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Textual-Inversion

textual-inversion은 소수의 예시 이미지에서 새로운 콘셉트를 포착하는 기법입니다. 이 기술은 원래 Latent Diffusion에서 시연되었지만, 이후 Stable Diffusion과 같은 유사한 다른 모델에도 적용되었습니다. 학습된 콘셉트는 text-to-image 파이프라인에서 생성된 이미지를 더 잘 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 이 모델은 텍스트 인코더의 임베딩 공간에서 새로운 ‘단어’를 학습하여 개인화된 이미지 생성을 위한 텍스트 프롬프트 내에서 사용됩니다.

By using just 3-5 images you can teach new concepts to a model such as Stable Diffusion for personalized image generation (image source).

이 가이드에서는 textual-inversion으로 `runwayml/stable-diffusion-v1-5` 모델을 학습하는 방법을 설명합니다. 이 가이드에서 사용된 모든 textual-inversion 학습 스크립트는 여기에서 확인할 수 있습니다. 내부적으로 어떻게 작동하는지 자세히 살펴보고 싶으시다면 해당 링크를 참조해주시기 바랍니다.

Stable Diffusion Textual Inversion Concepts Library에는 커뮤니티에서 제작한 학습된 textual-inversion 모델들이 있습니다. 시간이 지남에 따라 더 많은 콘셉트들이 추가되어 유용한 리소스로 성장할 것입니다!

시작하기 전에 학습을 위한 의존성 라이브러리들을 설치해야 합니다:

    pip install diffusers accelerate transformers

의존성 라이브러리들의 설치가 완료되면, 🤗Accelerate 환경을 초기화시킵니다.

    accelerate config

별도의 설정없이, 기본 🤗Accelerate 환경을 설정하려면 다음과 같이 하세요:

    accelerate config default

또는 사용 중인 환경이 노트북과 같은 대화형 셸을 지원하지 않는다면, 다음과 같이 사용할 수 있습니다:

    from accelerate.utils import write_basic_config

    write_basic_config()

마지막으로, Memory-Efficient Attention을 통해 메모리 사용량을 줄이기 위해 xFormers를 설치합니다. xFormers를 설치한 후, 학습 스크립트에 `--enable_xformers_memory_efficient_attention` 인자를 추가합니다. xFormers는 Flax에서 지원되지 않습니다.

## 허브에 모델 업로드하기

모델을 허브에 저장하려면, 학습 스크립트에 다음 인자를 추가해야 합니다.

    --push_to_hub

## 체크포인트 저장 및 불러오기

학습중에 모델의 체크포인트를 정기적으로 저장하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 어떤 이유로든 학습이 중단된 경우 저장된 체크포인트에서 학습을 다시 시작할 수 있습니다. 학습 스크립트에 다음 인자를 전달하면 500단계마다 전체 학습 상태가 `output_dir`의 하위 폴더에 체크포인트로서 저장됩니다.

    --checkpointing_steps=500

저장된 체크포인트에서 학습을 재개하려면, 학습 스크립트와 재개할 특정 체크포인트에 다음 인자를 전달하세요.

    --resume_from_checkpoint="checkpoint-1500"

## 파인 튜닝

학습용 데이터셋으로 고양이 장난감 데이터셋을 다운로드하여 디렉토리에 저장하세요. 여러분만의 고유한 데이터셋을 사용하고자 한다면, 학습용 데이터셋 만들기 가이드를 살펴보시기 바랍니다.

    from huggingface_hub import snapshot_download

    local_dir = "./cat"
    snapshot_download(
        "diffusers/cat_toy_example", local_dir=local_dir, repo_type="dataset", ignore_patterns=".gitattributes"
    )

모델의 리포지토리 ID(또는 모델 가중치가 포함된 디렉터리 경로)를 `MODEL_NAME` 환경 변수에 할당하고, 해당 값을 `pretrained_model_name_or_path` 인자에 전달합니다. 그리고 이미지가 포함된 디렉터리 경로를 `DATA_DIR` 환경 변수에 할당합니다.

이제 학습 스크립트를 실행할 수 있습니다. 스크립트는 다음 파일을 생성하고 리포지토리에 저장합니다.

- `learned_embeds.bin`
- `token_identifier.txt`
- `type_of_concept.txt`.

💡V100 GPU 1개를 기준으로 전체 학습에는 최대 1시간이 걸립니다. 학습이 완료되기를 기다리는 동안 궁금한 점이 있으면 아래 섹션에서 textual-inversion이 어떻게 작동하는지 자유롭게 확인하세요 !

Pytorch
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    export MODEL_NAME="runwayml/stable-diffusion-v1-5"
    export DATA_DIR="./cat"

    accelerate launch textual_inversion.py \
      --pretrained_model_name_or_path=$MODEL_NAME \
      --train_data_dir=$DATA_DIR \
      --learnable_property="object" \
      --placeholder_token="<cat-toy>" --initializer_token="toy" \
      --resolution=512 \
      --train_batch_size=1 \
      --gradient_accumulation_steps=4 \
      --max_train_steps=3000 \
      --learning_rate=5.0e-04 --scale_lr \
      --lr_scheduler="constant" \
      --lr_warmup_steps=0 \
      --output_dir="textual_inversion_cat" \
      --push_to_hub

💡학습 성능을 올리기 위해, 플레이스홀더 토큰(`<cat-toy>`)을 (단일한 임베딩 벡터가 아닌) 복수의 임베딩 벡터로 표현하는 것 역시 고려할 있습니다. 이러한 트릭이 모델이 보다 복잡한 이미지의 스타일(앞서 말한 콘셉트)을 더 잘 캡처하는 데 도움이 될 수 있습니다. 복수의 임베딩 벡터 학습을 활성화하려면 다음 옵션을 전달하십시오.

    --num_vectors=5

JAX
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TPU에 액세스할 수 있는 경우, Flax 학습 스크립트를 사용하여 더 빠르게 모델을 학습시켜보세요. (물론 GPU에서도 작동합니다.) 동일한 설정에서 Flax 학습 스크립트는 PyTorch 학습 스크립트보다 최소 70% 더 빨라야 합니다! ⚡️

시작하기 앞서 Flax에 대한 의존성 라이브러리들을 설치해야 합니다.

    pip install -U -r requirements_flax.txt

모델의 리포지토리 ID(또는 모델 가중치가 포함된 디렉터리 경로)를 `MODEL_NAME` 환경 변수에 할당하고, 해당 값을 `pretrained_model_name_or_path` 인자에 전달합니다.

그런 다음 학습 스크립트를 시작할 수 있습니다.

    export MODEL_NAME="duongna/stable-diffusion-v1-4-flax"
    export DATA_DIR="./cat"

    python textual_inversion_flax.py \
      --pretrained_model_name_or_path=$MODEL_NAME \
      --train_data_dir=$DATA_DIR \
      --learnable_property="object" \
      --placeholder_token="<cat-toy>" --initializer_token="toy" \
      --resolution=512 \
      --train_batch_size=1 \
      --max_train_steps=3000 \
      --learning_rate=5.0e-04 --scale_lr \
      --output_dir="textual_inversion_cat" \
      --push_to_hub

### 중간 로깅

모델의 학습 진행 상황을 추적하는 데 관심이 있는 경우, 학습 과정에서 생성된 이미지를 저장할 수 있습니다. 학습 스크립트에 다음 인수를 추가하여 중간 로깅을 활성화합니다.

- `validation_prompt` : 샘플을 생성하는 데 사용되는 프롬프트(기본값은 `None`으로 설정되며, 이 때 중간 로깅은 비활성화됨)
- `num_validation_images` : 생성할 샘플 이미지 수
- `validation_steps` : `validation_prompt`로부터 샘플 이미지를 생성하기 전 스텝의 수

    --validation_prompt="A <cat-toy> backpack"
    --num_validation_images=4
    --validation_steps=100

## 추론

모델을 학습한 후에는, 해당 모델을 `StableDiffusionPipeline`을 사용하여 추론에 사용할 수 있습니다.

textual-inversion 스크립트는 기본적으로 textual-inversion을 통해 얻어진 임베딩 벡터만을 저장합니다. 해당 임베딩 벡터들은 텍스트 인코더의 임베딩 행렬에 추가되어 있습습니다.

Pytorch
Hide Pytorch content

💡 커뮤니티는 sd-concepts-library 라는 대규모의 textual-inversion 임베딩 벡터 라이브러리를 만들었습니다. textual-inversion 임베딩을 밑바닥부터 학습하는 대신, 해당 라이브러리에 본인이 찾는 textual-inversion 임베딩이 이미 추가되어 있지 않은지를 확인하는 것도 좋은 방법이 될 것 같습니다.

textual-inversion 임베딩 벡터을 불러오기 위해서는, 먼저 해당 임베딩 벡터를 학습할 때 사용한 모델을 불러와야 합니다. 여기서는 `runwayml/stable-diffusion-v1-5` 모델이 사용되었다고 가정하고 불러오겠습니다.

    from diffusers import StableDiffusionPipeline
    import torch

    model_id = "runwayml/stable-diffusion-v1-5"
    pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(model_id, torch_dtype=torch.float16).to("cuda")

다음으로 `TextualInversionLoaderMixin.load_textual_inversion` 함수를 통해, textual-inversion 임베딩 벡터를 불러와야 합니다. 여기서 우리는 이전의 `<cat-toy>` 예제의 임베딩을 불러올 것입니다.

    pipe.load_textual_inversion("sd-concepts-library/cat-toy")

이제 플레이스홀더 토큰(`<cat-toy>`)이 잘 동작하는지를 확인하는 파이프라인을 실행할 수 있습니다.

    prompt = "A <cat-toy> backpack"

    image = pipe(prompt, num_inference_steps=50).images[0]
    image.save("cat-backpack.png")

`TextualInversionLoaderMixin.load_textual_inversion`은 Diffusers 형식으로 저장된 텍스트 임베딩 벡터를 로드할 수 있을 뿐만 아니라, Automatic1111 형식으로 저장된 임베딩 벡터도 로드할 수 있습니다. 이렇게 하려면, 먼저 civitAI에서 임베딩 벡터를 다운로드한 다음 로컬에서 불러와야 합니다.

    pipe.load_textual_inversion("./charturnerv2.pt")

JAX
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현재 Flax에 대한 `load_textual_inversion` 함수는 없습니다. 따라서 학습 후 textual-inversion 임베딩 벡터가 모델의 일부로서 저장되었는지를 확인해야 합니다. 그런 다음은 다른 Flax 모델과 마찬가지로 실행할 수 있습니다.

    import jax
    import numpy as np
    from flax.jax_utils import replicate
    from flax.training.common_utils import shard
    from diffusers import FlaxStableDiffusionPipeline

    model_path = "path-to-your-trained-model"
    pipeline, params = FlaxStableDiffusionPipeline.from_pretrained(model_path, dtype=jax.numpy.bfloat16)

    prompt = "A <cat-toy> backpack"
    prng_seed = jax.random.PRNGKey(0)
    num_inference_steps = 50

    num_samples = jax.device_count()
    prompt = num_samples * [prompt]
    prompt_ids = pipeline.prepare_inputs(prompt)

    # shard inputs and rng
    params = replicate(params)
    prng_seed = jax.random.split(prng_seed, jax.device_count())
    prompt_ids = shard(prompt_ids)

    images = pipeline(prompt_ids, params, prng_seed, num_inference_steps, jit=True).images
    images = pipeline.numpy_to_pil(np.asarray(images.reshape((num_samples,) + images.shape[-3:])))
    image.save("cat-backpack.png")

## 작동 방식

Architecture overview from the Textual Inversion blog post.

일반적으로 텍스트 프롬프트는 모델에 전달되기 전에 임베딩으로 토큰화됩니다. textual-inversion은 비슷한 작업을 수행하지만, 위 다이어그램의 특수 토큰 `S*`로부터 새로운 토큰 임베딩 `v*`를 학습합니다. 모델의 아웃풋은 디퓨전 모델을 조정하는 데 사용되며, 디퓨전 모델이 단 몇 개의 예제 이미지에서 신속하고 새로운 콘셉트를 이해하는 데 도움을 줍니다.

이를 위해 textual-inversion은 제너레이터 모델과 학습용 이미지의 노이즈 버전을 사용합니다. 제너레이터는 노이즈가 적은 버전의 이미지를 예측하려고 시도하며 토큰 임베딩 `v*`은 제너레이터의 성능에 따라 최적화됩니다. 토큰 임베딩이 새로운 콘셉트를 성공적으로 포착하면 디퓨전 모델에 더 유용한 정보를 제공하고 노이즈가 적은 더 선명한 이미지를 생성하는 데 도움이 됩니다. 이러한 최적화 프로세스는 일반적으로 다양한 프롬프트와 이미지에 수천 번에 노출됨으로써 이루어집니다.