（2024，DiS，扩散，状态空间主干，Mamba）具有状态空间主干的可扩展扩散模型

Scalable Diffusion Models with State Space Backbone

公和众和号：EDPJ（进 Q 交流群：922230617 或加 VX：CV_EDPJ 进 V 交流群）

0. 摘要

2. 方法

2.1 基础

2.2 模型结构设计

3. 实验

0. 摘要

这篇论文提出了一种建立在状态空间架构之上的扩散模型的新探索。我们努力训练用于图像数据的扩散模型，其中传统的 U-Net 骨干被状态空间（state space）骨干替代，该骨干可在原始补丁或潜在空间上运行。由于其在容纳长距离依赖性方面的显著效力，扩散状态空间模型（Diffusion State Space，DiS）通过将所有输入，包括时间、条件和嘈杂的图像补丁，视为标记而得以区分。我们对 DiS 的评估涵盖了无条件和类别条件图像生成场景，揭示了 DiS 在与同等规模的基于 CNN 或 Transformer 的 U-Net 架构相比，表现相当或更为优越。此外，我们分析了 DiS 的可伸缩性，通过在 Gflops 中量化的前向传递复杂性来衡量。通过增加深度/宽度或增加输入标记实现更高Gflops 的 DiS 模型一致显示出更低的 FID。除了展示令人钦佩的可伸缩性特征外，位于潜在空间的 DiS-H/2 模型在 256×256 和 512×512 分辨率下在类条件 ImageNet 基准上达到了与先前扩散模型相当的性能水平，同时显著减轻了计算负担。

代码：https://github.com/feizc/DiS

2. 方法

2.1 基础

扩散。

状态空间骨干。

2.2 模型结构设计

我们引入扩散状态空间模型，简称为 DiS，这是一种用于图像生成中的扩散模型的简单而通用的架构。具体而言，DiS 对噪声预测网络 ϵθ(xt, t, c) 进行参数化，该网络以时间步 t、条件 c 和带噪图像 xt 为输入，并预测注入到 xt 中的噪声。我们的目标是密切遵循先进的状态空间架构以保持其可伸缩性特征，因此 DiS 基于双向 Mamba [16,72] 架构，该架构对标记序列进行操作。图 1 提供了完整 DiS 架构的概述。在本节中，我们详细说明了 DiS 的前向传递，以及 DiS 类别的设计空间的组件。

图像 patch 化（patchnify）。DiS 的第一层对输入图像 I ∈ R^(H×W×C) 进行变换，将其转换为展平的 2D patch X ∈ R^(J×(p^2·C))。随后，通过线性嵌入输入中的每个 patch，将其转换为维度为 D 的 J 个标记的序列。与 [11] 一致，我们对所有输入标记应用可学习的位置嵌入。由 patchnify 创建的标记数 J 由超参数 patch 大小 p 决定，为 H×W / p^2。patchnify 支持原始像素和潜在空间。我们将 p 设置为 2、4、8。

SSM 块。在嵌入层之后，输入标记经过一系列 SSM 块的处理。除了带噪声的图像输入，扩散模型有时会处理额外的条件信息，如噪声时间步 t、条件 c（如类别标签或自然语言）。鉴于原始的Mamba 块是为 1-D 序列设计的，我们求助于 [72]，该论文融入了针对视觉任务的双向序列建模。这些设计对标准 SSM 块设计引入了微妙但关键的修改。如图 1 的右侧所示，SSM 块的前向传递结合了正向和反向方向。

跳跃连接。给定一系列 L 个 SSM 块，我们将堆叠的 SSM 块分为前半部分 ⌊L/2⌋ 浅层组、一个中间层和后半部分 ⌊L/2 ⌋ 深层组。令 h_shallow、h_deep ∈ R^(J×D) 分别为主分支和长跳跃分支的隐藏状态。我们考虑直接将它们连接并进行线性投影，即 Linear(Concat(h_shallow, h_deep))，然后将它们馈送到下一个 SSM 块之前。

线性解码器。在最终的 SSM 块之后，我们需要将隐藏状态序列解码为输出噪声预测和对角协方差预测。这两个输出保留与原始空间输入相同的形状。我们使用标准的线性解码器，即应用最终层的归一化和线性解码每个标记为 p^2 ·C 张量。最后，我们重新排列解码后的标记以获得预测的噪声和协方差。

条件整合。为了有效地整合额外的条件，我们采用了一种简单的策略，即将时间步 t 和条件 c 的向量嵌入作为输入序列中的两个补充标记追加。这些标记被等同对待于图像标记，类似于 Vision Transformers [11] 中的 cls 标记的方法。这种方法使得可以利用 SSM 块而无需进行任何修改。在最终块之后，将条件标记从序列中移除。我们还探索了自适应归一化层，其中将标准归一化层替换为自适应归一化层。也就是说，我们不是直接学习维度方向的比例和偏移参数，而是从 t 和 c 的嵌入向量的和中回归它们，这将在实验部分讨论。