# ControlNet

[ControlNet](https://hf.co/papers/2302.05543) 是一种基于预训练模型的适配器架构。它通过额外输入的条件图像（如边缘检测图、深度图、人体姿态图等），实现对生成图像的精细化控制。

在显存有限的GPU上训练时，建议启用训练命令中的 `gradient_checkpointing`（梯度检查点）、`gradient_accumulation_steps`（梯度累积步数）和 `mixed_precision`（混合精度）参数。还可使用 [xFormers](../optimization/xformers) 的内存高效注意力机制进一步降低显存占用。虽然JAX/Flax训练支持在TPU和GPU上高效运行，但不支持梯度检查点和xFormers。若需通过Flax加速训练，建议使用显存大于30GB的GPU。

本指南将解析 [train_controlnet.py](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/main/examples/controlnet/train_controlnet.py) 训练脚本，帮助您理解其逻辑并适配自定义需求。

运行脚本前，请确保从源码安装库：

```bash
git clone https://github.com/huggingface/diffusers
cd diffusers
pip install .
```

然后进入包含训练脚本的示例目录，安装所需依赖：

```bash
cd examples/controlnet
pip install -r requirements.txt
```

若可访问TPU设备，Flax训练脚本将运行得更快！以下是在 [Google Cloud TPU VM](https://cloud.google.com/tpu/docs/run-calculation-jax) 上的配置流程。创建单个TPU v4-8虚拟机并连接：

```bash
ZONE=us-central2-b
TPU_TYPE=v4-8
VM_NAME=hg_flax

gcloud alpha compute tpus tpu-vm create $VM_NAME \
 --zone $ZONE \
 --accelerator-type $TPU_TYPE \
 --version  tpu-vm-v4-base

gcloud alpha compute tpus tpu-vm ssh $VM_NAME --zone $ZONE -- \
```

安装JAX 0.4.5：

```bash
pip install "jax[tpu]==0.4.5" -f https://storage.googleapis.com/jax-releases/libtpu_releases.html
```

然后安装Flax脚本的依赖：

```bash
cd examples/controlnet
pip install -r requirements_flax.txt
```

> [!TIP]
> 🤗 Accelerate 是一个支持多GPU/TPU训练和混合精度的库，它能根据硬件环境自动配置训练方案。参阅 🤗 Accelerate [快速入门](https://huggingface.co/docs/accelerate/quicktour) 了解更多。

初始化🤗 Accelerate环境：

```bash
accelerate config
```

若要创建默认配置（不进行交互式选择）：

```bash
accelerate config default
```

若环境不支持交互式shell（如notebook），可使用：

```py
from accelerate.utils import write_basic_config

write_basic_config()
```

最后，如需训练自定义数据集，请参阅 [创建训练数据集](create_dataset) 指南了解数据准备方法。

> [!TIP]
> 下文重点解析脚本中的关键模块，但不会覆盖所有实现细节。如需深入了解，建议直接阅读 [脚本源码](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/main/examples/controlnet/train_controlnet.py)，如有疑问欢迎反馈。

## 脚本参数

训练脚本提供了丰富的可配置参数，所有参数及其说明详见 [`parse_args()`](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/64603389da01082055a901f2883c4810d1144edb/examples/controlnet/train_controlnet.py#L231) 函数。虽然该函数已为每个参数提供默认值（如训练批大小、学习率等），但您可以通过命令行参数覆盖这些默认值。

例如，使用fp16混合精度加速训练, 可使用`--mixed_precision`参数

```bash
accelerate launch train_controlnet.py \
  --mixed_precision="fp16"
```

基础参数说明可参考 [文生图](text2image#script-parameters) 训练指南，此处重点介绍ControlNet相关参数：

- `--max_train_samples`: 训练样本数量，减少该值可加快训练，但对超大数据集需配合 `--streaming` 参数使用
- `--gradient_accumulation_steps`: 梯度累积步数，通过分步计算实现显存受限情况下的更大批次训练

### Min-SNR加权策略

[Min-SNR](https://huggingface.co/papers/2303.09556) 加权策略通过重新平衡损失函数加速模型收敛。虽然训练脚本支持预测 `epsilon`（噪声）或 `v_prediction`，但Min-SNR对两种预测类型均兼容。该策略仅适用于PyTorch版本，Flax训练脚本暂不支持。

推荐值设为5.0：

```bash
accelerate launch train_controlnet.py \
  --snr_gamma=5.0
```

## 训练脚本

与参数说明类似，训练流程的通用解析可参考 [文生图](text2image#training-script) 指南。此处重点分析ControlNet特有的实现。

脚本中的 [`make_train_dataset`](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/64603389da01082055a901f2883c4810d1144edb/examples/controlnet/train_controlnet.py#L582) 函数负责数据预处理，除常规的文本标注分词和图像变换外，还包含条件图像的特效处理：

> [!TIP]
> 在TPU上流式加载数据集时，🤗 Datasets库可能成为性能瓶颈（因其未针对图像数据优化）。建议考虑 [WebDataset](https://webdataset.github.io/webdataset/)、[TorchData](https://github.com/pytorch/data) 或 [TensorFlow Datasets](https://www.tensorflow.org/datasets/tfless_tfds) 等高效数据格式。

```py
conditioning_image_transforms = transforms.Compose(
    [
        transforms.Resize(args.resolution, interpolation=transforms.InterpolationMode.BILINEAR),
        transforms.CenterCrop(args.resolution),
        transforms.ToTensor(),
    ]
)
```

在 [`main()`](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/64603389da01082055a901f2883c4810d1144edb/examples/controlnet/train_controlnet.py#L713) 函数中，代码会加载分词器、文本编码器、调度器和模型。此处也是ControlNet模型的加载点（支持从现有权重加载或从UNet随机初始化）：

```py
if args.controlnet_model_name_or_path:
    logger.info("Loading existing controlnet weights")
    controlnet = ControlNetModel.from_pretrained(args.controlnet_model_name_or_path)
else:
    logger.info("Initializing controlnet weights from unet")
    controlnet = ControlNetModel.from_unet(unet)
```

[优化器](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/64603389da01082055a901f2883c4810d1144edb/examples/controlnet/train_controlnet.py#L871) 专门针对ControlNet参数进行更新：

```py
params_to_optimize = controlnet.parameters()
optimizer = optimizer_class(
    params_to_optimize,
    lr=args.learning_rate,
    betas=(args.adam_beta1, args.adam_beta2),
    weight_decay=args.adam_weight_decay,
    eps=args.adam_epsilon,
)
```

在 [训练循环](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/64603389da01082055a901f2883c4810d1144edb/examples/controlnet/train_controlnet.py#L943) 中，条件文本嵌入和图像被输入到ControlNet的下采样和中层模块：

```py
encoder_hidden_states = text_encoder(batch["input_ids"])[0]
controlnet_image = batch["conditioning_pixel_values"].to(dtype=weight_dtype)

down_block_res_samples, mid_block_res_sample = controlnet(
    noisy_latents,
    timesteps,
    encoder_hidden_states=encoder_hidden_states,
    controlnet_cond=controlnet_image,
    return_dict=False,
)
```

若想深入理解训练循环机制，可参阅 [理解管道、模型与调度器](../using-diffusers/write_own_pipeline) 教程，该教程详细解析了去噪过程的基本原理。

## 启动训练

现在可以启动训练脚本了！🚀

本指南使用 [fusing/fill50k](https://huggingface.co/datasets/fusing/fill50k) 数据集，当然您也可以按照 [创建训练数据集](create_dataset) 指南准备自定义数据。

设置环境变量 `MODEL_NAME` 为Hub模型ID或本地路径，`OUTPUT_DIR` 为模型保存路径。

下载训练用的条件图像：

```bash
wget https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/conditioning_image_1.png
wget https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/conditioning_image_2.png
```

根据GPU型号，可能需要启用特定优化。默认配置需要约38GB显存。若使用多GPU训练，请在 `accelerate launch` 命令中添加 `--multi_gpu` 参数。

16GB显卡可使用bitsandbytes 8-bit优化器和梯度检查点：

```py
pip install bitsandbytes
```

训练命令添加以下参数：

```bash
accelerate launch train_controlnet.py \
  --gradient_checkpointing \
  --use_8bit_adam \
```

12GB显卡需组合使用bitsandbytes 8-bit优化器、梯度检查点、xFormers，并将梯度置为None而非0：

```bash
accelerate launch train_controlnet.py \
  --use_8bit_adam \
  --gradient_checkpointing \
  --enable_xformers_memory_efficient_attention \
  --set_grads_to_none \
```

8GB显卡需使用 [DeepSpeed](https://www.deepspeed.ai/) 将张量卸载到CPU或NVME：

运行以下命令配置环境：

```bash
accelerate config
```

选择DeepSpeed stage 2，结合fp16混合精度和参数卸载到CPU的方案。注意这会增加约25GB内存占用。配置示例如下：

```bash
compute_environment: LOCAL_MACHINE
deepspeed_config:
  gradient_accumulation_steps: 4
  offload_optimizer_device: cpu
  offload_param_device: cpu
  zero3_init_flag: false
  zero_stage: 2
distributed_type: DEEPSPEED
```

建议将优化器替换为DeepSpeed特化版 [`deepspeed.ops.adam.DeepSpeedCPUAdam`](https://deepspeed.readthedocs.io/en/latest/optimizers.html#adam-cpu)，注意CUDA工具链版本需与PyTorch匹配。

当前bitsandbytes与DeepSpeed存在兼容性问题。

无需额外添加训练参数。

```bash
export MODEL_DIR="stable-diffusion-v1-5/stable-diffusion-v1-5"
export OUTPUT_DIR="path/to/save/model"

accelerate launch train_controlnet.py \
 --pretrained_model_name_or_path=$MODEL_DIR \
 --output_dir=$OUTPUT_DIR \
 --dataset_name=fusing/fill50k \
 --resolution=512 \
 --learning_rate=1e-5 \
 --validation_image "./conditioning_image_1.png" "./conditioning_image_2.png" \
 --validation_prompt "red circle with blue background" "cyan circle with brown floral background" \
 --train_batch_size=1 \
 --gradient_accumulation_steps=4 \
 --push_to_hub
```

Flax版本支持通过 `--profile_steps==5` 参数进行性能分析：

```bash
pip install tensorflow tensorboard-plugin-profile
tensorboard --logdir runs/fill-circle-100steps-20230411_165612/
```

在 [http://localhost:6006/#profile](http://localhost:6006/#profile) 查看分析结果。

> [!WARNING]
> 若遇到插件版本冲突，建议重新安装TensorFlow和Tensorboard。注意性能分析插件仍处实验阶段，部分视图可能不完整。`trace_viewer` 会截断超过1M的事件记录，在编译步骤分析时可能导致设备轨迹丢失。

```bash
python3 train_controlnet_flax.py \
 --pretrained_model_name_or_path=$MODEL_DIR \
 --output_dir=$OUTPUT_DIR \
 --dataset_name=fusing/fill50k \
 --resolution=512 \
 --learning_rate=1e-5 \
 --validation_image "./conditioning_image_1.png" "./conditioning_image_2.png" \
 --validation_prompt "red circle with blue background" "cyan circle with brown floral background" \
 --validation_steps=1000 \
 --train_batch_size=2 \
 --revision="non-ema" \
 --from_pt \
 --report_to="wandb" \
 --tracker_project_name=$HUB_MODEL_ID \
 --num_train_epochs=11 \
 --push_to_hub \
 --hub_model_id=$HUB_MODEL_ID
```

训练完成后即可进行推理：

```py
from diffusers import StableDiffusionControlNetPipeline, ControlNetModel
from diffusers.utils import load_image
import torch

controlnet = ControlNetModel.from_pretrained("path/to/controlnet", torch_dtype=torch.float16)
pipeline = StableDiffusionControlNetPipeline.from_pretrained(
    "path/to/base/model", controlnet=controlnet, torch_dtype=torch.float16
).to("cuda")

control_image = load_image("./conditioning_image_1.png")
prompt = "pale golden rod circle with old lace background"

generator = torch.manual_seed(0)
image = pipeline(prompt, num_inference_steps=20, generator=generator, image=control_image).images[0]
image.save("./output.png")
```

## Stable Diffusion XL

Stable Diffusion XL (SDXL) 是新一代文生图模型，通过添加第二文本编码器支持生成更高分辨率图像。使用 [`train_controlnet_sdxl.py`](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/main/examples/controlnet/train_controlnet_sdxl.py) 脚本可为SDXL训练ControlNet适配器。

SDXL训练脚本的详细解析请参阅 [SDXL训练](sdxl) 指南。

## 后续步骤

恭喜完成ControlNet训练！如需进一步了解模型应用，以下指南可能有所帮助：

- 学习如何 [使用ControlNet](../using-diffusers/controlnet) 进行多样化任务的推理

