我们描述了一种新型有损压缩方法，称为DIFFC，该方法基于无条件扩散生成模型。与依靠转换编码和量化来限制传输信息的现代压缩方案不同，DIFFC依赖于高斯噪声损坏的像素的有效通信。我们实施了概念证明，并发现尽管缺乏编码器变换，但它的工作原理表现出色，超过了Imagenet 64x64上最先进的生成压缩方法。 DIFFC仅使用单个模型在任意比特率上编码和DENOISE损坏的像素。该方法进一步提供了对渐进编码的支持，即从部分位流进行解码。我们执行速率分析，以更深入地了解其性能，为多元高斯数据以及一般分布的初始结果提供分析结果。此外，我们表明，基于流动的重建可以比祖先采样在高比特率上获得3 dB的增长。

速率 - 失真（R-D）函数，信息理论中的关键数量，其特征在于，通过任何压缩算法，通过任何压缩算法将数据源可以压缩到保真标准的基本限制。随着研究人员推动了不断提高的压缩性能，建立给定数据源的R-D功能不仅具有科学的兴趣，而且还在可能的空间上揭示了改善压缩算法的可能性。以前的解决此问题依赖于数据源上的分布假设（Gibson，2017）或仅应用于离散数据。相比之下，本文使得第一次尝试播放常规（不一定是离散的）源仅需要i.i.d的算法的算法。数据样本。我们估计高斯和高尺寸香蕉形源的R-D三明治界，以及GaN生成的图像。我们在自然图像上的R-D上限表示在各种比特率的PSNR中提高最先进的图像压缩方法的性能的空间。

扩散模型是一类新的生成模型，在依靠固体概率原理的同时，标志着高质量图像生成中的里程碑。这使他们成为神经图像压缩的有前途的候选模型。本文概述了基于有条件扩散模型的端到端优化框架。除了扩散过程固有的潜在变量外，该模型还引入了额外的“ content”潜在变量，以调节降解过程。解码后，扩散过程有条件地生成/重建祖先采样。我们的实验表明，这种方法的表现优于表现最佳的传统图像编解码器之一（BPG）和一个在两个压缩基准上的神经编解码器，我们将重点放在速率感知权衡方面。定性地，我们的方法显示出比经典方法更少的减压工件。

基于扩散的生成模型已经证明了感知上令人印象深刻的合成能力，但是它们也可以是基于可能性的模型吗？我们以肯定的方式回答了这一点，并介绍了一个基于扩散的生成模型家族，该模型可以在标准图像密度估计基准上获得最先进的可能性。与其他基于扩散的模型不同，我们的方法允许与其他模型的其余部分共同对噪声时间表进行有效优化。我们表明，根据扩散数据的信噪比，变异下限（VLB）简化为非常短的表达，从而改善了我们对该模型类别的理论理解。使用这种见解，我们证明了文献中提出的几个模型之间的等效性。此外，我们表明连续时间VLB在噪声方面不变，除了其端点处的信噪比。这使我们能够学习一个噪声时间表，以最大程度地减少所得VLB估计器的差异，从而更快地优化。将这些进步与建筑改进相结合，我们获得了图像密度估计基准的最先进的可能性，超过了多年来主导这些基准测试的自回旋模型，通常优化了很多年。此外，我们展示了如何将模型用作BITS背包压缩方案的一部分，并展示了接近理论最佳的无损压缩率。代码可在https://github.com/google-research/vdm上找到。

扩散模型已成为深层生成建模的最有希望的框架之一。在这项工作中，我们探讨了不均匀扩散模型的潜力。我们表明，非均匀扩散会导致多尺度扩散模型，这些模型与多尺度归一化流的结构相似。我们从实验上发现，在相同或更少的训练时间中，多尺度扩散模型比标准均匀扩散模型获得更好的FID得分。更重要的是，它生成样品$ 4.4 $ 4.4美元的$ 4.4 $ $ 128 \ times 128 $分辨率。在使用更多量表的较高分辨率中，预计加速度将更高。此外，我们表明，不均匀的扩散导致有条件得分函数的新估计量，该估计函数以最新的条件降解估计量以PAR性能达到了PAR性能。我们的理论和实验性发现伴随着开源库MSDIFF，可以促进对非均匀扩散模型的进一步研究。

在有损压缩的背景下，Blau＆Michaeli（2019）采用了感知质量的数学概念，并定义了信息率 - 失真 - 感知功能，概括了经典速率 - 失真概况。我们考虑一个通用表示的概念，其中一个人可以修复编码器并改变解码器以实现失真和感知约束的集合中的任何点。我们证明，相应的信息理论通用率 - 失真 - 感知功能在近似意义上可操作地实现。在MSE失真下，我们表明高斯来源的整个失真 - 感知概况可以通过渐近率的相同速率的单个编码器来实现。然后，我们在任意分布的情况下表征了用于固定表示的可实现的失真感知区域，识别上述结果近似地保持的条件，并且在速率预先固定时研究该情况。这激发了对跨RDP权衡大致普遍的实际结构的研究，从而减轻了为每个目标设计新编码器的需要。我们为MNIST和SVHN提供实验结果，表明在图像压缩任务上，通过机器学习模型实现的操作权衡与固定编码器相比只遭受小额惩罚。

尽管存在扩散模型的各种变化，但将线性扩散扩散到非线性扩散过程中仅由几项作品研究。非线性效应几乎没有被理解，但是直觉上，将有更多有希望的扩散模式来最佳地训练生成分布向数据分布。本文介绍了基于分数扩散模型的数据自适应和非线性扩散过程。提出的隐式非线性扩散模型（INDM）通过结合归一化流量和扩散过程来学习非线性扩散过程。具体而言，INDM通过通过流网络利用\ textIt {litex {litex {littent Space}的线性扩散来隐式构建\ textIt {data Space}的非线性扩散。由于非线性完全取决于流网络，因此该流网络是形成非线性扩散的关键。这种灵活的非线性是针对DDPM ++的非MLE训练，将INDM的学习曲线提高到了几乎最大的似然估计（MLE）训练，事实证明，这是具有身份流量的INDM的特殊情况。同样，训练非线性扩散可以通过离散的步骤大小产生采样鲁棒性。在实验中，INDM实现了Celeba的最新FID。

基于分数的生成模型（SGMS）已经证明了显着的合成质量。 SGMS依赖于扩散过程，逐渐将数据逐渐渗透到贸易分布，而生成式模型则学会去噪。除了数据分布本身，这种去噪任务的复杂性是由扩散过程独特地确定的。我们认为当前的SGMS采用过于简单的扩散，导致不必要的复杂的去噪流程，限制了生成的建模性能。根据与统计力学的联系，我们提出了一种新型危及阻尼Langevin扩散（CLD），并表明基于CLD的SGMS实现了优异的性能。 CLD可以被解释为在扩展空间中运行关节扩散，其中辅助变量可以被视为耦合到数据变量的“速度”，如Hamiltonian动态。我们推导了一种用于CLD的小说得分匹配目标，并表明该模型仅需要了解给定数据的速度分布的条件分布的得分函数，而不是直接学习数据的分数。我们还导出了一种新的采样方案，用于从基于CLD的扩散模型有效合成。我们发现CLD在类似的网络架构和采样计算预算中优于综合质量的先前SGM。我们展示我们的CLD的新型采样器显着优于欧拉 - 玛雅山等求解器。我们的框架为基于刻痕的去噪扩散模型提供了新的见解，并且可以随时用于高分辨率图像合成。项目页面和代码：https：//nv-tlabs.github.io/cld-sgm。

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。

基于得分的扩散模型是一类生成模型，其动力学由将噪声映射到数据中的随机微分方程描述。尽管最近的作品已经开始为这些模型奠定理论基础，但仍缺乏对扩散时间t的作用的分析理解。当前的最佳实践提倡大型T，以确保正向动力学使扩散足够接近已知和简单的噪声分布。但是，对于更好的分数匹配目标和更高的计算效率，应优选较小的t值。从扩散模型的各种解释开始，在这项工作中，我们量化了这一权衡，并提出了一种新方法，通过采用较小的扩散时间来提高培训和采样的质量和效率。实际上，我们展示了如何使用辅助模型来弥合理想和模拟正向动力学之间的间隙，然后进行标准的反向扩散过程。经验结果支持我们的分析；对于图像数据，我们的方法是竞争性W.R.T.根据标准样本质量指标和对数可能的样本。

基于得分的扩散模型已成为深度生成型号最有前途的框架之一。在这项工作中，我们对基于得分的扩散模型进行了学习条件概率分布的不同方法的系统比较和理论分析。特别是，我们证明了结果为条件分数最成功的估算之一提供了理论典范。此外，我们引入了多速扩散框架，这导致了一个新的估算器，用于条件得分，与先前的最先进的方法相提并论。我们的理论和实验结果伴随着开源库MSDIFF，允许应用和进一步研究多速扩散模型。

By optimizing the rate-distortion-realism trade-off, generative compression approaches produce detailed, realistic images, even at low bit rates, instead of the blurry reconstructions produced by rate-distortion optimized models. However, previous methods do not explicitly control how much detail is synthesized, which results in a common criticism of these methods: users might be worried that a misleading reconstruction far from the input image is generated. In this work, we alleviate these concerns by training a decoder that can bridge the two regimes and navigate the distortion-realism trade-off. From a single compressed representation, the receiver can decide to either reconstruct a low mean squared error reconstruction that is close to the input, a realistic reconstruction with high perceptual quality, or anything in between. With our method, we set a new state-of-the-art in distortion-realism, pushing the frontier of achievable distortion-realism pairs, i.e., our method achieves better distortions at high realism and better realism at low distortion than ever before.

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

基于分数的生成模型（SGMS）最近在样品质量和分配覆盖范围内表现出令人印象深刻的结果。但是，它们通常直接应用于数据空间，并且通常需要数千个网络评估来采样。在这里，我们提出了基于潜在的分数的生成模型（LSGM），这是一种在潜在空间中培训SGM的新方法，依赖于变分性AutoEncoder框架。从数据移动到潜伏空间允许我们培训更具表现力的生成模型，将SGMS应用于非连续数据，并在较小的空间中学习更顺畅的SGM，导致更少的网络评估和更快的采样。要以可扩展且稳定的方式启用培训LSGMS端到端，我们（i）我们（i）引入了适合于LSGM设置的新分数匹配目标，（ii）提出了一个新颖的分数函数参数化，允许SGM专注于关于简单正常的目标分布的不匹配，（III）分析了多种技术，用于减少训练目标的方差。 LSGM在CIFAR-10上获得最先进的FID分数为2.10，优先表现出此数据集的所有现有生成结果。在Celeba-HQ-256上，LSGM在样品质量上与先前的SGMS相同，同时以两个数量级的采样时间表现出来。在模拟二进制图像中，LSGM在二值化omniglot数据集上实现了最先进的可能性。我们的项目页面和代码可以在https://nvlabs.github.io/lsgm找到。

逐步应用高斯噪声将复杂的数据分布转换为大约高斯。逆转此动态定义了一种生成模型。当前进通知过程由随机微分方程（SDE），Song等人提供。 （2021）证明可以使用分数匹配估计相关反向时间SDE的时间不均匀漂移。这种方法的限制是必须在最终分布到高斯的最终分布必须运行前进时间SDE。相反，解决Schr \“odinger桥问题（SB），即路径空间上的熵正常化的最佳运输问题，产生从有限时间内从数据分布产生样本的扩散。我们存在扩散SB（DSB），原始近似迭代比例拟合（IPF）程序来解决SB问题，并提供理论分析以及生成建模实验。第一个DSB迭代恢复Song等人提出的方法。（2021），使用较短时间的灵活性间隔，随后的DSB迭代减少了前进（RESP。后向）SDE的最终时间边际之间的差异，相对于先前（RESP。数据）分布。除了生成的建模之外，DSB提供了广泛适用的计算最优运输工具流行池算法的连续状态空间模拟（Cuturi，2013）。

We present high quality image synthesis results using diffusion probabilistic models, a class of latent variable models inspired by considerations from nonequilibrium thermodynamics. Our best results are obtained by training on a weighted variational bound designed according to a novel connection between diffusion probabilistic models and denoising score matching with Langevin dynamics, and our models naturally admit a progressive lossy decompression scheme that can be interpreted as a generalization of autoregressive decoding. On the unconditional CIFAR10 dataset, we obtain an Inception score of 9.46 and a state-of-the-art FID score of 3.17. On 256x256 LSUN, we obtain sample quality similar to ProgressiveGAN. Our implementation is available at https://github.com/hojonathanho/diffusion.

标准化流动，扩散归一化流量和变形自动置换器是强大的生成模型。在本文中，我们提供了一个统一的框架来通过马尔可夫链处理这些方法。实际上，我们考虑随机标准化流量作为一对马尔可夫链，满足一些属性，并表明许多用于数据生成的最先进模型适合该框架。马尔可夫链的观点使我们能够将确定性层作为可逆的神经网络和随机层作为大都会加速层，Langevin层和变形自身偏移，以数学上的声音方式。除了具有Langevin层的密度的层，扩散层或变形自身形式，也可以处理与确定性层或大都会加热器层没有密度的层。因此，我们的框架建立了一个有用的数学工具来结合各种方法。

每年，深度学习都会通过更深层和更广泛的神经网络展示新的和改进的经验结果。同时，使用现有的理论框架，很难在不诉诸于计数参数或遇到深度指数的样本复杂性范围的情况下，比两层更深地分析网络。尝试在不同的镜头下分析现代机器学习也许是富有成效的。在本文中，我们提出了一个新颖的信息理论框架，其遗憾和样本复杂性的概念用于分析机器学习的数据要求。通过我们的框架，我们首先通过一些经典示例进行工作，例如标量估计和线性回归，以构建直觉并引入通用技术。然后，我们使用该框架来研究由深度符号神经网络，深度恢复神经网络和深层网络产生的数据的样本复杂性，这些数据无限宽，但具有限制的权重。对于符号神经网络，我们恢复了基于VC量的参数之后的样本复杂性界限。对于后两个神经网络环境，我们建立了新的结果，这些结果表明，在这些数据生成过程中，学习的样本复杂性最多是线性和二次的网络深度。

Denoising diffusions are state-of-the-art generative models which exhibit remarkable empirical performance and come with theoretical guarantees. The core idea of these models is to progressively transform the empirical data distribution into a simple Gaussian distribution by adding noise using a diffusion. We obtain new samples whose distribution is close to the data distribution by simulating a "denoising" diffusion approximating the time reversal of this "noising" diffusion. This denoising diffusion relies on approximations of the logarithmic derivatives of the noised data densities, known as scores, obtained using score matching. Such models can be easily extended to perform approximate posterior simulation in high-dimensional scenarios where one can only sample from the prior and simulate synthetic observations from the likelihood. These methods have been primarily developed for data on $\mathbb{R}^d$ while extensions to more general spaces have been developed on a case-by-case basis. We propose here a general framework which not only unifies and generalizes this approach to a wide class of spaces but also leads to an original extension of score matching. We illustrate the resulting class of denoising Markov models on various applications.

We describe an end-to-end trainable model for image compression based on variational autoencoders. The model incorporates a hyperprior to effectively capture spatial dependencies in the latent representation. This hyperprior relates to side information, a concept universal to virtually all modern image codecs, but largely unexplored in image compression using artificial neural networks (ANNs). Unlike existing autoencoder compression methods, our model trains a complex prior jointly with the underlying autoencoder. We demonstrate that this model leads to state-of-the-art image compression when measuring visual quality using the popular MS-SSIM index, and yields rate-distortion performance surpassing published ANN-based methods when evaluated using a more traditional metric based on squared error (PSNR). Furthermore, we provide a qualitative comparison of models trained for different distortion metrics.