Add command line arguments and cuda support.
authorFrancois Fleuret <francois@fleuret.org>
Sat, 13 Aug 2022 00:31:14 +0000 (02:31 +0200)
committerFrancois Fleuret <francois@fleuret.org>
Sat, 13 Aug 2022 00:31:14 +0000 (02:31 +0200)
minidiffusion.py

index 0f5948e..8d8dac0 100755 (executable)
 
 # Written by Francois Fleuret <francois@fleuret.org>
 
-# Minimal implementation of Jonathan Ho, Ajay Jain, Pieter Abbeel
-# "Denoising Diffusion Probabilistic Models" (2020)
-#
-# https://arxiv.org/abs/2006.11239
+import math, argparse
 
-import math
 import matplotlib.pyplot as plt
+
 import torch
 from torch import nn
 
+device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
+
+######################################################################
+
+def sample_gaussian_mixture(nb):
+    p, std = 0.3, 0.2
+    result = torch.empty(nb, 1, device = device).normal_(0, std)
+    result = result + torch.sign(torch.rand(result.size(), device = device) - p) / 2
+    return result
+
+def sample_arc(nb):
+    theta = torch.rand(nb, device = device) * math.pi
+    rho = torch.rand(nb, device = device) * 0.1 + 0.7
+    result = torch.empty(nb, 2, device = device)
+    result[:, 0] = theta.cos() * rho
+    result[:, 1] = theta.sin() * rho
+    return result
+
+def sample_spiral(nb):
+    u = torch.rand(nb, device = device)
+    rho = u * 0.65 + 0.25 + torch.rand(nb, device = device) * 0.15
+    theta = u * math.pi * 3
+    result = torch.empty(nb, 2, device = device)
+    result[:, 0] = theta.cos() * rho
+    result[:, 1] = theta.sin() * rho
+    return result
+
+samplers = {
+    'gaussian_mixture': sample_gaussian_mixture,
+    'arc': sample_arc,
+    'spiral': sample_spiral,
+}
+
+######################################################################
+
+parser = argparse.ArgumentParser(
+    description = '''A minimal implementation of Jonathan Ho, Ajay Jain, Pieter Abbeel
+"Denoising Diffusion Probabilistic Models" (2020)
+https://arxiv.org/abs/2006.11239''',
+
+    formatter_class = argparse.ArgumentDefaultsHelpFormatter
+)
+
+parser.add_argument('--seed',
+                    type = int, default = 0,
+                    help = 'Random seed, < 0 is no seeding')
+
+parser.add_argument('--nb_epochs',
+                    type = int, default = 100,
+                    help = 'How many epochs')
+
+parser.add_argument('--batch_size',
+                    type = int, default = 25,
+                    help = 'Batch size')
+
+parser.add_argument('--nb_samples',
+                    type = int, default = 25000,
+                    help = 'Number of training examples')
+
+parser.add_argument('--learning_rate',
+                    type = float, default = 1e-3,
+                    help = 'Learning rate')
+
+parser.add_argument('--ema_decay',
+                    type = float, default = 0.9999,
+                    help = 'EMA decay, < 0 means no EMA')
+
+data_list = ', '.join( [ str(k) for k in samplers ])
+
+parser.add_argument('--data',
+                    type = str, default = 'gaussian_mixture',
+                    help = f'Toy data-set to use: {data_list}')
+
+args = parser.parse_args()
+
+if args.seed >= 0:
+    # torch.backends.cudnn.deterministic = True
+    # torch.backends.cudnn.benchmark = False
+    # torch.use_deterministic_algorithms(True)
+    torch.manual_seed(args.seed)
+    if torch.cuda.is_available():
+        torch.cuda.manual_seed_all(args.seed)
+
 ######################################################################
 
 class EMA:
-    def __init__(self, model, decay = 0.9999):
+    def __init__(self, model, decay):
         self.model = model
         self.decay = decay
+        if self.decay < 0: return
         self.ema = { }
         with torch.no_grad():
             for p in model.parameters():
                 self.ema[p] = p.clone()
 
     def step(self):
+        if self.decay < 0: return
         with torch.no_grad():
             for p in self.model.parameters():
                 self.ema[p].copy_(self.decay * self.ema[p] + (1 - self.decay) * p)
 
     def copy(self):
+        if self.decay < 0: return
         with torch.no_grad():
             for p in self.model.parameters():
                 p.copy_(self.ema[p])
 
-######################################################################
-
-def sample_gaussian_mixture(nb):
-    p, std = 0.3, 0.2
-    result = torch.empty(nb, 1).normal_(0, std)
-    result = result + torch.sign(torch.rand(result.size()) - p) / 2
-    return result
-
-def sample_arc(nb):
-    theta = torch.rand(nb) * math.pi
-    rho = torch.rand(nb) * 0.1 + 0.7
-    result = torch.empty(nb, 2)
-    result[:, 0] = theta.cos() * rho
-    result[:, 1] = theta.sin() * rho
-    return result
-
 ######################################################################
 # Train
 
-nb_samples = 25000
-
-train_input = sample_gaussian_mixture(nb_samples)
-#train_input = sample_arc(nb_samples)
+try:
+    train_input = samplers[args.data](args.nb_samples)
+except KeyError:
+    print(f'unknown data {args.data}')
+    exit(1)
 
 ######################################################################
 
@@ -69,28 +137,27 @@ model = nn.Sequential(
     nn.ReLU(),
     nn.Linear(nh, nh),
     nn.ReLU(),
+    nn.Linear(nh, nh),
+    nn.ReLU(),
     nn.Linear(nh, train_input.size(1)),
-)
-
-nb_epochs = 50
-batch_size = 25
+).to(device)
 
 T = 1000
-beta = torch.linspace(1e-4, 0.02, T)
+beta = torch.linspace(1e-4, 0.02, T, device = device)
 alpha = 1 - beta
 alpha_bar = alpha.log().cumsum(0).exp()
 sigma = beta.sqrt()
 
-ema = EMA(model)
+ema = EMA(model, decay = args.ema_decay)
 
-for k in range(nb_epochs):
+for k in range(args.nb_epochs):
 
     acc_loss = 0
-    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr = 1e-3)
+    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr = args.learning_rate)
 
-    for x0 in train_input.split(batch_size):
-        t = torch.randint(T, (x0.size(0), 1))
-        eps = torch.randn(x0.size())
+    for x0 in train_input.split(args.batch_size):
+        t = torch.randint(T, (x0.size(0), 1), device = device)
+        eps = torch.randn(x0.size(), device = device)
         input = alpha_bar[t].sqrt() * x0 + (1 - alpha_bar[t]).sqrt() * eps
         input = torch.cat((input, 2 * t / T - 1), 1)
         output = model(input)
@@ -99,22 +166,22 @@ for k in range(nb_epochs):
         loss.backward()
         optimizer.step()
 
-        acc_loss += loss.item()
+        acc_loss += loss.item() * x0.size(0)
 
         ema.step()
 
-    if k%10 == 0: print(k, loss.item())
+    if k%10 == 0: print(f'{k} {acc_loss / train_input.size(0)}')
 
 ema.copy()
 
 ######################################################################
 # Generate
 
-x = torch.randn(10000, train_input.size(1))
+x = torch.randn(10000, train_input.size(1), device = device)
 
 for t in range(T-1, -1, -1):
-    z = torch.zeros(x.size()) if t == 0 else torch.randn(x.size())
-    input = torch.cat((x, torch.ones(x.size(0), 1) * 2 * t / T - 1), 1)
+    z = torch.zeros(x.size(), device = device) if t == 0 else torch.randn(x.size(), device = device)
+    input = torch.cat((x, torch.ones(x.size(0), 1, device = device) * 2 * t / T - 1), 1)
     x = 1 / alpha[t].sqrt() * (x - (1 - alpha[t])/(1 - alpha_bar[t]).sqrt() * model(input)) \
         + sigma[t] * z
 
@@ -128,12 +195,12 @@ if train_input.size(1) == 1:
 
     ax.set_xlim(-1.25, 1.25)
 
-    d = train_input.flatten().detach().numpy()
+    d = train_input.flatten().detach().to('cpu').numpy()
     ax.hist(d, 25, (-1, 1),
             density = True,
             histtype = 'stepfilled', color = 'lightblue', label = 'Train')
 
-    d = x.flatten().detach().numpy()
+    d = x.flatten().detach().to('cpu').numpy()
     ax.hist(d, 25, (-1, 1),
             density = True,
             histtype = 'step', color = 'red', label = 'Synthesis')
@@ -146,21 +213,22 @@ elif train_input.size(1) == 2:
     ax.set_ylim(-1.25, 1.25)
     ax.set(aspect = 1)
 
-    d = train_input[:200].detach().numpy()
+    d = train_input[:200].detach().to('cpu').numpy()
     ax.scatter(d[:, 0], d[:, 1],
                color = 'lightblue', label = 'Train')
 
-    d = x[:200].detach().numpy()
+    d = x[:200].detach().to('cpu').numpy()
     ax.scatter(d[:, 0], d[:, 1],
                color = 'red', label = 'Synthesis')
 
     ax.legend(frameon = False, loc = 2)
 
-filename = 'diffusion.pdf'
+filename = f'diffusion_{args.data}.pdf'
 print(f'saving {filename}')
 fig.savefig(filename, bbox_inches='tight')
 
-plt.get_current_fig_manager().window.setGeometry(2, 2, 1024, 768)
-plt.show()
+if hasattr(plt.get_current_fig_manager(), 'window'):
+    plt.get_current_fig_manager().window.setGeometry(2, 2, 1024, 768)
+    plt.show()
 
 ######################################################################