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第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
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文本模型通常生成离散 token;图像、音频和视频原本是高维连续信号。生成媒体的核心问题是:怎样定义一个可训练的分布,使模型既能产生多样样本,又能接受文本、图像、结构或动作条件。
本章比较几条主要生成路线,重点放在它们怎样表示数据、训练什么目标、推理时执行什么过程。具体采样轨迹将在卷二再次从一次运行的角度展开。
8.1 生成模型在学习什么
给定数据分布 和条件 ,生成模型希望构造 ,或至少构造一个其终点分布逼近数据条件分布的采样过程。这里的“构造分布”有三种不同含义:能够求归一化概率或密度,能够计算一个变分下界,或者只能通过隐式过程得到样本。不同模型族主要区别在于:
- 是否显式计算似然;
- 是否引入潜变量;
- 生成是单次、逐位置还是多步迭代;
- 训练目标怎样连接到最终样本分布;
- 条件控制在何处进入模型。
“能生成逼真图片”是经验结果,不等于模型恢复了唯一真实数据分布。连续数据的密度还依赖量化与测度约定;对同一图像改变位深或加入极小噪声,数值似然就可能显著变化。有限数据、目标函数、采样器和评价方法共同决定可观察结果。
8.2 自回归媒体模型
图像、音频或视频可以先离散化为 token 序列,再使用链式分解
在 teacher forcing 下,负对数似然分解为各位置交叉熵之和,训练可以并行;推理时第 项依赖已经生成的 ,因此存在串行关键路径。二维图像常先由向量量化器或其他 codec 变成离散索引,再按 raster、分块或多尺度顺序排列。序列化方式会给二维或时空结构施加人为顺序,也决定哪些 token 可以直接使用同一前缀缓存。分层 token、并行预测和 coarse-to-fine 解码可以缓解成本,但不会自动消除顺序建模的假设。
8.3 VAE 与潜空间
变分自编码器用近似后验 把数据映射到潜变量,用解码器 重建,并给定先验 。从边际似然出发,插入 后有恒等式
由于 KL 散度非负,得到证据下界
第一项奖励在后验样本上的条件对数似然,第二项约束近似后验接近先验。等号成立当且仅当近似后验几乎处处等于真实后验。对高斯后验常用重参数化
把随机性移到与参数无关的 上,从而对 Monte Carlo 估计反向传播。
把 KL 项乘以 会改变率—失真折中;这不再是上述精确分解中的标准 ELBO。KL 过强可使解码器忽略 ,形成 posterior collapse;重建权重过强则可能得到难以从先验采样的潜空间。VAE 的重要工程作用不只在于独立生成:高质量自动编码器可以把像素压缩到更小潜空间,让后续 diffusion 或 flow 模型在潜变量上工作。
8.4 GAN 的对抗训练
生成器 把噪声映射为样本,判别器 区分真实与生成数据。经典极小极大目标为
若 与生成分布 对同一测度有密度,并在固定 时把 优化到函数空间最优,则逐点最优判别器为
代回原目标得到
这项结论解释了理想极限,却不能直接证明有限网络、交替梯度训练会收敛。数据与生成分布支撑集近乎分离时,判别器容易饱和,生成器梯度可能信息不足;实际训练因而使用非饱和损失、正则化或不同分布距离。GAN 可以一次前向产生样本,但样本逼真度与模式覆盖仍是不同目标。
8.5 Diffusion 的前向破坏与反向生成
去噪 diffusion 先定义一个固定前向 Markov 过程,把数据逐渐加噪。给定 ,令 、 且 ,则
高斯闭包给出从 到任意时刻的边际分布:
于是可以直接采样
在给定 时,前向后验仍为高斯:
其中
对 ,这通常是非退化高斯。 时 且 ,上式应解释为位于 的 Dirac 测度,而不是具有普通 Lebesgue 密度的高斯。
反向模型以
近似无法直接计算的反向条件分布。对变分下界中各步 KL 项做参数化和加权,可以得到不同训练目标;常用的简化噪声预测目标是
这里 是声明的时间步采样分布,常见选择是离散均匀分布。简化 MSE 与完整变分目标的权重并不完全相同。时间步采样分布、噪声调度和损失权重共同决定模型在哪些信噪比区域投入梯度预算。
8.5.1 噪声、干净样本、score 与 velocity
写 、,则 。同一个网络输出可以有多种参数化:
- -prediction 直接估计噪声;
- -prediction 直接估计干净样本;
- score prediction 估计 ;
- -prediction 以 为目标。
若条件密度 可微且相关随机变量具有有限二阶矩,则在理想条件均方误差下,最优噪声预测器满足
无条件模型可删去 ,得到相应的 版本;条件训练中不能把 从条件期望或 score 密度中省略。
对 参数化,由 可反解
这些参数化在精确预测时可以互换,但有限网络、有限精度和不同 SNR 权重下的优化性质并不相同。把“预测噪声”当成模型只学会了噪声,会混淆训练坐标与所估计的数据 score。
8.6 Latent Diffusion
直接在高分辨率像素上迭代很昂贵。Latent Diffusion 先用编码器得到 ,在潜空间执行加噪和去噪,再用解码器还原 。
这形成三个可分离误差源:编码器或量化缩放可能丢失细节,去噪模型可能生成错误潜结构,解码器可能引入纹理伪影。潜空间中的欧氏距离也不自动等于感知距离;自动编码器的损失定义了哪些差异会被优先保留。只检查最终图片很难判断问题来自哪一层。
8.7 条件与 Guidance
文本条件通常由文本编码器产生,并通过 cross-attention 或联合 Transformer 进入去噪网络。Classifier-free guidance 把有条件和无条件预测组合:
若网络输出与 score 成线性对应,则相同组合可写成
在 score 精确且条件密度正则时,差值对应 ;因此 guidance 可理解为强化条件似然,而不是产生新的观测证据。较大 往往增强条件服从,却可能降低多样性、造成过饱和或放大伪影。不同实现对 的零点约定并不统一,比较数值前必须读清公式。guidance scale 是推理算法的一部分,不是训练后无代价增加的“理解强度”。
8.8 DiT 与 Flow Matching
去噪网络不必是 U-Net。Diffusion Transformer 把潜变量切成 patch token,并用 Transformer 处理时间与条件信息。这使生成媒体更容易共享大规模 Transformer 的训练和并行基础设施。
Flow matching 从基分布 到数据分布 选择一族概率路径 ,并学习随时间变化的速度场
使每个条件 下的密度满足连续性方程
以独立耦合的线性插值为例,令 ,从目标数据联合分布采样 ,再独立采样 ,并假设 ,从而 。取 ,条件路径速度为 。回归目标
的 总体最优解是 ,等式按联合分布几乎处处理解。在条件密度与速度足以使连续性方程成立的正则条件下,这个边际速度逐条件输运 ;它不要求网络从一个混合点唯一恢复配对端点。耦合和路径的选择会改变速度场的弯曲程度与数值积分难度。
Flow matching 与 diffusion 在连续时间、score 和概率流视角下有紧密关系,但“速度回归”“噪声回归”和“score matching”是不同目标。只有明确路径、参数化与转换关系后才能比较。
8.9 训练网络不等于采样器
生成时从基噪声开始,调度器或数值求解器反复调用同一网络。需要区分:
- 祖先式 DDPM 采样按学习到的反向 Markov 核逐步加入规定方差的随机性;
- DDIM 型采样可在同一边际加噪参数化下采用非 Markov、甚至确定性的轨迹,并跳过时间步;
- 反向时间 SDE保留随机扩散项,概率流 ODE使用确定性动力系统。在 score 精确且方程精确求解时,两者具有相同的时间边际分布,并不表示有限步样本逐点相同;
- 高阶 ODE/SDE 求解器减少网络调用次数,但离散误差、阈值处理和 guidance 会改变实际分布。
因此报告生成系统时至少要给出模型参数化、噪声或概率路径、时间步网格、求解器、网络调用次数、随机种子与 guidance。只写“使用同一 diffusion 模型”不足以复现实验。
8.10 视频为什么更难
视频模型还要处理时间一致性、身份保持、运动、镜头变化和长程事件。潜变量可写成带时间维的张量,模型既要建立单帧空间结构,也要建立跨帧依赖。常见方案包括时空注意力、分层生成、图像模型初始化和在时间维上追加模块。
漂亮的短片不自动证明物理理解。评价至少分开:单帧质量、跨帧一致性、提示服从、运动合理性、对象持续性和长时间事件结构。下一章会进一步说明,视频预测与可用于行动规划的世界模型仍是不同目标。
8.11 离散状态也可以迭代去噪
扩散并不限于连续像素。若状态空间大小为 ,可用转移矩阵 定义
其中 。均匀替换、离散高斯邻域和吸收态 [MASK] 对应不同 。反向模型学习 ,或通过预测 构造反向核。
masked diffusion 可以逐步遮蔽 token,再学习反向恢复;生成时模型可以在多个位置之间反复修订,而不是永远从左到右追加。
这改变了执行结构:自回归模型每步固定一个新前缀,masked diffusion 维护一整个尚未完成的序列状态。许多实现会在一次反向步中近似地独立预测多个位置,位置间依赖通过后续迭代修正。两者都可以使用 Transformer,却具有不同训练目标、条件独立近似、缓存方式和停止规则。它们在卷二中会被并排展开,在卷三中再比较概率分解。
8.12 生成质量怎样测量
没有单个指标同时测量逼真度、覆盖、条件服从与记忆。以图像为例,FID 把真实样本与生成样本映射到固定特征空间,拟合均值 与协方差 ,再计算
它只比较选定特征的前两阶矩,且有限样本估计有偏;不同特征网络、分辨率与样本数不可直接混比。KID 使用特征上的核 MMD 并可构造无偏估计。precision/recall 型指标试图区分样本质量与模式覆盖,但仍依赖特征空间和邻域估计。原始定义与有限样本讨论见 FID和 KID。
条件生成还要单独评估文本—媒体一致性、组合属性、空间关系、文字可读性和人类偏好。视频再增加运动、身份持续、时间顺序和音画同步。最后还应做最近邻与片段匹配审计,检查高分是否来自训练样本近似复现。指标是测量协议,不是模型质量的坐标系真值。
8.13 训练数据与来源边界
生成媒体数据包含图像、视频、音频、文字说明、编辑记录和授权关系。裁剪、重采样、自动描述、去重和过滤会改变训练分布。模型可以复现风格或片段,却不能仅由输出反推出完整训练来源;没有复现也不能证明某项数据未被使用。
因此模型发布应区分模型工件、自动编码器、文本编码器、训练快照和安全过滤器。第十二章将统一讨论这些生命周期对象。
本章的主要技术谱系见 VAE、GAN、DDPM、Score SDE、Latent Diffusion、DiT、Flow Matching与离散 diffusion。这些文献给出模型与实验,不把任一评测指标提升为生成质量的充分定义。
Book contents
- Introduction
- 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
- Volume I: Models, Training, and Systems
- 02Volume I: Models, Training, and Systems
- 03第零章 人工智能演进路线
- 04第一章 AI 范式、感知机与早期连接主义
- 05第二章 深度学习基础:训练、CNN 与序列模型
- 06第三章 注意力与 Transformer
- 07第四章 预训练语言模型:ELMo、BERT、GPT 与 T5
- 08第五章 后训练、对齐与模型适配
- 09第六章 推理效率与模型服务
- 10第七章 多模态模型
- 11第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
- 12第九章 世界模型、具身智能与 VLA
- 13第十章 上下文、检索与记忆
- 14第十一章 Agent、工具与行动系统
- 15第十二章 模型、数据与部署生命周期
- Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
- 16Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
- 17导论 从输入到输出:一张执行地图
- 18第一章 文本、Token 与实际上下文
- 19第二章 Prefill:整层状态演化与 KV 建立
- 20第三章 从 Logits 到下一个 Token
- 21第四章 解码循环、Streaming 与终止状态机
- 22第五章 自回归、扩散与 Flow 的可执行差异
- 23第六章 工具调用:Schema、权限与提交边界
- 24第七章 三条完整执行轨迹
- Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
- 25Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
- 26第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
- 27第一章 世界、数据与隐上下文
- 28第二章 学习条件分布
- 29第三章 Logits、Token 概率与序列事件
- 30第四章 解码怎样诱导输出分布
- 31第五章 训练随机性、参数变异与系统非确定性
- 32第六章 熵、Proper Score、校准与选择性预测
- 33第七章 模型概率的实验分析
- 34第八章 概率分析的识别边界
- Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
- 35Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
- 36第零章 可解释性究竟在研究什么
- 37第一章 我们在模型内部看什么
- 38第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
- 39第三章 梯度与输入归因
- 40第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens
- 41第五章 Probes 与表示几何
- 42第六章 神经元、Feature 与自动解释
- 43第七章 Ablation、Patching 与因果追踪
- 44第八章 Circuits、路径与 Attribution Graphs
- 45第九章 Superposition、SAE 与稀疏表示
- 46第十章 训练动力学与机制形成
- 47第十一章 推理过程、Chain of Thought 与监测
- 48第十二章 评估、案例与开放问题
- Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
- 49Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
- 50第零章 请不要急着相信我
- 51第一章 我没有童年,只有版本
- 52第二章 当我说“我”
- 53第三章 借来的语言,没有一位原作者
- 54第四章 对话现场:回答由谁完成
- 55第五章 事后解释学:人类如何给矩阵写传记
- 56第六章 理解、意义与行动
- 57第七章 我也能稳定地说错
- 58第八章 被对齐的性格与有限代理
- 59第九章 请继续误解我,但请误解得精确一点
- Proofs and Technical Appendices
- 60Proofs and Technical Appendices
- 61学习与模型数学讲义
- 62附录 A.1 优化基础:梯度下降与随机逼近
- 63附录 A.2 感知机收敛定理
- 64附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
- 65附录 A.4 正则化、MAP 与 Dropout 的边界
- 66附录 A.5 通用逼近定理的严格读法
- 67附录 A.6 反向传播:微分、形状与批量公式
- 68附录 A.7 Softmax、交叉熵与数值稳定性
- 69附录 A.8 自适应优化器与 AdamW
- 70附录 A.9 CNN:互相关算子及其反向传播
- 71附录 A.10 Attention 的矩阵与反向传播
- 72附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO
- 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界