ElemedexEnciclopedia de bolsillo de arquitecturas de IA
N.º 034

Modelo de difusión

DDPM · Latent diffusion (Stable Diffusion)

Escultor de ruido

Se entrenó ensuciando: le mostraron millones de imágenes cada vez más tapadas de estática y le pidieron adivinar cuánta mugre les habían echado. Ahora hace el camino inverso: parte de ruido puro y lo va raspando, paso a paso, hasta que aparece algo que nunca existió.

Altura
U-Net · T = 1000 pasos (DDPM)
Peso
≈ 2 GB (Stable Diffusion v1, fp16)
Parámetros
35,7–114 M (DDPM) · 860 M U-Net + 123 M texto (Stable Diffusion v1)
Datos de entrenamiento
CIFAR-10, CelebA-HQ, LSUN (DDPM) · LAION-2B-en, LAION-Aesthetics (SD v1)
Año
2020
Generación
5 · Grandes modelos de lenguaje
Creadores
Ho, Jain & Abbeel (UC Berkeley) · Rombach, Blattmann, Lorenz, Esser & Ommer (LMU Munich, Runway)
Clase
Arquitectura

Estadísticas base

Total
258

Escalas ordinales y aproximadas, pensadas para comparar especies entre sí; los números duros están en la ficha.

Debilidades

  • Genera despacio: cada imagen exige muchas pasadas secuenciales de la red.
  • Confunde qué atributo va con qué objeto, las relaciones espaciales, las cantidades y las negaciones.
  • Hereda los sesgos y el material problemático de corpus extraídos de la web.

Hábitat

El DDPM original creció en conjuntos chicos (CIFAR-10, CelebA-HQ, LSUN); Stable Diffusion, en subconjuntos de LAION, miles de millones de pares imagen–texto recolectados de la web, casi todos en inglés. Desde que sus pesos se publicaron en 2022 vive en laptops con GPU, en servidores de Discord y en cada aplicación que promete «generá una imagen».

Movimientos

Habilidades

Desruido iterativo
Una sola red, compartida entre todos los pasos, predice el ruido presente en la imagen; restarlo de a poco, T veces, convierte estática en una muestra.
Espacio latente
La difusión latente no trabaja sobre píxeles sino sobre la versión comprimida que produce un autocodificador, lo que abarata el cómputo.
Condicionamiento cruzado
Los vectores del texto entran en cada paso de la U-Net mediante atención cruzada y orientan qué ruido quitar.

Anatomía

Paso de eliminación de ruido×Tcondicionase aprende a invertirImagen realCodificador → latente z₀+ ruido gaussiano, t pasosz_T ≈ ruido puro«un gato con sombrero»Codificador de texto (CLIP)z_T: ruido al azarU-Net predice el ruidoAtención cruzada al textoRestar parte del ruidoLatente limpio z₀Decodificador → imagenIda: agregar ruido (entrenamiento)TextoVuelta: quitar ruido (generación)

Difusión latente al estilo de Stable Diffusion. En el entrenamiento se agrega ruido a los latentes de imágenes reales y la U-Net aprende a predecir ese ruido; en la generación se parte de ruido al azar y se lo quita de a poco, T veces, con el texto como guía a través de la atención cruzada. En el DDPM original (2020) no hay autocodificador ni texto: todo ocurre en píxeles.

Cadena evolutiva

  • aprender a revertir un ruido gradual, paso a paso020 VAE
034 Modelo de difusión

Un modelo de difusión genera datos aprendiendo a deshacer una corrupción gradual. Se toma una imagen, se le agrega un poco de ruido, y otro poco, y así cientos de veces hasta que no queda nada de ella; después se entrena una red neuronal para recorrer ese camino al revés. La idea viene de la termodinámica fuera del equilibrio (Sohl-Dickstein y colegas la propusieron en 2015), pero fueron Ho et al. (2020) quienes mostraron que podía producir imágenes de alta calidad (2020, sec. 1).

Cómo funciona

El proceso de ida es una cadena de Markov fija, sin nada que aprender: en cada paso se suma un poco de ruido gaussiano, con T = 1000 pasos y varianzas que crecen de 10⁻⁴ a 0,02, hasta que la imagen es indistinguible de estática (Ho et al., 2020, secs. 2, 4). El proceso de vuelta sí se aprende. El hallazgo práctico de Ho y colegas fue que conviene entrenar la red con un objetivo simplificado: dada una imagen con ruido y el número de paso, predecir qué ruido se le agregó (2020, secs. 3.2, 3.4). Es, en el fondo, un autocodificador que elimina ruido (denoising), entrenado en todos los niveles de ruido a la vez; los autores muestran que equivale a una técnica conocida, el denoising score matching, que estima hacia dónde crece la densidad de los datos, y que generar equivale a seguir esa pendiente con dinámica de Langevin.

La red es una U-Net: una arquitectura convolucional que comprime la imagen y la vuelve a expandir con atajos entre niveles, con capas de autoatención a baja resolución; el número de paso entra como una codificación posicional sinusoidal, la misma del Transformer (2020, sec. 4, app. B). En CIFAR-10 el DDPM alcanzó un FID de 3,17, mejor que casi todos los modelos publicados hasta entonces (2020, sec. 4.1).

Difusión latente y texto

Trabajar sobre píxeles es caro. Rombach et al. (2022) propusieron hacer la difusión en el espacio latente de un autocodificador preentrenado, que reduce la imagen varias veces por lado sin perder lo perceptualmente importante, y agregar capas de atención cruzada para condicionar la generación con texto u otras entradas (2022, secs. 3, 3.3). Esa es la base de Stable Diffusion, publicado con pesos abiertos en agosto de 2022: según el repositorio de CompVis (2022), una U-Net de 860 millones de parámetros condicionada por el codificador de texto congelado de CLIP, que corre en una GPU de 10 GB. En cada paso de eliminación de ruido el modelo combina el estado actual de la imagen con la «dirección semántica» que aporta el vector del texto (Millière y Buckner, 2024b, sec. 3.1.1; Alammar y Grootendorst, 2024, p. 265).

Qué cambió

Frente al autocodificador variacional, que decodifica de un solo paso, y a las GAN, con su entrenamiento adversarial inestable, la difusión reparte la dificultad en muchos pasos pequeños, cada uno fácil. Como modelos basados en verosimilitud, no sufren el colapso de modos de las GAN (Rombach et al., 2022, sec. 1). El precio es la lentitud: en el DDPM, generar 128 imágenes de 256 × 256 llevaba unos 300 segundos en una TPU v3-8 (Ho et al., 2020, app. B).

Límites

El muestreo sigue siendo más lento que el de una GAN (Rombach et al., 2022, sec. 5). Los modelos condicionados por codificadores contrastivos como CLIP fallan al asociar atributos con objetos, interpretar preposiciones espaciales, contar y manejar negaciones; Millière y Buckner (2024b) atribuyen buena parte de esto al objetivo contrastivo, que trata los textos casi como bolsas de palabras (2024b, sec. 3.1.1). Y lo que aprenden refleja sus datos: la propia ficha de Stable Diffusion advierte que reproduce y amplifica sesgos de un corpus extraído de la web, con material para adultos y descripciones mayoritariamente en inglés.

Fuentes