DDPM의 핵심 식을 한 줄씩: 잡음을 더하는 전방 과정, 한 번에 t단계로 가는 닫힌 꼴, 재매개변수화, 잡음 예측 손실, 샘플링, 신호 대 잡음비와 열방정식의 연결
이미지 생성 모델의 대부분은 확산 모델입니다. 아이디어는 단순합니다. 사진에 잡음을 조금씩 더해 결국 완전한 잡음으로 만드는 과정은 쉽습니다. 그 과정을 거꾸로, 잡음에서 조금씩 잡음을 걷어 내는 법을 신경망에게 가르치면, 순수한 잡음에서 새 사진을 만들 수 있습니다. 이 장에서는 2020년 논문 “Denoising Diffusion Probabilistic Models”(Ho 외)의 핵심 식들을 해부합니다. 필요한 것은 정규분포의 성질(확률과 통계 2·4장)과 기댓값(3장)입니다.
4.1 전방 과정
q(xt∣xt−1)=N(xt;1−βtxt−1,βtI),t=1,…,T.
읽기.N(x;μ,Σ)는 “x에 대한, 평균 μ 공분산 Σ인 정규밀도”입니다. 그러므로 이 식은
예측한 잡음의 일부를 빼고, 줄였던 크기를 되돌리고(1/αt), 약간의 새 잡음을 더합니다. 1000번의 신경망 계산이 필요해서 느리며, 이를 줄이는 것(DDIM, 고차 ODE 풀이기)이 이후 연구의 큰 주제입니다(미분방정식 7장).
4.5 열방정식과의 연결
βt가 작으면 전방 과정은 “조금씩 줄이고 조금씩 퍼뜨리기”이고, 연속 시간 극한에서 확률 미분방정식이 됩니다. 그 확률밀도는 확산 방정식(미분방정식 9장의 열방정식에 끌어당기는 항이 붙은 것)을 따릅니다. 확산 모델이라는 이름이 여기서 왔고, 2021년 이후의 논문은 이 연속 시간 관점(점수 기반 모델, 확률 흐름 ODE)으로 씁니다.
4.6 이 장의 요약
전방: xt=1−βtxt−1+βtϵ, 분산 1을 유지.
닫힌 꼴: xt=αˉtx0+1−αˉtϵ. SNR =αˉt/(1−αˉt).
학습: 섞인 잡음을 맞히는 제곱오차 회귀.
샘플링: 잡음에서 시작해 예측 잡음을 조금씩 뺌. 연속 극한은 확산 방정식.
쓰이는 곳. 이미지·영상·음성 생성 모델(Stable Diffusion, 확산 트랜스포머), 분자·단백질 설계, 로봇 정책 학습(diffusion policy), 기상 예측, 역문제(흐린 사진 복원, MRI 재구성)가 이 장의 식을 출발점으로 씁니다.
문제
4.1 [계산] · 확인 문제
β1=0.1, β2=0.2일 때 값을 구합니다. (소수 넷째 자리까지)
값
답
αˉ2
[?]
x0의 계수 αˉ2
[?]
잡음의 계수 1−αˉ2
[?]
정답
0.72
0.8485
0.5292
풀이
αˉ2=0.9⋅0.8=0.72, 0.72≈0.8485, 0.28≈0.5292입니다. 두 계수의 제곱의 합은 1입니다.
4.2 [계산] · 확인 문제
αˉt=0.2일 때 신호 대 잡음비는?
정답
0.25
풀이
0.2/0.8=0.25입니다.
4.3 [계산] · 확인 문제
1차원에서 x0=2, αˉt=0.64, 뽑힌 잡음 ϵ=0.5이면 xt는?
정답
1.9
풀이
xt=0.8⋅2+0.6⋅0.5=1.6+0.3=1.9입니다.
4.4 [계산] · 확인 문제
위 문제에서 신경망이 잡음을 정확히 ϵθ=0.5로 맞혔다면, xt에서 되찾은 x^0은?
정답
2
풀이
x^0=0.81.9−0.6⋅0.5=0.81.6=2입니다.
4.5 [증명]
Var(xt−1)=I이고 ϵt가 xt−1과 독립이면 Var(xt)=I임을 보이고, 신호를 줄이지 않고 xt=xt−1+βtϵt로 하면 어떻게 되는지 설명합니다.
풀이
독립이므로 Var(xt)=(1−βt)I+βtI=I입니다. 줄이지 않으면 분산이 1+βt배가 되어 T단계 뒤 1+∑βt로 계속 커집니다(값의 범위가 단계마다 달라짐). 이것도 쓰이는 방식(분산 폭발형, variance-exploding)이며, DDPM의 방식은 분산 보존형(variance-preserving)이라 부릅니다.