扩散模型显示出令人难以置信的能力作为生成模型。实际上，它们为文本条件形成的图像生成（例如Imagen和dall-e2）提供了当前最新模型的启动基于观点。我们首先推导了变异扩散模型（VDM）作为马尔可夫分层变异自动编码器的特殊情况，其中三个关键假设可实现ELBO的可拖动计算和可扩展的优化。然后，我们证明，优化VDM归结为学习神经网络以预测三个潜在目标之一：来自任何任意噪声的原始源输入，任何任意噪声输入的原始源噪声或噪声的得分函数输入任何任意噪声水平。然后，我们更深入地研究学习分数函数的含义，并将扩散模型的变异透视图与通过Tweedie的公式明确地与基于得分的生成建模的角度联系起来。最后，我们涵盖了如何通过指导使用扩散模型学习条件分布的方法。

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。

扩散模型已成为深层生成建模的最有希望的框架之一。在这项工作中，我们探讨了不均匀扩散模型的潜力。我们表明，非均匀扩散会导致多尺度扩散模型，这些模型与多尺度归一化流的结构相似。我们从实验上发现，在相同或更少的训练时间中，多尺度扩散模型比标准均匀扩散模型获得更好的FID得分。更重要的是，它生成样品$ 4.4 $ 4.4美元的$ 4.4 $ $ 128 \ times 128 $分辨率。在使用更多量表的较高分辨率中，预计加速度将更高。此外，我们表明，不均匀的扩散导致有条件得分函数的新估计量，该估计函数以最新的条件降解估计量以PAR性能达到了PAR性能。我们的理论和实验性发现伴随着开源库MSDIFF，可以促进对非均匀扩散模型的进一步研究。

去噪扩散概率模型（DDPMS）在没有对抗性训练的情况下实现了高质量的图像生成，但它们需要模拟Markov链以产生样品的许多步骤。为了加速采样，我们呈现去噪扩散隐式模型（DDIM），更有效的迭代类隐式概率模型，具有与DDPM相同的培训过程。在DDPMS中，生成过程被定义为Markovian扩散过程的反向。我们构建一类导致相同的训练目标的非马尔可瓦夫扩散过程，但其反向过程可能会更快地采样。我们经验证明，与DDPM相比，DDIM可以生产高质量的样本10倍以上$ 50 \时间$ 50 \倍。允许我们缩小对样本质量的计算，并可以直接执行语义有意义的图像插值潜在的空间。

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

尽管存在扩散模型的各种变化，但将线性扩散扩散到非线性扩散过程中仅由几项作品研究。非线性效应几乎没有被理解，但是直觉上，将有更多有希望的扩散模式来最佳地训练生成分布向数据分布。本文介绍了基于分数扩散模型的数据自适应和非线性扩散过程。提出的隐式非线性扩散模型（INDM）通过结合归一化流量和扩散过程来学习非线性扩散过程。具体而言，INDM通过通过流网络利用\ textIt {litex {litex {littent Space}的线性扩散来隐式构建\ textIt {data Space}的非线性扩散。由于非线性完全取决于流网络，因此该流网络是形成非线性扩散的关键。这种灵活的非线性是针对DDPM ++的非MLE训练，将INDM的学习曲线提高到了几乎最大的似然估计（MLE）训练，事实证明，这是具有身份流量的INDM的特殊情况。同样，训练非线性扩散可以通过离散的步骤大小产生采样鲁棒性。在实验中，INDM实现了Celeba的最新FID。

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

变异推理（VI）的核心原理是将计算复杂后概率密度计算的统计推断问题转换为可拖动的优化问题。该属性使VI比几种基于采样的技术更快。但是，传统的VI算法无法扩展到大型数据集，并且无法轻易推断出越野数据点，而无需重新运行优化过程。该领域的最新发展，例如随机，黑框和摊销VI，已帮助解决了这些问题。如今，生成的建模任务广泛利用摊销VI来实现其效率和可扩展性，因为它利用参数化函数来学习近似的后验密度参数。在本文中，我们回顾了各种VI技术的数学基础，以构成理解摊销VI的基础。此外，我们还概述了最近解决摊销VI问题的趋势，例如摊销差距，泛化问题，不一致的表示学习和后验崩溃。最后，我们分析了改善VI优化的替代差异度量。

Denoising diffusions are state-of-the-art generative models which exhibit remarkable empirical performance and come with theoretical guarantees. The core idea of these models is to progressively transform the empirical data distribution into a simple Gaussian distribution by adding noise using a diffusion. We obtain new samples whose distribution is close to the data distribution by simulating a "denoising" diffusion approximating the time reversal of this "noising" diffusion. This denoising diffusion relies on approximations of the logarithmic derivatives of the noised data densities, known as scores, obtained using score matching. Such models can be easily extended to perform approximate posterior simulation in high-dimensional scenarios where one can only sample from the prior and simulate synthetic observations from the likelihood. These methods have been primarily developed for data on $\mathbb{R}^d$ while extensions to more general spaces have been developed on a case-by-case basis. We propose here a general framework which not only unifies and generalizes this approach to a wide class of spaces but also leads to an original extension of score matching. We illustrate the resulting class of denoising Markov models on various applications.

基于扩散的生成模型已经证明了感知上令人印象深刻的合成能力，但是它们也可以是基于可能性的模型吗？我们以肯定的方式回答了这一点，并介绍了一个基于扩散的生成模型家族，该模型可以在标准图像密度估计基准上获得最先进的可能性。与其他基于扩散的模型不同，我们的方法允许与其他模型的其余部分共同对噪声时间表进行有效优化。我们表明，根据扩散数据的信噪比，变异下限（VLB）简化为非常短的表达，从而改善了我们对该模型类别的理论理解。使用这种见解，我们证明了文献中提出的几个模型之间的等效性。此外，我们表明连续时间VLB在噪声方面不变，除了其端点处的信噪比。这使我们能够学习一个噪声时间表，以最大程度地减少所得VLB估计器的差异，从而更快地优化。将这些进步与建筑改进相结合，我们获得了图像密度估计基准的最先进的可能性，超过了多年来主导这些基准测试的自回旋模型，通常优化了很多年。此外，我们展示了如何将模型用作BITS背包压缩方案的一部分，并展示了接近理论最佳的无损压缩率。代码可在https://github.com/google-research/vdm上找到。

标准化流动，扩散归一化流量和变形自动置换器是强大的生成模型。在本文中，我们提供了一个统一的框架来通过马尔可夫链处理这些方法。实际上，我们考虑随机标准化流量作为一对马尔可夫链，满足一些属性，并表明许多用于数据生成的最先进模型适合该框架。马尔可夫链的观点使我们能够将确定性层作为可逆的神经网络和随机层作为大都会加速层，Langevin层和变形自身偏移，以数学上的声音方式。除了具有Langevin层的密度的层，扩散层或变形自身形式，也可以处理与确定性层或大都会加热器层没有密度的层。因此，我们的框架建立了一个有用的数学工具来结合各种方法。

概率分布允许从业者发现数据中的隐藏结构，并构建模型，以使用有限的数据解决监督的学习问题。该报告的重点是变异自动编码器，这是一种学习大型复杂数据集概率分布的方法。该报告提供了对变异自动编码器的理论理解，并巩固了该领域的当前研究。该报告分为多个章节，第一章介绍了问题，描述了变异自动编码器并标识了该领域的关键研究方向。第2、3、4和5章深入研究了每个关键研究领域的细节。第6章总结了报告，并提出了未来工作的指示。具有机器学习基本思想但想了解机器学习研究中的一般主题的读者可以从报告中受益。该报告解释了有关学习概率分布的中心思想，人们为使这种危险做些什么，并介绍了有关当前如何应用深度学习的细节。该报告还为希望为这个子场做出贡献的人提供了温和的介绍。

由于难以应变的分区功能，通过最大可能性培训基于能量的模型（EBMS）需要Markov链蒙特卡罗（MCMC）采样，以近似数据和模型分布之间的kullback-Leibler发散的梯度。然而，由于模式之间的混合难以混合，因此从EBM中的样本是不普遍的。在本文中，我们建议学习变形式自动编码器（VAE）以初始化有限步骤MCMC，例如源自能量函数的Langevin动态，用于EBM的有效摊销采样。利用这些倒置的MCMC样品，可以通过最大似然训练EBM，其遵循“通过合成分析”方案;虽然VAE通过变分贝叶斯从这些MCMC样品中学习。我们称之为该联合训练算法的变分MCMC教学，其中VAE将ebm追溯到数据分布。我们将学习算法解释为信息几何上下文中的动态交替投影。我们所提出的模型可以生成与GANS和EBM相当的样本。此外，我们证明我们的模型可以了解有效的概率分布对受监督的条件学习任务。

We present high quality image synthesis results using diffusion probabilistic models, a class of latent variable models inspired by considerations from nonequilibrium thermodynamics. Our best results are obtained by training on a weighted variational bound designed according to a novel connection between diffusion probabilistic models and denoising score matching with Langevin dynamics, and our models naturally admit a progressive lossy decompression scheme that can be interpreted as a generalization of autoregressive decoding. On the unconditional CIFAR10 dataset, we obtain an Inception score of 9.46 and a state-of-the-art FID score of 3.17. On 256x256 LSUN, we obtain sample quality similar to ProgressiveGAN. Our implementation is available at https://github.com/hojonathanho/diffusion.

近似复杂的概率密度是现代统计中的核心问题。在本文中，我们介绍了变分推理（VI）的概念，这是一种机器学习中的流行方法，该方法使用优化技术来估计复杂的概率密度。此属性允许VI汇聚速度比经典方法更快，例如Markov Chain Monte Carlo采样。概念上，VI通过选择一个概率密度函数，然后找到最接近实际概率密度的家庭 - 通常使用Kullback-Leibler（KL）发散作为优化度量。我们介绍了缩窄的证据，以促进近似的概率密度，我们审查了平均场变分推理背后的想法。最后，我们讨论VI对变分式自动编码器（VAE）和VAE-生成的对抗网络（VAE-GAN）的应用。用本文，我们的目标是解释VI的概念，并通过这种方法协助协助。

矢量量化变量自动编码器（VQ-VAE）是基于数据的离散潜在表示的生成模型，其中输入映射到有限的学习嵌入式集合。要生成新样品，必须对离散状态进行自动介绍的先验分布。分别地。这一先验通常非常复杂，并导致生成缓慢。在这项工作中，我们提出了一个新模型，以同时训练先验和编码器/解码器网络。我们在连续编码的向量和非信息性先验分布之间建立扩散桥。然后将潜在离散状态作为这些连续向量的随机函数。我们表明，我们的模型与迷你imagenet和Cifar数据集的自动回归先验具有竞争力，并且在优化和采样方面都有效。我们的框架还扩展了标准VQ-VAE，并可以启用端到端培训。

象征性的AI社区越来越多地试图在神经符号结构中接受机器学习，但由于文化障碍，仍在挣扎。为了打破障碍，这份相当有思想的个人备忘录试图解释和纠正统计，机器学习和深入学习的惯例，从局外人的角度进行深入学习。它提供了一个分步协议，用于设计一个机器学习系统，该系统满足符号AI社区认真对待所必需的最低理论保证，即，它讨论“在哪些条件下，我们可以停止担心和接受统计机器学习。 “一些亮点：大多数教科书都是为计划专门研究STAT/ML/DL的人编写的，应该接受术语。该备忘录适用于经验丰富的象征研究人员，他们听到了很多嗡嗡声，但仍然不确定和持怀疑态度。有关STAT/ML/DL的信息目前太分散或嘈杂而无法投资。此备忘录优先考虑紧凑性，并特别注意与象征性范式相互共鸣的概念。我希望这份备忘录能节省时间。它优先考虑一般数学建模，并且不讨论任何特定的函数近似器，例如神经网络（NNS），SVMS，决策树等。它可以对校正开放。将此备忘录视为与博客文章相似的内容，采用有关Arxiv的论文的形式。

该报告解释，实施和扩展了“更紧密的变化界限不一定更好”所介绍的作品（T Rainforth等，2018）。我们提供了理论和经验证据，这些证据增加了重要性的重要性数量$ k $在重要性加权自动编码器（IWAE）中（Burda等，2016）降低了推理中梯度估计量的信噪比（SNR）网络，从而影响完整的学习过程。换句话说，即使增加$ k $减少了梯度的标准偏差，但它也会更快地降低真实梯度的幅度，从而增加梯度更新的相对差异。进行广泛的实验以了解$ k $的重要性。这些实验表明，更紧密的变化界限对生成网络有益，而宽松的边界对推理网络来说是可取的。通过这些见解，可以实施和研究三种方法：部分重要性加权自动编码器（PIWAE），倍增重要性加权自动编码器（MIWAE）和组合重要性加权自动编码器（CIWAE）。这三种方法中的每一种都需要IWAE作为一种特殊情况，但采用不同的重量权重，以确保较高的梯度估计器的SNR。在我们的研究和分析中，这些算法的疗效在多个数据集（如MNIST和Omniglot）上进行了测试。最后，我们证明了三种呈现的IWAE变化能够产生近似后验分布，这些分布与IWAE更接近真正的后验分布，同时匹配IWAE生成网络的性能，或者在PIWAE的情况下可能超过其表现。

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。

基于得分的扩散模型已成为深度生成型号最有前途的框架之一。在这项工作中，我们对基于得分的扩散模型进行了学习条件概率分布的不同方法的系统比较和理论分析。特别是，我们证明了结果为条件分数最成功的估算之一提供了理论典范。此外，我们引入了多速扩散框架，这导致了一个新的估算器，用于条件得分，与先前的最先进的方法相提并论。我们的理论和实验结果伴随着开源库MSDIFF，允许应用和进一步研究多速扩散模型。