minidiffusion.py

   1 #!/usr/bin/env python
   2
   3 # Any copyright is dedicated to the Public Domain.
   4 # https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
   5
   6 # Written by Francois Fleuret <francois@fleuret.org>
   7
   8 # Minimal implementation of Jonathan Ho, Ajay Jain, Pieter Abbeel
   9 # "Denoising Diffusion Probabilistic Models" (2020)
  10 #
  11 # https://arxiv.org/abs/2006.11239
  12
  13 import matplotlib.pyplot as plt
  14 import torch
  15 from torch import nn
  16
  17 ######################################################################
  18
  19 def sample_phi(nb):
  20     p, std = 0.3, 0.2
  21     result = torch.empty(nb).normal_(0, std)
  22     result = result + torch.sign(torch.rand(result.size()) - p) / 2
  23     return result
  24
  25 ######################################################################
  26
  27 model = nn.Sequential(
  28     nn.Linear(2, 32),
  29     nn.ReLU(),
  30     nn.Linear(32, 32),
  31     nn.ReLU(),
  32     nn.Linear(32, 1),
  33 )
  34
  35 ######################################################################
  36 # Train
  37
  38 nb_samples = 25000
  39 nb_epochs = 250
  40 batch_size = 100
  41
  42 train_input = sample_phi(nb_samples)[:, None]
  43
  44 T = 1000
  45 beta = torch.linspace(1e-4, 0.02, T)
  46 alpha = 1 - beta
  47 alpha_bar = alpha.log().cumsum(0).exp()
  48 sigma = beta.sqrt()
  49
  50 for k in range(nb_epochs):
  51     acc_loss = 0
  52     optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr = 1e-4 * (1 - k / nb_epochs) )
  53
  54     for x0 in train_input.split(batch_size):
  55         t = torch.randint(T, (x0.size(0), 1))
  56         eps = torch.randn(x0.size())
  57         input = alpha_bar[t].sqrt() * x0 + (1 - alpha_bar[t]).sqrt() * eps
  58         input = torch.cat((input, 2 * t / T - 1), 1)
  59         output = model(input)
  60         loss = (eps - output).pow(2).mean()
  61         optimizer.zero_grad()
  62         loss.backward()
  63         optimizer.step()
  64
  65         acc_loss += loss.item()
  66
  67     if k%10 == 0: print(k, loss.item())
  68
  69 ######################################################################
  70 # Generate
  71
  72 x = torch.randn(10000, 1)
  73
  74 for t in range(T-1, -1, -1):
  75     z = torch.zeros(x.size()) if t == 0 else torch.randn(x.size())
  76     input = torch.cat((x, torch.ones(x.size(0), 1) * 2 * t / T - 1), 1)
  77     x = 1 / alpha[t].sqrt() * (x - (1 - alpha[t])/(1 - alpha_bar[t]).sqrt() * model(input)) + sigma[t] * z
  78
  79 ######################################################################
  80 # Plot
  81
  82 fig = plt.figure()
  83 ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
  84 ax.set_xlim(-1.25, 1.25)
  85
  86 d = train_input.flatten().detach().numpy()
  87 ax.hist(d, 25, (-1, 1),
  88         density = True,
  89         histtype = 'stepfilled', color = 'lightblue', label = 'Train')
  90
  91 d = x.flatten().detach().numpy()
  92 ax.hist(d, 25, (-1, 1),
  93         density = True,
  94         histtype = 'step', color = 'red', label = 'Synthesis')
  95
  96 ax.legend(frameon = False, loc = 2)
  97
  98 filename = 'diffusion.pdf'
  99 print(f'saving {filename}')
 100 fig.savefig(filename, bbox_inches='tight')
 101
 102 plt.show()
 103
 104 ######################################################################