Vdm
VDM
基类:Interpolant
变分扩散模型 (VDM) 插值器。
示例
>>> import torch
>>> from bionemo.moco.distributions.prior.continuous.gaussian import GaussianPrior
>>> from bionemo.moco.distributions.time.uniform import UniformTimeDistribution
>>> from bionemo.moco.interpolants.discrete_time.continuous.vdm import VDM
>>> from bionemo.moco.schedules.noise.continuous_snr_transforms import CosineSNRTransform
>>> from bionemo.moco.schedules.inference_time_schedules import LinearInferenceSchedule
vdm = VDM(
time_distribution = UniformTimeDistribution(...),
prior_distribution = GaussianPrior(...),
noise_schedule = CosineSNRTransform(...),
)
model = Model(...)
# Training
for epoch in range(1000):
data = data_loader.get(...)
time = vdm.sample_time(batch_size)
noise = vdm.sample_prior(data.shape)
xt = vdm.interpolate(data, noise, time)
x_pred = model(xt, time)
loss = vdm.loss(x_pred, data, time)
loss.backward()
# Generation
x_pred = vdm.sample_prior(data.shape)
for t in LinearInferenceSchedule(...).generate_schedule():
time = torch.full((batch_size,), t)
x_hat = model(x_pred, time)
x_pred = vdm.step(x_hat, time, x_pred)
return x_pred
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 |
|
__init__(time_distribution, prior_distribution, noise_schedule, prediction_type=PredictionType.DATA, device='cpu', rng_generator=None)
初始化 DDPM 插值器。
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
time_distribution
|
TimeDistribution
|
时间步的分布,用于为扩散过程采样时间点。 |
必需 |
prior_distribution
|
PriorDistribution
|
变量的先验分布,用作扩散过程的起点。 |
必需 |
noise_schedule
|
ContinuousSNRTransform
|
噪声的调度,定义在每个时间步添加的噪声量。 |
必需 |
prediction_type
|
PredictionType
|
预测的类型,可以是“data”或其他类型。默认为“data”。 |
DATA
|
device
|
str
|
运行插值器的设备,可以是“cpu”或 CUDA 设备(例如“cuda:0”)。默认为“cpu”。 |
'cpu'
|
rng_generator
|
Optional[Generator]
|
一个可选的 :class: |
None
|
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 |
|
forward_process(data, t, noise=None)
从噪声和数据中获取给定时间 t 的 x(t)。
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
data
|
Tensor
|
目标 |
必需 |
t
|
Tensor
|
时间 |
必需 |
noise
|
Tensor
|
来自 prior() 的噪声。默认为 None |
None
|
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 |
|
interpolate(data, t, noise)
从噪声和数据中获取给定时间 t 的 x(t)。
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
data
|
Tensor
|
目标 |
必需 |
t
|
Tensor
|
时间 |
必需 |
noise
|
Tensor
|
来自 prior() 的噪声 |
必需 |
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 |
|
loss(model_pred, target, t, dt=0.001, mask=None, weight_type='ones')
计算给定模型预测、目标和时间的损失。
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
model_pred
|
Tensor
|
来自模型的预测输出。 |
必需 |
目标
|
Tensor
|
模型预测的目标输出。 |
必需 |
t
|
Tensor
|
计算损失的时间。 |
必需 |
dt
|
Optional[Float]
|
时间步增量。默认为 0.001。 |
0.001
|
mask
|
Optional[Tensor]
|
数据点的掩码。默认为 None。 |
None
|
weight_type
|
str
|
用于损失的权重类型。可以是“ones”、“data_to_noise”或“variational_objective”。默认为“ones”。 |
'ones'
|
返回
名称 | 类型 | 描述 |
---|---|---|
Tensor |
计算出的损失批张量。 |
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 |
|
loss_weight(raw_loss, t, weight_type, dt=0.001)
根据给定的权重类型计算损失的权重。
此函数根据指定的 weight_type
计算损失权重。可用的权重类型有: - “ones”:均匀权重 1.0 - “data_to_noise”:从 https://arxiv.org/pdf/2202.00512 的公式 (9) 导出 - “variational_objective”:基于变分目标,参见 https://arxiv.org/pdf/2202.00512
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
raw_loss
|
Tensor
|
从模型预测和目标计算的原始损失。 |
必需 |
t
|
Tensor
|
时间步。 |
必需 |
weight_type
|
str
|
要使用的权重类型。可以是“ones”、“data_to_noise”或“variational_objective”。 |
必需 |
dt
|
Float
|
时间步增量。默认为 0.001。 |
0.001
|
返回
名称 | 类型 | 描述 |
---|---|---|
Tensor |
Tensor
|
损失的权重。 |
抛出
类型 | 描述 |
---|---|
ValueError
|
如果无法识别权重类型。 |
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 |
|
process_data_prediction(model_output, sample, t)
根据预测类型将模型输出转换为数据预测。
此转换源于扩散模型快速采样的渐进蒸馏 https://arxiv.org/pdf/2202.00512。给定模型输出和样本,我们根据预测类型将输出转换为数据预测。转换公式如下: - 对于“noise”预测类型:pred_data = (sample - noise_scale * model_output) / data_scale
- 对于“data”预测类型:pred_data = model_output
- 对于“v_prediction”预测类型:pred_data = data_scale * sample - noise_scale * model_output
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
model_output
|
Tensor
|
模型的输出。 |
必需 |
sample
|
Tensor
|
输入样本。 |
必需 |
t
|
Tensor
|
时间步。 |
必需 |
返回
类型 | 描述 |
---|---|
基于预测类型的数据预测。 |
抛出
类型 | 描述 |
---|---|
ValueError
|
如果预测类型不是“noise”、“data”或“v_prediction”之一。 |
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 |
|
process_noise_prediction(model_output, sample, t)
执行与 process_data_prediction 相同的操作,但获取模型输出并转换为噪声。
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
model_output
|
Tensor
|
模型的输出。 |
必需 |
sample
|
Tensor
|
输入样本。 |
必需 |
t
|
Tensor
|
时间步。 |
必需 |
返回
类型 | 描述 |
---|---|
如果预测类型为“noise”,则将输入作为噪声。 |
抛出
类型 | 描述 |
---|---|
ValueError
|
如果预测类型不是“noise”。 |
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 |
|
score(x_hat, xt, t)
将数据预测转换为估计的分数函数。
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
x_hat
|
tensor
|
预测的数据点。 |
必需 |
xt
|
Tensor
|
当前数据点。 |
必需 |
t
|
Tensor
|
时间步。 |
必需 |
返回
类型 | 描述 |
---|---|
估计的分数函数。 |
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 |
|
set_loss_weight_fn(fn)
将实例的 loss_weight 属性设置为给定的函数。
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
fn
|
Callable
|
要设置为 loss_weight 属性的函数。此函数应接受三个参数:raw_loss、t 和 weight_type。 |
必需 |
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
329 330 331 332 333 334 335 |
|
step(model_out, t, xt, dt, mask=None, center=False, temperature=1.0)
执行一步积分。
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
model_out
|
Tensor
|
模型的输出。 |
必需 |
xt
|
Tensor
|
当前数据点。 |
必需 |
t
|
Tensor
|
当前时间步。 |
必需 |
dt
|
Tensor
|
时间步增量。 |
必需 |
mask
|
Optional[Tensor]
|
应用于数据的可选掩码。默认为 None。 |
None
|
center
|
bool
|
是否居中数据。默认为 False。 |
False
|
temperature
|
Float
|
低温采样的温度参数。默认为 1.0。 |
1.0
|
注意
温度参数控制多样性和样本质量之间的权衡。降低温度会锐化采样分布,以关注更可能的样本。低温采样的影响必须进行分析消融。
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 |
|
step_ddim(model_out, t, xt, dt, mask=None, eta=0.0, center=False)
执行一步 DDIM 采样。
从 ddpm 方程 alpha_bar = alpha**2 和 1 - alpha**2 = sigma**2
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
model_out
|
Tensor
|
模型的输出 |
必需 |
t
|
Tensor
|
当前时间步 |
必需 |
xt
|
Tensor
|
当前数据点 |
必需 |
dt
|
Tensor
|
时间步增量。 |
必需 |
mask
|
Optional[Tensor]
|
数据点的掩码。默认为 None。 |
None
|
eta
|
Float
|
DDIM 采样参数。默认为 0.0。 |
0.0
|
center
|
Bool
|
是否居中数据点。默认为 False。 |
False
|
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 |
|
step_hybrid_sde(model_out, t, xt, dt, mask=None, center=False, temperature=1.0, equilibrium_rate=0.0)
执行一步混合 Langevin-逆时 SDE 积分。
参见 https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.12.01.518682v1.full.pdf 第 37 页 B.3 节,以及 https://github.com/generatebio/chroma/blob/929407c605013613941803c6113adefdccaad679/chroma/layers/structure/diffusion.py#L730
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
model_out
|
Tensor
|
模型的输出。 |
必需 |
xt
|
Tensor
|
当前数据点。 |
必需 |
t
|
Tensor
|
当前时间步。 |
必需 |
dt
|
Tensor
|
时间步增量。 |
必需 |
mask
|
Optional[Tensor]
|
应用于数据的可选掩码。默认为 None。 |
None
|
center
|
bool
|
是否居中数据。默认为 False。 |
False
|
temperature
|
Float
|
低温采样的温度参数。默认为 1.0。 |
1.0
|
equilibrium_rate
|
Float
|
Langevin 平衡的速率。缩放单位时间内 Langevin 动力学的量。最佳值范围为 [1.0, 5.0]。默认为 0.0。 |
0.0
|
注意:对于所有使用 SDE 公式的步进函数,重要的是要注意我们在时间上向后移动,这对应于明显的符号变化。一个清晰的例子可以在幻灯片 29 https://ernestryu.com/courses/FM/diffusion1.pdf 中看到。
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 |
|
step_ode(model_out, t, xt, dt, mask=None, center=False, temperature=1.0)
执行一步 ODE 积分。
参见 https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.12.01.518682v1.full.pdf 第 36 页 B 节,以及 https://github.com/generatebio/chroma/blob/929407c605013613941803c6113adefdccaad679/chroma/layers/structure/diffusion.py#L730
参数
名称 | 类型 | 描述 | 默认值 |
---|---|---|---|
model_out
|
Tensor
|
模型的输出。 |
必需 |
xt
|
Tensor
|
当前数据点。 |
必需 |
t
|
Tensor
|
当前时间步。 |
必需 |
dt
|
Tensor
|
时间步增量。 |
必需 |
mask
|
Optional[Tensor]
|
应用于数据的可选掩码。默认为 None。 |
None
|
center
|
bool
|
是否居中数据。默认为 False。 |
False
|
temperature
|
Float
|
低温采样的温度参数。默认为 1.0。 |
1.0
|
源代码位于 bionemo/moco/interpolants/continuous_time/continuous/vdm.py
470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 |
|