扩散模型系列——CFG

Xiao · June 10, 2025, 4:05pm

Classifier-Free Guidance

代码地址：https://github.com/teapearce/conditional_diffusion_mnist

一、概述

Classifier-Free Guidance（无分类器引导，简称 CFG）是谷歌于 2022 年提出的扩散模型优化技术，旨在增强生成样本的质量与条件契合度。该方法通过联合训练无条件与有条件生成模型，避免了传统Classifier Guidance中显式分类器的依赖，无需额外训练噪声图像分类器。推理阶段，通过线性组合两种生成模式的预测结果，实现灵活的条件引导，显著提升文本生成图像、图像修复等任务的性能。值得强调的是，CFG 是一种推理优化技术，不改变模型训练目标。

Classifier-Free Guidance 的主要特点包括：

无分类器依赖：无需额外训练和维护分类器，减少了模型复杂性和计算资源消耗。
联合训练策略：通过随机丢弃条件信息，使同一网络同时学习无条件与有条件生成；
灵活的引导强度：引入引导强度超参数 $w$，可灵活调节生成结果对条件的依赖程度。

二、主要步骤

CFG的实现分为训练阶段与推理阶段，通过巧妙的参数共享与结果融合达成高效引导。

训练阶段
- 无条件样本生成：以概率 $p_\theta$ 随机置空条件输入 $z$，训练模型生成无约束样本。
$$
\max_{\theta} \mathbb{E}{x \sim p\theta(z)} \left[ \log p_\theta(z) \right]
$$

其中，$p_\theta(z)$ 是无条件生成分布。- 有条件样本生成：同时使用完整条件 $z$ 训练模型生成符合条件的样本。

$$
\max_{\theta} \mathbb{E}{x \sim p\theta(z)} \left[ \log p_\theta(z|c) - \log p_\theta(z) \right]
$$

其中，$p_\theta(z|c)$ 是有条件生成分布，$p_\theta(z)$ 是无条件生成分布。- 共享参数：无条件与有条件模型共享大部分参数，仅通过条件标记区分输入。

$$
\max_{\theta} \mathbb{E}{x \sim p\theta(z)} \left[ \log p_\theta(z|c) - \log p_\theta(z) \right] + \lambda \mathbb{E}{x \sim p\theta(z)} \left[ \log p_\theta(z) \right]
$$

其中，$\lambda$ 是权重参数，用于控制条件匹配度和无条件生成分布的熵之间的平衡。
推理阶段
- 并行生成：同时生成无条件预测 $p_\theta(z)$ 和有条件预测 $p_\theta(z|c)$。
- 线性插值：通过超参数 $w$ 对两者进行线性组合：
  $$
  \text{最终输出} = p_\theta(z) + w \cdot \left[ p_\theta(z|c) - p_\theta(z) \right]
  $$
- 动态调整：$w$ 控制条件依赖强度，$w=0$ 时为纯无条件生成，$w \to \infty$ 时强制匹配条件。

三、关键点

无需分类器设计
- 传统方法需额外训练分类器 $p(c|z)$，而CFG通过联合训练无条件生成模型和有条件生成模型，实现了条件信息的隐式建模。
梯度组合策略
- 提出了基于引导强度参数$w$的梯度组合公式，实现了无条件生成梯度与有条件生成梯度的动态融合，本质上是对预测结果的加权差值放大。公式为：
  
  $$
  \text{最终输出} = p_\theta(z) + w \cdot \left[ p_\theta(z|c) - p_\theta(z) \right]
  $$
  - $w=1$：标准条件生成（如文本对齐图像）。
  - $w>1$：增强条件契合度（如更鲜艳的颜色）。
  - $w<1$：提升多样性（如抽象艺术风格）。
联合训练范式
- 随机条件丢弃：训练时以50%概率随机屏蔽条件输入，强制模型学习数据分布的共性与条件特化；
- 参数共享：无条件与有条件生成共享U-Net网络参数，仅通过条件标记区分输入，避免冗余训练。

四、模型结构

Classifier-Free Guidance 通常基于DDPM、DDIM等扩散模型，核心设计围绕共享架构与双路径训练展开：

共享网络架构
- 模型共享UNet结构，通过条件标记区分输入，负责预测噪声或数据分布梯度。
- 使用Transformer或Embedding层将条件信息（如文本、标签）编码为向量，与时间步嵌入融合后输入网络。
双路径训练机制
- 在条件训练路径中，输入条件编码与噪声图像，再训练模型预测条件去噪目标。
- 在无条件训练路径中，会以一定概率丢弃条件信息，训练模型预测无条件去噪目标。此设计使模型同时学习条件依赖与无条件生成能力。
线性插值策略
- 在推理阶段，通过超参数w对无条件预测与有条件预测进行线性组合，实现逼真性与多样性的权衡引导。
- 当w=0时，仅生成无条件预测；当w=1时，仅生成有条件预测；当w>1时，增强条件匹配度；当w<1时，提升生成多样性。

五、代码实现

import mindspore as ms
from mindspore import nn, ops, Tensor
import numpy as np

# 设置随机种子确保可重复性
ms.set_seed(42)

# 定义U-Net扩散模型
class UNet(nn.Cell):
    def __init__(self, in_channels=3, out_channels=3, channels=128, time_dim=256):
        super().__init__()
        # 时间步嵌入
        self.time_mlp = nn.SequentialCell(
            nn.Dense(time_dim, time_dim * 2),
            nn.SiLU(),
            nn.Dense(time_dim * 2, time_dim)
        )
  
        # 编码器
        self.enc1 = nn.SequentialCell(
            nn.Conv2d(in_channels + time_dim, channels, 3, padding=1),
            nn.GroupNorm(4, channels),
            nn.SiLU()
        )
        self.enc2 = nn.SequentialCell(
            nn.Conv2d(channels, channels * 2, 3, padding=1, stride=2),
            nn.GroupNorm(8, channels * 2),
            nn.SiLU()
        )
  
        # 中间层
        self.mid = nn.SequentialCell(
            nn.Conv2d(channels * 2, channels * 2, 3, padding=1),
            nn.GroupNorm(8, channels * 2),
            nn.SiLU()
        )
  
        # 解码器
        self.dec1 = nn.SequentialCell(
            nn.Conv2dTranspose(channels * 2, channels, 3, padding=1, stride=2),
            nn.GroupNorm(4, channels),
            nn.SiLU()
        )
        self.dec2 = nn.SequentialCell(
            nn.Conv2d(channels + time_dim, channels, 3, padding=1),
            nn.GroupNorm(4, channels),
            nn.SiLU()
        )
        self.final_conv = nn.Conv2d(channels, out_channels, 3, padding=1)

    def construct(self, x, t):
        # 时间步嵌入
        t_emb = self.time_mlp(t)
        t_emb = ops.tile(t_emb.unsqueeze(1).unsqueeze(2), (1, x.shape[1], x.shape[2], 1)).transpose(0, 3, 1, 2)
  
        # 编码
        x = ops.concat([x, t_emb], axis=1)
        x = self.enc1(x)
        x = self.enc2(x)
  
        # 中间层
        x = self.mid(x)
  
        # 解码
        x = self.dec1(x)
        x = ops.concat([x, t_emb], axis=1)
        x = self.dec2(x)
  
        # 输出噪声预测
        return self.final_conv(x)

# 定义Classifier-Free Guidance训练器
class CFGDiffusion(nn.Cell):
    def __init__(self, model, guidance_scale=5.0):
        super().__init__()
        self.model = model
        self.guidance_scale = guidance_scale
        self.loss_fn = nn.MSELoss()
        self.beta_schedule = self._linear_beta_schedule(timesteps=1000)
        self.alpha_cumprod = np.cumprod(1 - self.beta_schedule)

    def _linear_beta_schedule(self, timesteps):
        beta_start = 1e-4
        beta_end = 0.02
        return np.linspace(beta_start, beta_end, timesteps)

    def construct(self, x0, t, noise=None, y=None):
        # 添加噪声
        if noise is None:
            noise = ops.randn_like(x0)
  
        # 前向过程
        sqrt_alpha_cumprod = ops.sqrt(Tensor(self.alpha_cumprod[t], ms.float32))
        sqrt_one_minus_alpha_cumprod = ops.sqrt(1 - Tensor(self.alpha_cumprod[t], ms.float32))
        xt = sqrt_alpha_cumprod * x0 + sqrt_one_minus_alpha_cumprod * noise
  
        # 条件丢弃（50%概率）
        if y is not None and ops.rand(1) > 0.5:
            y = None
  
        # 预测噪声
        if y is None:
            pred_noise = self.model(xt, t)
        else:
            pred_noise_cond = self.model(xt, t)
            pred_noise_uncond = self.model(xt, t)  # 无条件路径复用模型
            pred_noise = pred_noise_uncond + self.guidance_scale * (pred_noise_cond - pred_noise_uncond)
  
        # 计算损失
        loss = self.loss_fn(pred_noise, noise)
        return loss