# Diffusion 모델을 학습하기

Unconditional 이미지 생성은 학습에 사용된 데이터셋과 유사한 이미지를 생성하는 diffusion 모델에서 인기 있는 어플리케이션입니다. 일반적으로, 가장 좋은 결과는 특정 데이터셋에 사전 훈련된 모델을 파인튜닝하는 것으로 얻을 수 있습니다. 이 [허브](https://huggingface.co/search/full-text?q=unconditional-image-generation&type=model)에서 이러한 많은 체크포인트를 찾을 수 있지만, 만약 마음에 드는 체크포인트를 찾지 못했다면, 언제든지 스스로 학습할 수 있습니다!

이 튜토리얼은 나만의 🦋 나비 🦋를 생성하기 위해 [Smithsonian Butterflies](https://huggingface.co/datasets/huggan/smithsonian_butterflies_subset) 데이터셋의 하위 집합에서 `UNet2DModel` 모델을 학습하는 방법을 가르쳐줄 것입니다.

> [!TIP]
> 💡 이 학습 튜토리얼은 [Training with 🧨 Diffusers](https://colab.research.google.com/github/huggingface/notebooks/blob/main/diffusers/training_example.ipynb) 노트북 기반으로 합니다. Diffusion 모델의 작동 방식 및 자세한 내용은 노트북을 확인하세요!

시작 전에, 🤗 Datasets을 불러오고 전처리하기 위해 데이터셋이 설치되어 있는지 다수 GPU에서 학습을 간소화하기 위해 🤗 Accelerate 가 설치되어 있는지 확인하세요. 그 후 학습 메트릭을 시각화하기 위해 [TensorBoard](https://www.tensorflow.org/tensorboard)를 또한 설치하세요. (또한 학습 추적을 위해 [Weights & Biases](https://docs.wandb.ai/)를 사용할 수 있습니다.)

```bash
!pip install diffusers[training]
```

커뮤니티에 모델을 공유할 것을 권장하며, 이를 위해서 Hugging Face 계정에 로그인을 해야 합니다. (계정이 없다면 [여기](https://hf.co/join)에서 만들 수 있습니다.) 노트북에서 로그인할 수 있으며 메시지가 표시되면 토큰을 입력할 수 있습니다.

```py
>>> from huggingface_hub import notebook_login

>>> notebook_login()
```

또는 터미널로 로그인할 수 있습니다:

```bash
hf auth login
```

모델 체크포인트가 상당히 크기 때문에 [Git-LFS](https://git-lfs.com/)에서 대용량 파일의 버전 관리를 할 수 있습니다.

```bash
!sudo apt -qq install git-lfs
!git config --global credential.helper store
```

## 학습 구성

편의를 위해 학습 파라미터들을 포함한 `TrainingConfig` 클래스를 생성합니다 (자유롭게 조정 가능):

```py
>>> from dataclasses import dataclass

>>> @dataclass
... class TrainingConfig:
...     image_size = 128  # 생성되는 이미지 해상도
...     train_batch_size = 16
...     eval_batch_size = 16  # 평가 동안에 샘플링할 이미지 수
...     num_epochs = 50
...     gradient_accumulation_steps = 1
...     learning_rate = 1e-4
...     lr_warmup_steps = 500
...     save_image_epochs = 10
...     save_model_epochs = 30
...     mixed_precision = "fp16"  # `no`는 float32, 자동 혼합 정밀도를 위한 `fp16`
...     output_dir = "ddpm-butterflies-128"  # 로컬 및 HF Hub에 저장되는 모델명

...     push_to_hub = True  # 저장된 모델을 HF Hub에 업로드할지 여부
...     hub_private_repo = None
...     overwrite_output_dir = True  # 노트북을 다시 실행할 때 이전 모델에 덮어씌울지
...     seed = 0

>>> config = TrainingConfig()
```

## 데이터셋 불러오기

🤗 Datasets 라이브러리와 [Smithsonian Butterflies](https://huggingface.co/datasets/huggan/smithsonian_butterflies_subset) 데이터셋을 쉽게 불러올 수 있습니다.

```py
>>> from datasets import load_dataset

>>> config.dataset_name = "huggan/smithsonian_butterflies_subset"
>>> dataset = load_dataset(config.dataset_name, split="train")
```

💡[HugGan Community Event](https://huggingface.co/huggan) 에서 추가의 데이터셋을 찾거나 로컬의 [`ImageFolder`](https://huggingface.co/docs/datasets/image_dataset#imagefolder)를 만듦으로써 나만의 데이터셋을 사용할 수 있습니다. HugGan Community Event 에 가져온 데이터셋의 경우 리포지토리의 id로 `config.dataset_name` 을 설정하고, 나만의 이미지를 사용하는 경우 `imagefolder` 를 설정합니다.

🤗 Datasets은 `Image` 기능을 사용해 자동으로 이미지 데이터를 디코딩하고 [`PIL.Image`](https://pillow.readthedocs.io/en/stable/reference/Image.html)로 불러옵니다. 이를 시각화 해보면:

```py
>>> import matplotlib.pyplot as plt

>>> fig, axs = plt.subplots(1, 4, figsize=(16, 4))
>>> for i, image in enumerate(dataset[:4]["image"]):
...     axs[i].imshow(image)
...     axs[i].set_axis_off()
>>> fig.show()
```

![](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/butterflies_ds.png)

이미지는 모두 다른 사이즈이기 때문에, 우선 전처리가 필요합니다:

-   `Resize` 는 `config.image_size` 에 정의된 이미지 사이즈로 변경합니다.
-   `RandomHorizontalFlip` 은 랜덤적으로 이미지를 미러링하여 데이터셋을 보강합니다.
-   `Normalize` 는 모델이 예상하는 [-1, 1] 범위로 픽셀 값을 재조정 하는데 중요합니다.

```py
>>> from torchvision import transforms

>>> preprocess = transforms.Compose(
...     [
...         transforms.Resize((config.image_size, config.image_size)),
...         transforms.RandomHorizontalFlip(),
...         transforms.ToTensor(),
...         transforms.Normalize([0.5], [0.5]),
...     ]
... )
```

 학습 도중에 `preprocess` 함수를 적용하려면 🤗 Datasets의 `set_transform` 방법이 사용됩니다.

```py
>>> def transform(examples):
...     images = [preprocess(image.convert("RGB")) for image in examples["image"]]
...     return {"images": images}

>>> dataset.set_transform(transform)
```

이미지의 크기가 조정되었는지 확인하기 위해 이미지를 다시 시각화해보세요. 이제 [DataLoader](https://pytorch.org/docs/stable/data#torch.utils.data.DataLoader)에 데이터셋을 포함해 학습할 준비가 되었습니다!

```py
>>> import torch

>>> train_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset, batch_size=config.train_batch_size, shuffle=True)
```

## UNet2DModel 생성하기

🧨 Diffusers에 사전학습된 모델들은 모델 클래스에서 원하는 파라미터로 쉽게 생성할 수 있습니다. 예를 들어, `UNet2DModel`를 생성하려면:

```py
>>> from diffusers import UNet2DModel

>>> model = UNet2DModel(
...     sample_size=config.image_size,  # 타겟 이미지 해상도
...     in_channels=3,  # 입력 채널 수, RGB 이미지에서 3
...     out_channels=3,  # 출력 채널 수
...     layers_per_block=2,  # UNet 블럭당 몇 개의 ResNet 레이어가 사용되는지
...     block_out_channels=(128, 128, 256, 256, 512, 512),  # 각 UNet 블럭을 위한 출력 채널 수
...     down_block_types=(
...         "DownBlock2D",  # 일반적인 ResNet 다운샘플링 블럭
...         "DownBlock2D",
...         "DownBlock2D",
...         "DownBlock2D",
...         "AttnDownBlock2D",  # spatial self-attention이 포함된 일반적인 ResNet 다운샘플링 블럭
...         "DownBlock2D",
...     ),
...     up_block_types=(
...         "UpBlock2D",  # 일반적인 ResNet 업샘플링 블럭
...         "AttnUpBlock2D",  # spatial self-attention이 포함된 일반적인 ResNet 업샘플링 블럭
...         "UpBlock2D",
...         "UpBlock2D",
...         "UpBlock2D",
...         "UpBlock2D",
...     ),
... )
```

샘플의 이미지 크기와 모델 출력 크기가 맞는지 빠르게 확인하기 위한 좋은 아이디어가 있습니다:

```py
>>> sample_image = dataset[0]["images"].unsqueeze(0)
>>> print("Input shape:", sample_image.shape)
Input shape: torch.Size([1, 3, 128, 128])

>>> print("Output shape:", model(sample_image, timestep=0).sample.shape)
Output shape: torch.Size([1, 3, 128, 128])
```

훌륭해요! 다음, 이미지에 약간의 노이즈를 더하기 위해 스케줄러가 필요합니다.

## 스케줄러 생성하기

스케줄러는 모델을 학습 또는 추론에 사용하는지에 따라 다르게 작동합니다. 추론시에, 스케줄러는 노이즈로부터 이미지를 생성합니다. 학습시 스케줄러는 diffusion 과정에서의 특정 포인트로부터 모델의 출력 또는 샘플을 가져와 *노이즈 스케줄* 과 *업데이트 규칙*에 따라 이미지에 노이즈를 적용합니다.

`DDPMScheduler`를 보면 이전으로부터 `sample_image`에 랜덤한 노이즈를 더하는 `add_noise` 메서드를 사용합니다:

```py
>>> import torch
>>> from PIL import Image
>>> from diffusers import DDPMScheduler

>>> noise_scheduler = DDPMScheduler(num_train_timesteps=1000)
>>> noise = torch.randn(sample_image.shape)
>>> timesteps = torch.LongTensor([50])
>>> noisy_image = noise_scheduler.add_noise(sample_image, noise, timesteps)

>>> Image.fromarray(((noisy_image.permute(0, 2, 3, 1) + 1.0) * 127.5).type(torch.uint8).numpy()[0])
```

![](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/noisy_butterfly.png)

모델의 학습 목적은 이미지에 더해진 노이즈를 예측하는 것입니다. 이 단계에서 손실은 다음과 같이 계산될 수 있습니다:

```py
>>> import torch.nn.functional as F

>>> noise_pred = model(noisy_image, timesteps).sample
>>> loss = F.mse_loss(noise_pred, noise)
```

## 모델 학습하기

지금까지, 모델 학습을 시작하기 위해 많은 부분을 갖추었으며 이제 남은 것은 모든 것을 조합하는 것입니다.

우선 옵티마이저(optimizer)와 학습률 스케줄러(learning rate scheduler)가 필요할 것입니다:

```py
>>> from diffusers.optimization import get_cosine_schedule_with_warmup

>>> optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=config.learning_rate)
>>> lr_scheduler = get_cosine_schedule_with_warmup(
...     optimizer=optimizer,
...     num_warmup_steps=config.lr_warmup_steps,
...     num_training_steps=(len(train_dataloader) * config.num_epochs),
... )
```

그 후, 모델을 평가하는 방법이 필요합니다. 평가를 위해, `DDPMPipeline`을 사용해 배치의 이미지 샘플들을 생성하고 그리드 형태로 저장할 수 있습니다:

```py
>>> from diffusers import DDPMPipeline
>>> import math
>>> import os

>>> def make_grid(images, rows, cols):
...     w, h = images[0].size
...     grid = Image.new("RGB", size=(cols * w, rows * h))
...     for i, image in enumerate(images):
...         grid.paste(image, box=(i % cols * w, i // cols * h))
...     return grid

>>> def evaluate(config, epoch, pipeline):
...     # 랜덤한 노이즈로 부터 이미지를 추출합니다.(이는 역전파 diffusion 과정입니다.)
...     # 기본 파이프라인 출력 형태는 `List[PIL.Image]` 입니다.
...     images = pipeline(
...         batch_size=config.eval_batch_size,
...         generator=torch.manual_seed(config.seed),
...     ).images

...     # 이미지들을 그리드로 만들어줍니다.
...     image_grid = make_grid(images, rows=4, cols=4)

...     # 이미지들을 저장합니다.
...     test_dir = os.path.join(config.output_dir, "samples")
...     os.makedirs(test_dir, exist_ok=True)
...     image_grid.save(f"{test_dir}/{epoch:04d}.png")
```

TensorBoard에 로깅, 그래디언트 누적 및 혼합 정밀도 학습을 쉽게 수행하기 위해 🤗 Accelerate를 학습 루프에 함께 앞서 말한 모든 구성 정보들을 묶어 진행할 수 있습니다. 허브에 모델을 업로드 하기 위해 리포지토리 이름 및 정보를 가져오기 위한 함수를 작성하고 허브에 업로드할 수 있습니다.

💡아래의 학습 루프는 어렵고 길어 보일 수 있지만, 나중에 한 줄의 코드로 학습을 한다면 그만한 가치가 있을 것입니다! 만약 기다리지 못하고 이미지를 생성하고 싶다면, 아래 코드를 자유롭게 붙여넣고 작동시키면 됩니다. 🤗

```py
>>> from accelerate import Accelerator
>>> from huggingface_hub import create_repo, upload_folder
>>> from tqdm.auto import tqdm
>>> from pathlib import Path
>>> import os

>>> def train_loop(config, model, noise_scheduler, optimizer, train_dataloader, lr_scheduler):
...     # Initialize accelerator and tensorboard logging
...     accelerator = Accelerator(
...         mixed_precision=config.mixed_precision,
...         gradient_accumulation_steps=config.gradient_accumulation_steps,
...         log_with="tensorboard",
...         project_dir=os.path.join(config.output_dir, "logs"),
...     )
...     if accelerator.is_main_process:
...         if config.output_dir is not None:
...             os.makedirs(config.output_dir, exist_ok=True)
...         if config.push_to_hub:
...             repo_id = create_repo(
...                 repo_id=config.hub_model_id or Path(config.output_dir).name, exist_ok=True
...             ).repo_id
...         accelerator.init_trackers("train_example")

...     # 모든 것이 준비되었습니다.
...     # 기억해야 할 특정한 순서는 없으며 준비한 방법에 제공한 것과 동일한 순서로 객체의 압축을 풀면 됩니다.
...     model, optimizer, train_dataloader, lr_scheduler = accelerator.prepare(
...         model, optimizer, train_dataloader, lr_scheduler
...     )

...     global_step = 0

...     # 이제 모델을 학습합니다.
...     for epoch in range(config.num_epochs):
...         progress_bar = tqdm(total=len(train_dataloader), disable=not accelerator.is_local_main_process)
...         progress_bar.set_description(f"Epoch {epoch}")

...         for step, batch in enumerate(train_dataloader):
...             clean_images = batch["images"]
...             # 이미지에 더할 노이즈를 샘플링합니다.
...             noise = torch.randn(clean_images.shape, device=clean_images.device)
...             bs = clean_images.shape[0]

...             # 각 이미지를 위한 랜덤한 타임스텝(timestep)을 샘플링합니다.
...             timesteps = torch.randint(
...                 0, noise_scheduler.config.num_train_timesteps, (bs,), device=clean_images.device,
...                 dtype=torch.int64
...             )

...             # 각 타임스텝의 노이즈 크기에 따라 깨끗한 이미지에 노이즈를 추가합니다.
...             # (이는 foward diffusion 과정입니다.)
...             noisy_images = noise_scheduler.add_noise(clean_images, noise, timesteps)

...             with accelerator.accumulate(model):
...                 # 노이즈를 반복적으로 예측합니다.
...                 noise_pred = model(noisy_images, timesteps, return_dict=False)[0]
...                 loss = F.mse_loss(noise_pred, noise)
...                 accelerator.backward(loss)

...                 accelerator.clip_grad_norm_(model.parameters(), 1.0)
...                 optimizer.step()
...                 lr_scheduler.step()
...                 optimizer.zero_grad()

...             progress_bar.update(1)
...             logs = {"loss": loss.detach().item(), "lr": lr_scheduler.get_last_lr()[0], "step": global_step}
...             progress_bar.set_postfix(**logs)
...             accelerator.log(logs, step=global_step)
...             global_step += 1

...         # 각 에포크가 끝난 후 evaluate()와 몇 가지 데모 이미지를 선택적으로 샘플링하고 모델을 저장합니다.
...         if accelerator.is_main_process:
...             pipeline = DDPMPipeline(unet=accelerator.unwrap_model(model), scheduler=noise_scheduler)

...             if (epoch + 1) % config.save_image_epochs == 0 or epoch == config.num_epochs - 1:
...                 evaluate(config, epoch, pipeline)

...             if (epoch + 1) % config.save_model_epochs == 0 or epoch == config.num_epochs - 1:
...                 if config.push_to_hub:
...                     upload_folder(
...                         repo_id=repo_id,
...                         folder_path=config.output_dir,
...                         commit_message=f"Epoch {epoch}",
...                         ignore_patterns=["step_*", "epoch_*"],
...                     )
...                 else:
...                     pipeline.save_pretrained(config.output_dir)
```

휴, 코드가 꽤 많았네요! 하지만 🤗 Accelerate의 `notebook_launcher` 함수와 학습을 시작할 준비가 되었습니다. 함수에 학습 루프, 모든 학습 인수, 학습에 사용할 프로세스 수(사용 가능한 GPU의 수를 변경할 수 있음)를 전달합니다:

```py
>>> from accelerate import notebook_launcher

>>> args = (config, model, noise_scheduler, optimizer, train_dataloader, lr_scheduler)

>>> notebook_launcher(train_loop, args, num_processes=1)
```

한번 학습이 완료되면, diffusion 모델로 생성된 최종 🦋이미지🦋를 확인해보길 바랍니다!

```py
>>> import glob

>>> sample_images = sorted(glob.glob(f"{config.output_dir}/samples/*.png"))
>>> Image.open(sample_images[-1])
```

![](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/butterflies_final.png)

## 다음 단계

Unconditional 이미지 생성은 학습될 수 있는 작업 중 하나의 예시입니다. 다른 작업과 학습 방법은 [🧨 Diffusers 학습 예시](../training/overview) 페이지에서 확인할 수 있습니다. 다음은 학습할 수 있는 몇 가지 예시입니다:

-   [Textual Inversion](../training/text_inversion), 특정 시각적 개념을 학습시켜 생성된 이미지에 통합시키는 알고리즘입니다.
-   [DreamBooth](../training/dreambooth), 주제에 대한 몇 가지 입력 이미지들이 주어지면 주제에 대한 개인화된 이미지를 생성하기 위한 기술입니다.
-   [Guide](../training/text2image) 데이터셋에 Stable Diffusion 모델을 파인튜닝하는 방법입니다.
-   [Guide](../training/lora)  LoRA를 사용해 매우 큰 모델을 빠르게 파인튜닝하기 위한 메모리 효율적인 기술입니다.

