PhotoDoodle: Learning Artistic Image Editing from Few-Shot Examples 论文解读

目录

一、概述

二、PhotoDoodle

1、OmniEditor的预训练 

2、DiT重点

3、无噪声条件范式与CFM

4、EditLoRA

4.1关于LoRA

4.2关于EditLoRA

三、相关工作

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一、概述

        风格化图像编辑的论文！

        介绍了PhotoDoodle，一个基于扩散模型的图像编辑框架，旨在通过少量示例学习艺术家的风格，实现照片的创意涂鸦（如添加装饰元素、艺术化处理），同时保持背景的完整性和一致性。

        该论文的动机：将普通图片转换成富有创意的艺术作品（比如添加手绘线条，几何图案，3D效果等），但以往的传统方法依赖于艺术家的手动操作，耗时且门槛高。

        现有方法不足之处：

• 全局风格迁移​（如风格迁移模型）会全局修改图像纹理和颜色，导致背景内容被破坏，如人脸变成油画风格而失去真实感。
• ​局部修复方法​（如Inpainting）依赖精确遮罩标注，无法自动生成复杂元素，或者生成结果可能与背景透视或语义不匹配。
• ​难以从小样本学习：艺术家的独特风格需要从少量示例（30-50对图像）中高效捕捉，但现有的方法容易产生过拟合或欠拟合。

        PhotoDoodle提出的创新点：

• 提出PhotoDoodle框架：一个基于DiT的少样本学习模型，并实现保证背景完整性同时进行特有的风格编辑
• 噪音无关的条件范式：保留原图像的高频细节
• EditLoRA：参数高效的风格微调方法，避免过拟合
• 位置编码克隆：确保生成元素与背景的空间对齐
• 高质量数据集：6种艺术风格、300+ pairs的photoDoodle数据集

二、PhotoDoodle

        PhotoDoodle分为两个部分，OmniEditor的预训练，EditorLoRA的微调。

The overall architecture and training paradigm of photodoodle

1、OmniEditor的预训练 

        对于内部DiT的优化在第二点进行展开介绍。

        看上面的图训练过程。

输入：

  - 源图像（I_src） → VAE编码 → 源图像隐变量 z_src
  - 目标图像（I_tar） → VAE编码 → 隐变量 z_0（真实目标隐变量）
  - 文本指令（T） → CLIP编码 → 文本嵌入 c_text

  - 前向扩散 对z_0添加随机噪声得到z_t(带噪声的隐变量）

  - 将源图像隐变量 z_src、带噪声的隐变量z_t、c_text三者concat输入到DiT中

输出：

 - 扩散模型（DiT）预测噪声 ε_θ，监督目标是让预测噪声逼近真实噪声 ε。

损失函数：（传统的去噪方式）

        最小化预测噪声ε_θ与真实噪声ε之间的MSE：

                        

推理过程：（传统的去噪方式）

  - 源图像（I_src） → VAE编码 → 源图像隐变量 z_src
  - 文本指令（T） → CLIP编码 → 文本嵌入 c_text

  - 将源图像隐变量 z_src、文本嵌入c_text和高斯噪声z_T三者concat输入到DiT中进行多轮去噪，也就是说DiT预测出噪声ε_θ就要从z_T中去除这一部分，然后重新concat，输入到DiT中，反复去噪，最终将高斯噪声那一部分分离开得到z_0'

  - 解码生成图像I_tar'=VAEdecoder(z_0')

2、DiT重点

（1）位置编码克隆（PE Cloning）

        将源图像隐变量z_src的位置编码（空间坐标信息）复制到带噪声的隐变量z_t上，确保生成内容与源图像对齐。

        这一步在哪里做呢？当然是在DiT的自注意力机制后，先接RoPE编码后得到位置编码，再进行位置编码克隆。

（2）交叉注意力机制

        就是文中提到的MM attention，也就是在DiT的cross-attention中c_text作为Query，上一部分图像隐变量作为key/value。

        我的疑惑？为什么在DiT之前将z_src,z_tar,c_text拼接在一起输入，交叉注意力时是再次引入c_text，还是拆开c_text部分。

        后续理解：首先所谓的拼接，应该是均作为DiT的输入的意思（z_src,z_tar拼接在一起，c_text作为交叉注意力部分的输入），而且c_text应该是一维的，z_src和z_tar是二维的本身不能拼接。

3、无噪声条件范式与CFM

（1）CFM

        在PhotoDoodle中并没有使用扩散模型的方式，而是条件流的方式。

构建一个线性插值概率路径（从z_src到z_tar）：

                ​​​​​​​        ​​​​​​​        

向量场预测（速度场预测）：

        目的是预测z_t到z_tar的速度场

真实的速度场：（概率路径对t求导）：

        

损失函数（使用CFM后的损失函数）：

        

（2）无噪声条件

        定义一个与z_src相同表达对齐论文符号，也就是源图像经过VAE后的隐变量。

        无噪声条件就是指，相比于扩散模型引入了高斯噪声作为隐变量，CFM方法并不需要引入高斯噪声，这样可以确保生成内容与源图像的背景和结构严格对齐，完全依靠z_src和c_text来驱动，或者说是输入图像I_src和文本T的数据引导。

4、EditLoRA

        EditLoRA目标是通过少量示例（30-50 pairs）来学习艺术家风格，原理就是LoRA。

4.1关于LoRA

        LoRA的位置是并联在原模型某一部分的预训练权重处，在训练过程中冻结左侧原模型预训练权重，训练右侧LoRA，推理过程冻结所有参数，对模型结构不进行修改，不去除预训练模型进行推理。

        LoRA的核心思想是，通过在原始权重矩阵旁并联一个低秩的适配矩阵，来对原来模型进行微调，另一个是在SD模型中，可以对A场景下训练一个LoRA，之后将A LoRA植入B模型，可以使B模型学习到A模型的信息。

        什么是低秩适配矩阵？

        对于一个训练二维图像相关的预训练权重，我们可以看做是一个二维矩阵，比如100*100维，那么我们可以利用一个100*rank的A矩阵和rank*100的矩阵的乘积来代替这个100*100维的矩阵。其中在训练过程中A矩阵作kaiming均匀分布初始化，避免梯度消失或爆炸。B矩阵初始化为0矩阵，确保训练开始时低秩矩阵贡献为0，逐步学习。scale作为这个LoRA与原预训练权重merge时的比例，过大会覆盖原有的权重。

        LoRA公式：

        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        

        一个简单的LoraLInear示例，在这个类中已经把预训练模型（线性层）的结构写入了，但冻结了该部分的权重。

class LoRALinear(nn.Module):
    def __init__(self, in_features, out_features, merge, rank=16, lora_alpha=16, dropout=0.5):
        super(LoRALinear, self).__init__()
        self.in_features = in_features
        self.out_features = out_features
        self.merge = merge
        self.rank = rank
        self.dropout_rate = dropout
        self.lora_alpha = lora_alpha
        
        self.linear = nn.Linear(in_features, out_features)
        if rank > 0:
            # 修正维度：A (in_features, r), B (r, out_features)
            self.lora_a = nn.Parameter(torch.zeros(in_features, rank))
            self.lora_b = nn.Parameter(torch.zeros(rank, out_features))
            self.scale = self.lora_alpha / self.rank   #通过lora_alpha计算scale
            self.linear.weight.requires_grad = False   
        
        if self.dropout_rate > 0:
            self.dropout = nn.Dropout(self.dropout_rate)
        else:
            self.dropout = nn.Identity()
        
        self.initial_weights()
    
    def initial_weights(self):
        # 初始化 A 和 B
        nn.init.kaiming_uniform_(self.lora_a, a=math.sqrt(5))  #kaiming初始化lora_a
        nn.init.zeros_(self.lora_b)                            #0初始化lora_b
        
    def forward(self, x):
        if self.rank > 0 and self.merge:
            # 修正矩阵乘法和转置
            delta_w = (self.lora_a @ self.lora_b).T * self.scale
            merged_weight = self.linear.weight + delta_w
            output = F.linear(x, merged_weight, self.linear.bias)
            output = self.dropout(output)
            return output
        else:
            return self.dropout(self.linear(x))

         对于原来的fc层（也就是linear层）替换成并联lora的loralinear层。

# 示例：替换预训练模型的线性层为LoRALinear
original_layer = model.fc  # 假设原模型有一个全连接层
lora_layer = LoRALinear(
    in_features=768, 
    out_features=512, 
    merge=False, 
    rank=16, 
    lora_alpha=32
)
model.fc = lora_layer

# 训练时：仅训练LoRA参数
optimizer = torch.optim.Adam(lora_layer.parameters(), lr=1e-3)

# 推理时：合并权重
lora_layer.merge = True
output = model(input_data)

4.2关于EditLoRA

        流程：OmniEditor预训练模型冻结所有参数，在DiT部分的交叉注意力层处并联一个LoRA结构。

        重新提一遍OmniEditor的训练过程！

        首先VAE是自己训练的，text encoder肯定是预训练好的可能是clip，DIT使用的是Flux.1 Dev模型的DiT部分权重

        然后利用SeedEdit数据集在原有DiT权重下，接入一个rank=256的高秩LoRA模型，扩散过程替换成流匹配过程，开始训练。

        之后将这个rank=256的LoRA融入这个OmniEditor模块。

        EditLoRA微调部分！

        再次利用一个小规模风格化数据集（50对）来额外训练一个rank=128的低秩LoRA模块，并冻结以往OmniEditor的所有参数，仅训练低秩LoRA。

        将低秩LoRA合并到基础模型中，结束所有训练。

三、相关工作

        近期文本引导图像编辑有三个paradigms：全局描述（prompt2prompt、Imagic、EditWorld、ZONE，通过文本描述和图像区域之间跨模态对齐来实现细粒度操作，但需要对目标属性进行细致的文本规范），局部描述引导（Blended Diffusion、Imagen Editor通过显式掩码注释和区域文本提示实现像素级控制，但受到精确空间规范要求限制），instruction-guided形式（instructpix2pix、HIVE通过接受编辑命令，来消除以往详细文本描述和精确的mask依赖，提高用户可访问性）

参考项目：GitHub - showlab/PhotoDoodle: Code Implementation of "PhotoDoodle: Learning Artistic Image Editing from Few-Shot Pairwise Data"