Denoising Diffusion Models (DDMs) have become the leading generative technique for synthesizing high-quality images but are often constrained by their UNet-based architectures that impose certain limitations. In particular, the considerable size of often hundreds of millions of parameters makes them impractical when hardware resources are limited. However, even with powerful hardware, processing images in the gigapixel range is difficult. This is especially true in fields such as microscopy or satellite imaging, where such challenges arise from the limitation to a predefined generative size and the inefficient scaling to larger images. We present two variations of Neural Cellular Automata (NCA)-based DDM methods to address these challenges and jumpstart NCA-based DDMs: Diff-NCA and FourierDiff-NCA. Diff-NCA performs diffusion by using only local features of the underlying distribution, making it suitable for applications where local features are critical. To communicate global knowledge in image space, naive NCA setups require timesteps that increase with the image scale. We solve this bottleneck of current NCA architectures by introducing FourierDiff-NCA, which advances Diff-NCA by adding a Fourier-based diffusion process and combines the frequency-organized Fourier space with the image space. By initiating diffusion in the Fourier domain and finalizing it in the image space, FourierDiff-NCA accelerates global communication. We validate our techniques by using Diff-NCA (208k parameters) to generate high-resolution digital pathology scans at 576x576 resolution and FourierDiff-NCA (887k parameters) to synthesize CelebA images at 64x64, outperforming VNCA and five times bigger UNet-based DDMs. In addition, we demonstrate FourierDiff-NCA's capabilities in super-resolution, OOD image synthesis, and inpainting without additional training.


翻译:去噪扩散模型已成为合成高质量图像的主流生成技术,但其基于UNet的架构存在若干固有限制。特别是其动辄数亿的参数规模,使得硬件资源受限时难以实际应用。即便使用高性能硬件,处理十亿像素级图像仍面临挑战——这在显微成像或卫星遥感等领域尤为突出,具体表现为预定义生成尺寸的限制以及向更大图像扩展时存在的低效问题。我们提出两种基于神经细胞自动机的扩散模型变体,以应对这些挑战并推动NCA类扩散模型的发展:Diff-NCA与FourierDiff-NCA。Diff-NCA仅利用底层分布的局部特征执行扩散,适用于局部特征至关重要的应用场景。在图像空间传递全局知识时,常规NCA架构所需的迭代步长会随图像尺度增大而增加。我们通过引入FourierDiff-NCA突破当前NCA架构这一瓶颈:该模型通过添加基于傅里叶的扩散过程改进Diff-NCA,将频域组织的傅里叶空间与图像空间有机结合。通过在傅里叶域启动扩散并在图像空间完成扩散,FourierDiff-NCA加速了全局信息传递。我们通过实验验证了所提方法:使用Diff-NCA(20.8万参数)生成576×576分辨率的高分辨率数字病理扫描图像,以及FourierDiff-NCA(88.7万参数)合成64×64分辨率的CelebA图像,其性能超越VNCA和参数规模为其五倍的UNet扩散模型。此外,我们还证明了FourierDiff-NCA在无需额外训练的情况下,具备超分辨率、分布外图像合成及图像修复等能力。

0
下载
关闭预览

相关内容

神经计算与应用(Neural Computing & Applications)是一份国际期刊,发表神经计算和相关技术(如遗传算法、模糊逻辑和神经模糊系统)的实际应用领域的原始研究和其他信息。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nca/
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Attentive Graph Neural Networks for Few-Shot Learning
Arxiv
40+阅读 · 2020年7月14日
Arxiv
11+阅读 · 2018年4月8日
Arxiv
14+阅读 · 2018年4月6日
VIP会员
最新内容
乌军利用美国“黄蜂”无人机摧毁俄军后勤
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:53
《支持作战级人机协同智能的交互式OODA流程》
专知会员服务
4+阅读 · 今天14:46
【伯克利博士论文】基于动作分块策略的强化学习
Transformer增强强化学习:通信网络基础与应用综述
ICML 2026 | SARDI:扩散语言模型的自增强检索
专知会员服务
6+阅读 · 6月6日
《国防领域安全采用大语言模型的战略蓝图》
专知会员服务
9+阅读 · 6月6日
ICML 2026 | 演化选择的因果建模
专知会员服务
10+阅读 · 6月5日
综述|学习式3D表征最新进展与趋势
专知会员服务
7+阅读 · 6月5日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员