多模态可控扩散模型综述
A Survey of Multimodal Controllable Diffusion Models
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摘要:研究背景 近年来,人工智能领域经历了跨越式发展,其中生成模型在计算机视觉、自然语言处理和强化学习等多个领域取得了长足进步。生成对抗网络(GANs)、变分自编码器(VAEs)和归一化流等传统方法曾长期占据主导地位,但近期扩散模型(Diffusion Models)的兴起引发了生成模型范式的转变。扩散模型由三个关键组成部分构成:正向过程将数据分布转化为随机噪声;反向过程使用可学习神经网络逐步估计变换核从而逆转正向过程;采样过程利用优化后的网络从随机噪声生成数据。尽管在理论基础、训练稳定性和损失函数简洁性方面具有优势,但扩散模型通常需要更多的采样时间,且难以控制和引导生成过程。为解决这些挑战,研究人员提出了多种解决方案,包括改进的常微分方程(ODE)或随机微分方程(SDE)求解器、模型蒸馏技术以加速采样,以及引导机制来根据条件校正无条件生成的方向。这些条件可涵盖图像、文本或2D姿态等多种形式。研究目的 虽然已有多篇综述文章探讨了扩散模型的各个方面,但在可控生成的全面回顾方面仍存在空白。本综述着力填补这一空白,提供了一个全面的分类框架,总结了扩散模型图像合成中各种形式的控制技术和策略,并探讨了可控生成在不同应用场景中的实践。我们期望能为可控扩散模型的潜力提供有价值的见解,并启发未来在这一蓬勃发展的新型生成模型领域的进一步研究方向。研究方法 首先,本文概述了扩散模型的公式、采样方法以及推动其发展的关键方向。扩散模型是一种基于概率分布的生成模型,通过模拟数据分布的随机过程来生成新的数据样本。在采样方法方面,扩散模型采用了多种策略,如马尔可夫链蒙特卡洛采样、朗之万采样等,以提高生成样本的质量和多样性。然而,单纯的扩散模型在实际应用中往往难以满足特定需求。因此,可控扩散模型应运而生。可控扩散模型在传统扩散模型的基础上,引入了多种可控因素,如语义可控、空间位置可控、ID可控、图像风格可控以及程度可控等。这些可控因素使得模型能够根据不同的需求,生成具有特定属性或特征的样本,大大提高了模型的实用性和灵活性。在可控技术的推进过程中,评估指标的建立至关重要。通过设定合理的评估标准,我们可以对模型的性能进行量化分析,从而指导模型的优化和改进。目前,常用的评估指标包括生成样本的质量、多样性、语义匹配性等方面,这些指标共同构成了评估可控扩散模型性能的基础框架。除了理论层面的研究,可控扩散模型在多个领域的应用也取得了显著的成果。在图像处理领域,可控扩散模型可以用于生成具有特定风格或内容的2D图像,如艺术画作、人脸合成等,也能用于图像修复、视频、3D生成以及个人定制生成。研究结果和结论 随着深度学习技术的不断进步,模型的性能将得到进一步提升,生成样本的质量和多样性将得到显著提高。其次,随着大数据时代的到来,可控扩散模型将在处理海量数据方面发挥更大的作用,为各个领域的实际问题提供更为有效的解决方案。最后,随着多模态数据的发展,可控扩散模型将在跨模态生成方面取得重要突破,实现文本、图像、音频等多种数据形式之间的自由转换和生成。可控扩散模型作为一种新兴的技术,在解决实际问题中展现出了巨大的潜力。通过深入了解其核心原理、技术进展以及应用领域,我们可以为未来的研究和发展提供有力的支持。Abstract: Diffusion models have recently emerged as powerful generative models, producing high-fidelity samples across domains. Despite this, they have two key challenges, including improving the time-consuming iterative generation process and controlling and steering the generation process. Existing surveys provide broad overviews of diffusion model advancements. However, they lack comprehensive coverage specifically centered on techniques for controllable generation. This survey seeks to address this gap by providing a comprehensive and coherent review on controllable generation in diffusion models. We provide a detailed taxonomy defining controlled generation for diffusion models. Controllable generation is categorized based on the formulation, methodologies, and evaluation metrics. By enumerating the range of methods researchers have developed for enhanced control, we aim to establish controllable diffusion generation as a distinct subfield warranting dedicated focus. With this survey, we contextualize recent results, provide the dedicated treatment of controllable diffusion model generation, and outline limitations and future directions. To demonstrate applicability, we highlight controllable diffusion techniques for major computer vision tasks application. By consolidating methods and applications for controllable diffusion models, we hope to catalyze further innovations in reliable and scalable controllable generation.