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。

Denoising diffusion probabilistic models are a promising new class of generative models that mark a milestone in high-quality image generation. This paper showcases their ability to sequentially generate video, surpassing prior methods in perceptual and probabilistic forecasting metrics. We propose an autoregressive, end-to-end optimized video diffusion model inspired by recent advances in neural video compression. The model successively generates future frames by correcting a deterministic next-frame prediction using a stochastic residual generated by an inverse diffusion process. We compare this approach against five baselines on four datasets involving natural and simulation-based videos. We find significant improvements in terms of perceptual quality for all datasets. Furthermore, by introducing a scalable version of the Continuous Ranked Probability Score (CRPS) applicable to video, we show that our model also outperforms existing approaches in their probabilistic frame forecasting ability.

最近的工作表明，变异自动编码器（VAE）与速率失真理论之间有着密切的理论联系。由此激发，我们从生成建模的角度考虑了有损图像压缩的问题。从最初是为数据（图像）分布建模设计的Resnet VAE开始，我们使用量化意识的后验和先验重新设计其潜在变量模型，从而实现易于量化和熵编码的图像压缩。除了改进的神经网络块外，我们还提出了一类强大而有效的有损图像编码器类别，超过了自然图像（有损）压缩的先前方法。我们的模型以粗略的方式压缩图像，并支持并行编码和解码，从而在GPU上快速执行。

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.

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。

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}。

扩散概率模型（DPMS）在竞争对手GANS的图像生成中取得了显着的质量。但与GAN不同，DPMS使用一组缺乏语义含义的一组潜在变量，并且不能作为其他任务的有用表示。本文探讨了使用DPMS进行表示学习的可能性，并寻求通过自动编码提取输入图像的有意义和可解码的表示。我们的主要思想是使用可学习的编码器来发现高级语义，以及DPM作为用于建模剩余随机变化的解码器。我们的方法可以将任何图像编码为两部分潜在的代码，其中第一部分是语义有意义和线性的，第二部分捕获随机细节，允许接近精确的重建。这种功能使当前箔基于GaN的方法的挑战性应用，例如实际图像上的属性操作。我们还表明，这两级编码可提高去噪效率，自然地涉及各种下游任务，包括几次射击条件采样。

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。

Recent neural compression methods have been based on the popular hyperprior framework. It relies on Scalar Quantization and offers a very strong compression performance. This contrasts from recent advances in image generation and representation learning, where Vector Quantization is more commonly employed. In this work, we attempt to bring these lines of research closer by revisiting vector quantization for image compression. We build upon the VQ-VAE framework and introduce several modifications. First, we replace the vanilla vector quantizer by a product quantizer. This intermediate solution between vector and scalar quantization allows for a much wider set of rate-distortion points: It implicitly defines high-quality quantizers that would otherwise require intractably large codebooks. Second, inspired by the success of Masked Image Modeling (MIM) in the context of self-supervised learning and generative image models, we propose a novel conditional entropy model which improves entropy coding by modelling the co-dependencies of the quantized latent codes. The resulting PQ-MIM model is surprisingly effective: its compression performance on par with recent hyperprior methods. It also outperforms HiFiC in terms of FID and KID metrics when optimized with perceptual losses (e.g. adversarial). Finally, since PQ-MIM is compatible with image generation frameworks, we show qualitatively that it can operate under a hybrid mode between compression and generation, with no further training or finetuning. As a result, we explore the extreme compression regime where an image is compressed into 200 bytes, i.e., less than a tweet.

通过将图像形成过程分解成逐个申请的去噪自身额，扩散模型（DMS）实现了最先进的合成导致图像数据和超越。另外，它们的配方允许引导机构来控制图像生成过程而不会再刷新。然而，由于这些模型通常在像素空间中直接操作，因此强大的DMS的优化通常消耗数百个GPU天，并且由于顺序评估，推理是昂贵的。为了在保留其质量和灵活性的同时启用有限计算资源的DM培训，我们将它们应用于强大的佩带自动化器的潜在空间。与以前的工作相比，这种代表上的培训扩散模型允许第一次达到复杂性降低和细节保存之间的近乎最佳点，极大地提高了视觉保真度。通过将跨关注层引入模型架构中，我们将扩散模型转化为强大而柔性的发电机，以进行诸如文本或边界盒和高分辨率合成的通用调节输入，以卷积方式变得可以实现。我们的潜在扩散模型（LDMS）实现了一种新的技术状态，可在各种任务中进行图像修复和高竞争性能，包括无条件图像生成，语义场景合成和超级分辨率，同时与基于像素的DMS相比显着降低计算要求。代码可在https://github.com/compvis/lattent-diffusion获得。

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.

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（DMS）显示出高质量图像合成的巨大潜力。但是，当涉及到具有复杂场景的图像时，如何正确描述图像全局结构和对象细节仍然是一项具有挑战性的任务。在本文中，我们提出了弗里多（Frido），这是一种特征金字塔扩散模型，该模型执行了图像合成的多尺度粗到1个降解过程。我们的模型将输入图像分解为依赖比例的矢量量化特征，然后是用于产生图像输出的粗到细门。在上述多尺度表示阶段，可以进一步利用文本，场景图或图像布局等其他输入条件。因此，还可以将弗里多应用于条件或跨模式图像合成。我们对各种无条件和有条件的图像生成任务进行了广泛的实验，从文本到图像综合，布局到图像，场景环形图像到标签形象。更具体地说，我们在五个基准测试中获得了最先进的FID分数，即可可和开阔图像的布局到图像，可可和视觉基因组的场景环形图像以及可可的标签对图像图像。 。代码可在https://github.com/davidhalladay/frido上找到。

图像deBlurring是一种对给定输入图像的多种合理的解决方案是一个不适的问题。然而，大多数现有方法产生了清洁图像的确定性估计，并且训练以最小化像素级失真。已知这些指标与人类感知差，并且通常导致不切实际的重建。我们基于条件扩散模型介绍了盲脱模的替代框架。与现有技术不同，我们训练一个随机采样器，它改进了确定性预测器的输出，并且能够为给定输入产生多样化的合理重建。这导致跨多个标准基准的现有最先进方法的感知质量的显着提高。与典型的扩散模型相比，我们的预测和精致方法也能实现更有效的采样。结合仔细调整的网络架构和推理过程，我们的方法在PSNR等失真度量方面具有竞争力。这些结果表明了我们基于扩散和挑战的扩散和挑战的策略的显着优势，生产单一确定性重建的广泛使用策略。

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.

Recent models for learned image compression are based on autoencoders, learning approximately invertible mappings from pixels to a quantized latent representation. These are combined with an entropy model, a prior on the latent representation that can be used with standard arithmetic coding algorithms to yield a compressed bitstream. Recently, hierarchical entropy models have been introduced as a way to exploit more structure in the latents than simple fully factorized priors, improving compression performance while maintaining end-to-end optimization. Inspired by the success of autoregressive priors in probabilistic generative models, we examine autoregressive, hierarchical, as well as combined priors as alternatives, weighing their costs and benefits in the context of image compression. While it is well known that autoregressive models come with a significant computational penalty, we find that in terms of compression performance, autoregressive and hierarchical priors are complementary and, together, exploit the probabilistic structure in the latents better than all previous learned models. The combined model yields state-of-the-art rate-distortion performance, providing a 15.8% average reduction in file size over the previous state-of-the-art method based on deep learning, which corresponds to a 59.8% size reduction over JPEG, more than 35% reduction compared to WebP and JPEG2000, and bitstreams 8.4% smaller than BPG, the current state-of-the-art image codec. To the best of our knowledge, our model is the first learning-based method to outperform BPG on both PSNR and MS-SSIM distortion metrics.32nd Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 2018),

Image super-resolution is a one-to-many problem, but most deep-learning based methods only provide one single solution to this problem. In this work, we tackle the problem of diverse super-resolution by reusing VD-VAE, a state-of-the art variational autoencoder (VAE). We find that the hierarchical latent representation learned by VD-VAE naturally separates the image low-frequency information, encoded in the latent groups at the top of the hierarchy, from the image high-frequency details, determined by the latent groups at the bottom of the latent hierarchy. Starting from this observation, we design a super-resolution model exploiting the specific structure of VD-VAE latent space. Specifically, we train an encoder to encode low-resolution images in the subset of VD-VAE latent space encoding the low-frequency information, and we combine this encoder with VD-VAE generative model to sample diverse super-resolved version of a low-resolution input. We demonstrate the ability of our method to generate diverse solutions to the super-resolution problem on face super-resolution with upsampling factors x4, x8, and x16.

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

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。

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。