Climate change is causing the intensification of rainfall extremes. Precipitation projections with high spatial resolution are important for society to prepare for these changes, e.g. to model flooding impacts. Physics-based simulations for creating such projections are very computationally expensive. This work demonstrates the effectiveness of diffusion models, a form of deep generative models, for generating much more cheaply realistic high resolution rainfall samples for the UK conditioned on data from a low resolution simulation. We show for the first time a machine learning model that is able to produce realistic samples of high-resolution rainfall based on a physical model that resolves atmospheric convection, a key process behind extreme rainfall. By adding self-learnt, location-specific information to low resolution relative vorticity, quantiles and time-mean of the samples match well their counterparts from the high-resolution simulation.

Modeling the risk of extreme weather events in a changing climate is essential for developing effective adaptation and mitigation strategies. Although the available low-resolution climate models capture different scenarios, accurate risk assessment for mitigation and adaption often demands detail that they typically cannot resolve. Here, we develop a dynamic data-driven downscaling (super-resolution) method that incorporates physics and statistics in a generative framework to learn the fine-scale spatial details of rainfall. Our method transforms coarse-resolution ($0.25^{\circ} \times 0.25^{\circ}$) climate model outputs into high-resolution ($0.01^{\circ} \times 0.01^{\circ}$) rainfall fields while efficaciously quantifying uncertainty. Results indicate that the downscaled rainfall fields closely match observed spatial fields and their risk distributions.

尽管有持续的改进，但降水预测仍然没有其他气象变量的准确和可靠。造成这种情况的一个主要因素是，几个影响降水分布和强度的关键过程出现在全球天气模型的解决规模以下。计算机视觉社区已经证明了生成的对抗网络（GAN）在超分辨率问题上取得了成功，即学习为粗图像添加精细的结构。 Leinonen等。 （2020年）先前使用GAN来产生重建的高分辨率大气场的集合，并给定较粗糙的输入数据。在本文中，我们证明了这种方法可以扩展到更具挑战性的问题，即通过使用高分辨率雷达测量值作为“地面真相”来提高天气预报模型中相对低分辨率输入的准确性和分辨率。神经网络必须学会添加分辨率和结构，同时考虑不可忽略的预测错误。我们表明，甘斯和vae-gan可以在创建高分辨率的空间相干降水图的同时，可以匹配最新的后处理方法的统计特性。我们的模型比较比较与像素和合并的CRP分数，功率谱信息和等级直方图（用于评估校准）的最佳现有缩减方法。我们测试了我们的模型，并表明它们在各种场景中的表现，包括大雨。

我们表明，级联扩散模型能够在类条件的想象生成基准上生成高保真图像，而无需辅助图像分类器的任何帮助来提高样品质量。级联的扩散模型包括多个扩散模型的流水线，其产生越来越多的分辨率，以最低分辨率的标准扩散模型开始，然后是一个或多个超分辨率扩散模型，其连续上追随图像并添加更高的分辨率细节。我们发现级联管道的样本质量至关重要的是调节增强，我们提出的数据增强较低分辨率调节输入到超级分辨率模型的方法。我们的实验表明，调节增强防止在级联模型中采样过程中的复合误差，帮助我们在256×256分辨率下，在128x128和4.88，优于63.02的分类精度分数，培训级联管道。 ％（TOP-1）和84.06％（TOP-5）在256x256，优于VQ-VAE-2。

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。

扩散模型是一类深入生成模型，在具有密集理论建立的各种任务上显示出令人印象深刻的结果。尽管与其他最先进的模型相比，扩散模型的样本合成质量和多样性令人印象深刻，但它们仍然遭受了昂贵的抽样程序和次优可能的估计。最近的研究表明，对提高扩散模型的性能的热情非常热情。在本文中，我们对扩散模型的现有变体进行了首次全面综述。具体而言，我们提供了扩散模型的第一个分类法，并将它们分类为三种类型，即采样加速增强，可能性最大化的增强和数据将来增强。我们还详细介绍了其他五个生成模型（即变异自动编码器，生成对抗网络，正常流量，自动回归模型和基于能量的模型），并阐明扩散模型与这些生成模型之间的连接。然后，我们对扩散模型的应用进行彻底研究，包括计算机视觉，自然语言处理，波形信号处理，多模式建模，分子图生成，时间序列建模和对抗性纯化。此外，我们提出了与这种生成模型的发展有关的新观点。

小规模过程的建模是气候模型中的主要误差来源，阻碍了低成本模型的准确性，必须通过参数化近似此类过程。红噪声对于许多操作参数化方案至关重要，有助于建模时间相关性。我们通过将随机性的已知好处与机器学习相结合，展示了如何基于红噪声的成功。这是在概率框架内使用物理信息的复发性神经网络完成的。当应用于Lorenz 96大气模拟时，我们的模型具有竞争力，通常优于定制基线和现有的概率机器学习方法（GAN）。这是由于其与标准一阶自回旋方案相比，它具有较高的时间模式的能力。这也是看不见的场景。我们评估了文献中的许多指标，还讨论了使用持有可能性的概率度量的好处。

预测和预测序列中缺少信息的未来结果或原因是代理商能够做出智能决策的关键能力。这需要强大的时间连贯的生成能力。扩散模型最近在几个生成任务中表现出巨大的成功，但在视频域中并未广泛探索。我们提出随机遮罩视频扩散（RAMVID），该扩散将图像扩散模型扩展到使用3D卷积的视频，并在训练过程中引入了一种新的调理技术。通过改变我们条件的面膜，该模型能够执行视频预测，填充和上采样。由于在大多数有条件训练的扩散模型中，我们不使用串联在面罩上条件条件，因此我们能够减少内存足迹。我们在两个基准数据集上评估了该模型以进行视频预测，一个用于视频生成的模型，我们在其中实现了竞争成果。在动力学-600上，我们实现了视频预测的最先进。

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.

Diffusion models have quickly become the go-to paradigm for generative modelling of perceptual signals (such as images and sound) through iterative refinement. Their success hinges on the fact that the underlying physical phenomena are continuous. For inherently discrete and categorical data such as language, various diffusion-inspired alternatives have been proposed. However, the continuous nature of diffusion models conveys many benefits, and in this work we endeavour to preserve it. We propose CDCD, a framework for modelling categorical data with diffusion models that are continuous both in time and input space. We demonstrate its efficacy on several language modelling tasks.

Diffusion models have shown a great ability at bridging the performance gap between predictive and generative approaches for speech enhancement. We have shown that they may even outperform their predictive counterparts for non-additive corruption types or when they are evaluated on mismatched conditions. However, diffusion models suffer from a high computational burden, mainly as they require to run a neural network for each reverse diffusion step, whereas predictive approaches only require one pass. As diffusion models are generative approaches they may also produce vocalizing and breathing artifacts in adverse conditions. In comparison, in such difficult scenarios, predictive models typically do not produce such artifacts but tend to distort the target speech instead, thereby degrading the speech quality. In this work, we present a stochastic regeneration approach where an estimate given by a predictive model is provided as a guide for further diffusion. We show that the proposed approach uses the predictive model to remove the vocalizing and breathing artifacts while producing very high quality samples thanks to the diffusion model, even in adverse conditions. We further show that this approach enables to use lighter sampling schemes with fewer diffusion steps without sacrificing quality, thus lifting the computational burden by an order of magnitude. Source code and audio examples are available online (https://uhh.de/inf-sp-storm).

由于其对人类生命，运输，粮食生产和能源管理的高度影响，因此在科学上研究了预测天气的问题。目前的运营预测模型基于物理学，并使用超级计算机来模拟大气预测，提前预测数小时和日期。更好的基于物理的预测需要改进模型本身，这可能是一个实质性的科学挑战，以及潜在的分辨率的改进，可以计算令人望而却步。基于神经网络的新出现的天气模型代表天气预报的范式转变：模型学习来自数据的所需变换，而不是依赖于手工编码的物理，并计算效率。然而，对于神经模型，每个额外的辐射时间都会构成大量挑战，因为它需要捕获更大的空间环境并增加预测的不确定性。在这项工作中，我们提出了一个神经网络，能够提前十二小时的大规模降水预测，并且从相同的大气状态开始，该模型能够比最先进的基于物理的模型更高的技能HRRR和HREF目前在美国大陆运营。可解释性分析加强了模型学会模拟先进物理原则的观察。这些结果代表了建立与神经网络有效预测的新范式的实质性步骤。

生成时间连贯的高保真视频是生成建模研究中的重要里程碑。我们通过提出一个视频生成的扩散模型来取得这一里程碑的进步，该模型显示出非常有希望的初始结果。我们的模型是标准图像扩散体系结构的自然扩展，它可以从图像和视频数据中共同训练，我们发现这可以减少Minibatch梯度的方差并加快优化。为了生成长而更高的分辨率视频，我们引入了一种新的条件抽样技术，用于空间和时间视频扩展，该技术的性能比以前提出的方法更好。我们介绍了大型文本条件的视频生成任务，以及最新的结果，以实现视频预测和无条件视频生成的确定基准。可从https://video-diffusion.github.io/获得补充材料

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。

虽然扩散概率模型可以产生高质量的图像内容，但仍然存在高分辨率图像的关键限制及其相关的高计算要求。最近的矢量量化图像模型已经克服了图像分辨率的这种限制，而是通过从之前的元素 - 明智的自回归采样生成令牌时，这是对图像分辨率的速度和单向的。相比之下，在本文中，我们提出了一种新的离散扩散概率模型，其通过使用无约束的变压器架构作为骨干来支持矢量量化令牌的并行预测。在培训期间，令牌以订单不可知的方式随机掩盖，变压器学会预测原始令牌。这种矢量量化令牌预测的并行性反过来促进了在计算费用的一小部分下的全球一致的高分辨率和多样性图像的无条件生成。以这种方式，我们可以产生超过原始训练集样本的图像分辨率，而另外提供每个图像似然估计（从生成的对抗方法的差点）。我们的方法在密度方面实现了最先进的结果（Lsun卧室：1.51; Lsun Churches：1.12; FFHQ：1.20）和覆盖范围（Lsun卧室：0.83; Lsun Churches：0.73; FFHQ：0.80），并执行竞争对手（LSUN卧室：3.64; LSUN教堂：4.07; FFHQ：6.11）在计算和减少训练套件要求方面提供优势。

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.

许多工程问题需要预测实现实现变异性或建模量的精致描述。在这种情况下，有必要采用未知高维空间的元素，其中可能具有数百万自由度。虽然存在能够具有具有已知形状的概率密度函数（PDF）的方法的方法，但是当分布未知时需要进行若干近似。在本文中，基础分布的采样方法以及底层分布的推动都是用一种称为生成对抗网络（GaN）的数据驱动方法，该方法列举了两个竞争的神经网络来生产可以有效地产生样本的网络从训练集分发。在实践中，通常需要从条件分布中绘制样品。当条件变量是连续的时，可以仅可用对应于调节变量的特定值的一个（如果有）数据点，这不足以估计条件分布。使用PDF的条件时刻的先验估计，处理此问题。这里比较两种方法，随机估计和外部神经网络，用于计算这些时刻;但是，可以使用任何优选的方法。在过滤的湍流流场的解构的情况下，证明了算法。结果表明，与最先进的方法相比，所提出的算法的所有版本有效地对目标条件分布进行了最小的影响，对样品的质量的影响最小。另外，该过程可以用作由连续变量的条件GaN（CGAN）产生的样本的分集的度量。

利用深度学习的最新进展，文本到图像生成模型目前具有吸引公众关注的优点。其中两个模型Dall-E 2和Imagen已经证明，可以从图像的简单文本描述中生成高度逼真的图像。基于一种称为扩散模型的新型图像生成方法，文本对图像模型可以生产许多不同类型的高分辨率图像，其中人类想象力是唯一的极限。但是，这些模型需要大量的计算资源来训练，并处理从互联网收集的大量数据集。此外，代码库和模型均未发布。因此，它可以防止AI社区尝试这些尖端模型，从而使其结果复制变得复杂，即使不是不可能。在本文中，我们的目标是首先回顾这些模型使用的不同方法和技术，然后提出我们自己的文本模型模型实施。高度基于DALL-E 2，我们引入了一些轻微的修改，以应对所引起的高计算成本。因此，我们有机会进行实验，以了解这些模型的能力，尤其是在低资源制度中。特别是，我们提供了比Dall-e 2的作者（包括消融研究）更深入的分析。此外，扩散模型使用所谓的指导方法来帮助生成过程。我们引入了一种新的指导方法，该方法可以与其他指导方法一起使用，以提高图像质量。最后，我们的模型产生的图像质量相当好，而不必维持最先进的文本对图像模型的重大培训成本。

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

深度学习表现出巨大的生成任务潜力。生成模型是可以根据某些隐含参数随机生成观测值的模型类。最近，扩散模型由于其发电能力而成为一类生成模型。如今，已经取得了巨大的成就。除了计算机视觉，语音产生，生物信息学和自然语言处理外，还需要在该领域探索更多应用。但是，扩散模型具有缓慢生成过程的自然缺点，从而导致许多增强的作品。该调查总结了扩散模型的领域。我们首先说明了两项具有里程碑意义的作品的主要问题-DDPM和DSM。然后，我们提供各种高级技术，以加快扩散模型 - 训练时间表，无训练采样，混合模型以及得分和扩散统一。关于现有模型，我们还根据特定的NFE提供了FID得分的基准和NLL。此外，引入了带有扩散模型的应用程序，包括计算机视觉，序列建模，音频和科学AI。最后，该领域以及局限性和进一步的方向都进行了摘要。