍流，其操作的自然障碍是退化。大气湍流通过引入模糊和几何变形而导致图像质量的显着降解。近年来，在文献中提出了各种基于深度学习的单图像缓解方法，包括基于CNN的基于CNN和基于GAN的反转方法，这些方法试图消除图像中的失真。但是，其中一些方法很难训练，并且通常无法重建面部特征并产生不切实际的结果，尤其是在高湍流的情况下。降级扩散概率模型（DDPM）最近由于其稳定的训练过程和产生高质量图像的能力而获得了一些吸引力。在本文中，我们提出了第一个基于DDPM的解决方案，用于缓解大气湍流问题。我们还提出了一种快速采样技术，用于减少条件DDPM的推理时间。对合成和现实世界数据进行了广泛的实验，以显示我们模型的重要性。为了促进进一步的研究，在审查过程之后，所有代码和验证的模型都将公开。

扩散概率模型已被证明在几个竞争性图像综合基准上产生最先进的结果，但缺乏低维，可解释的潜在空间，并且在一代中慢慢。另一方面，变形AutoEncoders（VAES）通常可以访问低维潜空间，但表现出差的样品质量。尽管最近的进步，VAE通常需要潜在代码的高维层次结构来产生高质量样本。我们呈现DiffUsevae，一种新的生成框架，它在扩散模型框架内集成了VAE，并利用这一点以设计用于扩散模型的新型条件参数化。我们表明所得模型可以在采样效率方面提高无条件扩散模型，同时还配备了具有低维VAE的扩散模型推断潜码。此外，我们表明所提出的模型可以产生高分辨率样本，并展示与标准基准上的最先进模型相当的合成质量。最后，我们表明所提出的方法可用于可控制的图像合成，并且还展示了图像超分辨率和去噪等下游任务的开箱即用功能。为了重现性，我们的源代码将公开可用于\ url {https://github.com/kpandey008/diffusevae}。

尽管扩散模型在图像生成中表现出了巨大的成功，但它们的噪声生成过程并未明确考虑图像的结构，例如它们固有的多尺度性质。受扩散模型的启发和粗到精细建模的可取性，我们提出了一个新模型，该模型通过迭代反转热方程式生成图像，当在图像的2D平面上运行时，PDE局部删除了细尺度信息。在我们的新方法中，正向热方程的解被解释为有向图形模型中的变异近似。我们展示了有希望的图像质量，并指出了在扩散模型中未见的新兴定性特性，例如在神经网络可解释性的图像和各个方面的整体颜色和形状分解。对自然图像的光谱分析将我们的模型定位为扩散模型的一种双重偶，并揭示了其中的隐式感应偏见。

由于其高质量的重建以及将现有迭代求解器结合起来的易于性，因此最近将扩散模型作为强大的生成反问题解决器研究。但是，大多数工作都专注于在无噪声设置中解决简单的线性逆问题，这显着不足以使实际问题的复杂性不足。在这项工作中，我们将扩散求解器扩展求解器，以通过后采样的拉普拉斯近似有效地处理一般噪声（非）线性反问题。有趣的是，所得的后验采样方案是扩散采样的混合版本，具有歧管约束梯度，而没有严格的测量一致性投影步骤，与先前的研究相比，在嘈杂的设置中产生了更可取的生成路径。我们的方法表明，扩散模型可以结合各种测量噪声统计量，例如高斯和泊松，并且还有效处理嘈杂的非线性反问题，例如傅立叶相检索和不均匀的脱毛。

Conditional diffusion probabilistic models can model the distribution of natural images and can generate diverse and realistic samples based on given conditions. However, oftentimes their results can be unrealistic with observable color shifts and textures. We believe that this issue results from the divergence between the probabilistic distribution learned by the model and the distribution of natural images. The delicate conditions gradually enlarge the divergence during each sampling timestep. To address this issue, we introduce a new method that brings the predicted samples to the training data manifold using a pretrained unconditional diffusion model. The unconditional model acts as a regularizer and reduces the divergence introduced by the conditional model at each sampling step. We perform comprehensive experiments to demonstrate the effectiveness of our approach on super-resolution, colorization, turbulence removal, and image-deraining tasks. The improvements obtained by our method suggest that the priors can be incorporated as a general plugin for improving conditional diffusion models.

We show that diffusion models can achieve image sample quality superior to the current state-of-the-art generative models. We achieve this on unconditional image synthesis by finding a better architecture through a series of ablations. For conditional image synthesis, we further improve sample quality with classifier guidance: a simple, compute-efficient method for trading off diversity for fidelity using gradients from a classifier. We achieve an FID of 2.97 on ImageNet 128×128, 4.59 on ImageNet 256×256, and 7.72 on ImageNet 512×512, and we match BigGAN-deep even with as few as 25 forward passes per sample, all while maintaining better coverage of the distribution. Finally, we find that classifier guidance combines well with upsampling diffusion models, further improving FID to 3.94 on ImageNet 256×256 and 3.85 on ImageNet 512×512. We release our code at https://github.com/openai/guided-diffusion.

扩散模型已显示出令人印象深刻的图像产生性能，并已用于各种计算机视觉任务。不幸的是，使用扩散模型的图像生成非常耗时，因为它需要数千个采样步骤。为了解决这个问题，我们在这里提出了一种新型的金字塔扩散模型，以使用训练有位置嵌入的单个分数函数从更粗的分辨率图像开始生成高分辨率图像。这使图像生成的时间效率抽样可以解决，并在资源有限的训练时也可以解决低批量的大小问题。此外，我们表明，使用单个分数函数可以有效地用于多尺度的超分辨率问题。

最近，Rissanen等人（2022年）提出了一种基于热量耗散或模糊的生成建模的新型扩散过程，作为各向同性高斯扩散的替代方法。在这里，我们表明，可以通过与非各向异性噪声的高斯扩散过程来等效地定义模糊。在建立这一联系时，我们弥合了反热量耗散和降解扩散之间的缝隙，并阐明了由于这种建模选择而导致的感应偏置。最后，我们提出了一类普遍的扩散模型，该模型既可以提供标准的高斯denoisis扩散和逆热散热，我们称之为模糊的扩散模型。

扩散概率模型采用前向马尔可夫扩散链逐渐将数据映射到噪声分布，学习如何通过推断一个反向马尔可夫扩散链来生成数据以颠倒正向扩散过程。为了实现竞争性数据生成性能，他们需要一条长长的扩散链，这使它们在培训中不仅在培训中而且发电。为了显着提高计算效率，我们建议通过废除将数据扩散到随机噪声的要求来截断正向扩散链。因此，我们从隐式生成分布而不是随机噪声启动逆扩散链，并通过将其与截断的正向扩散链损坏的数据的分布相匹配来学习其参数。实验结果表明，就发电性能和所需的逆扩散步骤的数量而言，我们的截短扩散概率模型对未截断的概率模型提供了一致的改进。

过去十年已经开发了各种各样的深度生成模型。然而，这些模型通常同时努力解决三个关键要求，包括：高样本质量，模式覆盖和快速采样。我们称之为这些要求所征收的挑战是生成的学习Trielemma，因为现有模型经常为他人交易其中一些。特别是，去噪扩散模型表明了令人印象深刻的样本质量和多样性，但它们昂贵的采样尚未允许它们在许多现实世界应用中应用。在本文中，我们认为这些模型中的缓慢采样基本上归因于去噪步骤中的高斯假设，这些假设仅针对小型尺寸的尺寸。为了使得具有大步骤的去噪，从而减少去噪步骤的总数，我们建议使用复杂的多模态分布来模拟去噪分布。我们引入了去噪扩散生成的对抗网络（去噪扩散GANS），其使用多模式条件GaN模拟每个去噪步骤。通过广泛的评估，我们表明去噪扩散GAN获得原始扩散模型的样本质量和多样性，而在CIFAR-10数据集中是2000 $ \时代。与传统的GAN相比，我们的模型表现出更好的模式覆盖和样本多样性。据我们所知，去噪扩散GaN是第一模型，可在扩散模型中降低采样成本，以便允许它们廉价地应用于现实世界应用。项目页面和代码：https://nvlabs.github.io/denoising-diffusion-gan

由于其作为生成模型的强大表现，最近达到了社区内部的显着兴趣。此外，其对逆问题的应用已经证明了最先进的性能。不幸的是，扩散模型具有临界缺点 - 它们本质上是速度的速度，从而需要几千台迭代来产生来自纯高斯噪声的图像。在这项工作中，我们表明从高斯噪音开始是不必要的。相反，从具有更好初始化的单个向前扩散开始显着降低了反向条件扩散中的采样步骤的数量。这种现象是通过我们的条件扩散策略的随机差分方程的收缩理论正式解释 - 反向扩散的交替应用，然后是非膨胀性数据一致性步骤。新的采样策略被称为较近的漫射 - 更快（CCDF），还揭示了新的洞察，就如何对逆问题的方法如何协同组合扩散模型。具有超分辨率，图像染色和压缩传感MRI的实验结果表明，我们的方法可以在显着降低的采样步骤中实现最先进的重建性能。

我们使用条件扩散模型介绍调色板，这是一种简单而一般的框架，可用于图像到图像到图像转换。在四个具有挑战性的图像到图像转换任务（着色，染色，un折叠和JPEG减压），调色板优于强大的GaN和回归基线，并建立了新的最新状态。这是在没有特定于任务特定的超参数调整，架构定制或任何辅助损耗的情况下实现的，展示了理想的一般性和灵活性。我们揭示了使用$ l_2 $与vs. $ l_1 $损失在样本多样性上的越来越多的影响，并通过经验架构研究表明自我关注的重要性。重要的是，我们倡导基于想象项目的统一评估协议，并报告包括预先训练的Reset-50的FID，成立得分，分类准确度的多个样本质量评分，以及针对各种基线的参考图像的感知距离。我们预计这一标准化评估协议在推进图像到图像翻译研究方面发挥着关键作用。最后，我们表明，在3个任务（着色，染色，JPEG减压）上培训的单个通用调色板模型也表现或优于特定于任务专家的专家对应物。

作为生成部件作为自回归模型的向量量化变形式自动化器（VQ-VAE）的集成在图像生成上产生了高质量的结果。但是，自回归模型将严格遵循采样阶段的逐步扫描顺序。这导致现有的VQ系列模型几乎不会逃避缺乏全球信息的陷阱。连续域中的去噪扩散概率模型（DDPM）显示了捕获全局背景的能力，同时产生高质量图像。在离散状态空间中，一些作品已经证明了执行文本生成和低分辨率图像生成的可能性。我们认为，在VQ-VAE的富含内容的离散视觉码本的帮助下，离散扩散模型还可以利用全局上下文产生高保真图像，这补偿了沿像素空间的经典自回归模型的缺陷。同时，离散VAE与扩散模型的集成解决了传统的自回归模型的缺点是超大的，以及在生成图像时需要在采样过程中的过度时间的扩散模型。结果发现所生成的图像的质量严重依赖于离散的视觉码本。广泛的实验表明，所提出的矢量量化离散扩散模型（VQ-DDM）能够实现与低复杂性的顶层方法的相当性能。它还展示了在没有额外培训的图像修复任务方面与自回归模型量化的其他矢量突出的优势。

扩散模型最近显示出对生成建模的巨大希望，在密度估计下的感知质量和自回归模型上的表现优于gan。剩余的缺点是它们的缓慢采样时间：生成高质量的样品需要数百或数千次模型评估。在这里，我们做出了两项贡献，以帮助消除这一缺点：首先，我们提出了扩散模型的新参数化，这些参数在使用几个采样步骤时提供了增加的稳定性。其次，我们提出了一种使用许多步骤提炼训练有素的确定性扩散采样器的方法，将其采用一半的采样步骤。然后，我们继续逐步将此蒸馏过程应用于我们的模型，每次将所需的采样步骤的数量减半。在CIFAR-10，Imagenet和LSUN等标准图像生成基准上，我们从最先进的采样器开始采用多达8192步，并且能够将其蒸馏到型号中，而不会丢失4个步骤多种感知质量；例如，以4个步骤在CIFAR-10上实现3.0的FID。最后，我们表明，完整的渐进式蒸馏过程不需要花费更多的时间来训练原始模型，从而代表了在火车和测试时间使用扩散的生成建模的有效解决方案。

We introduce a new generative model where samples are produced via Langevin dynamics using gradients of the data distribution estimated with score matching. Because gradients can be ill-defined and hard to estimate when the data resides on low-dimensional manifolds, we perturb the data with different levels of Gaussian noise, and jointly estimate the corresponding scores, i.e., the vector fields of gradients of the perturbed data distribution for all noise levels. For sampling, we propose an annealed Langevin dynamics where we use gradients corresponding to gradually decreasing noise levels as the sampling process gets closer to the data manifold. Our framework allows flexible model architectures, requires no sampling during training or the use of adversarial methods, and provides a learning objective that can be used for principled model comparisons. Our models produce samples comparable to GANs on MNIST, CelebA and CIFAR-10 datasets, achieving a new state-of-the-art inception score of 8.87 on CIFAR-10. Additionally, we demonstrate that our models learn effective representations via image inpainting experiments.