使用ControlNet 控制 Stable Diffusion

来源：DeepHub IMBA
本文约1500字，建议阅读6分钟本文将要介绍整合HuggingFace的diffusers 包和ControlNet调节生成文本到图像，可以更好地控制文本到图像的生成。

ControlNet是一种通过添加额外条件来控制扩散模型的神经网络结构。它提供了一种增强稳定扩散的方法，在文本到图像生成过程中使用条件输入，如涂鸦、边缘映射、分割映射、pose关键点等。可以让生成的图像将更接近输入图像，这比传统的图像到图像生成方法有了很大的改进。

ControlNet 模型可以在使用小数据集进行训练。然后整合任何预训练的稳定扩散模型来增强模型，来达到微调的目的。

ControNet 的初始版本带有以下预训练权重。‍‍
Canny edge — 黑色背景上带有白色边缘的单色图像。
Depth/Shallow areas — 灰度图像，黑色代表深区域，白色代表浅区域。
Normal map — 法线贴图图像。
Semantic segmentation map——ADE20K 的分割图像。
HED edge — 黑色背景上带有白色软边缘的单色图像。
Scribbles — 黑色背景上带有白色轮廓的手绘单色涂鸦图像。

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OpenPose （姿势关键点）— OpenPose 骨骼图像。
M-LSD — 仅由黑色背景上的白色直线组成的单色图像。

下面我们开始进行整合：

设置

建议在安装包之前创建一个新的虚拟环境。

diffusers

激活虚拟环境，执行以下命令:

pip install diffusers

ControlNet要求diffusers>=0.14.0。

accelerate

pip install accelerate

本教程包含一些依赖于accelerate>=0.17.0，需要使用下面命令安装最新版本：

pip install git+https://github.com/huggingface/accelerate

opencv-python

为了简单起见，我们使用canny边缘处理器，所以它需要opencv-python包。

Opencv-python有4个不同的包。官方文档推荐使用opencv-contrib-python包，但也可以使用以下任何包进行:

opencv-python主包；
opencv-contrib-python -完整包(附带contrib/额外模块)；
opencv-python-headless -没有GUI的主包；
opencv-contrib-python-headless -没有GUI的完整包。

所以我们这里使用完整包：

pip install opencv-contrib-python

controlnet-aux

OpenPose处理器需要controlnet-aux包。执行如下命令安装:

pip install controlnet-aux

xformers(可选)

xformers包可以提高了推理速度。最新版本为PyTorch 1.13.1提供了pip wheels支持。

pip install -U xformers

conda可以安装支持torch1.12.1或torch1.13.1。

conda install xformers

好了，这里的环境就设置完毕了。

canny edge图像生成

下面就是利用canny edge ControlNet进行图像生成。它需要一个精细的边缘图像作为输入。

创建一个名为canny_inference.py的新文件，并添加以下导入语句:

import cv2
 import numpy as np
 from PIL import Image

然后，继续添加以下代码片段，从现有图像创建一个canny edge图像：

import cv2
 import numpy as np
 from PIL import Image


 image = Image.open('input.png')
 image = np.array(image)


 low_threshold = 100
 high_threshold = 200


 image = cv2.Canny(image, low_threshold, high_threshold)
 image = image[:, :, None]
 image = np.concatenate([image, image, image], axis=2)
 canny_image = Image.fromarray(image)
 canny_image.save('canny.png')

保存文件后执行如下命令将图像转换为canny edge图像。

python canny_inference.py

看看下面的例子：‍

下一步是使用刚才生成的canny图像作为条件输入执行推理。

import cv2
 import torch
 import numpy as np
 from PIL import Image
 from diffusers import StableDiffusionControlNetPipeline, ControlNetModel, DPMSolverMultistepScheduler

初始化ControlNet和Stable Diffusion管道：

canny_image = Image.fromarray(image)
 # canny_image.save('canny.png')


 # for deterministic generation
 generator = torch.Generator(device='cuda').manual_seed(12345)
 controlnet = ControlNetModel.from_pretrained(
    "lllyasviel/sd-controlnet-canny",
    torch_dtype=torch.float16
 )
 pipe = StableDiffusionControlNetPipeline.from_pretrained(
    "runwayml/stable-diffusion-v1-5",
    controlnet=controlnet,
    torch_dtype=torch.float16
 )
 # change the scheduler
 pipe.scheduler = DPMSolverMultistepScheduler.from_config(pipe.scheduler.config)
 # enable xformers (optional), requires xformers installation
 pipe.enable_xformers_memory_efficient_attention()
 # cpu offload for memory saving, requires accelerate>=0.17.0
 pipe.enable_model_cpu_offload()

运行推理并保存生成的图像：‍‍

# cpu offload for memory saving, requires accelerate>=0.17.0
 pipe.enable_model_cpu_offload()


 image = pipe(
    "a beautiful lady, celebrity, red dress, dslr, colour photo, realistic, high quality",
    negative_prompt="cropped, out of frame, worst quality, low quality, jpeg artifacts, ugly, blurry, bad anatomy, bad proportions",
    num_inference_steps=20,
    generator=generator,
    image=canny_image,
    controlnet_conditioning_scale=0.5
 ).images[0]
 image.save('output.png')

StableDiffusionControlNetPipeline接受以下参数:

controlnet_conditioning_scale -在将controlnet的输出添加到原始unet的剩余部分之前，将它们乘以controlnet_conditioning_scale。默认为1.0，接受0.0-1.0之间的任何值。

运行脚本，可以得到类似下面输出:

让我们用不同的输入图像和设置重新运行脚本:

image = pipe(
 "a beautiful lady wearing blue yoga pants working out on beach, realistic, high quality",
    negative_prompt="cropped, out of frame, worst quality, low quality, jpeg artifacts, ugly, blurry, bad anatomy, bad proportions",
    num_inference_steps=20,
    generator=generator,
    image=canny_image,
 controlnet_conditioning_scale=1.0
 ).images[0]
 image.save('tmp/output.png')

结果如下：

OpenPose

下面可以尝试使用OpenPose图像作为条件输入：

controlnet-aux 模块支持将图像转换为 OpenPose 骨骼图像。我们创建一个名为 pose_inference.py 的新 Python 文件并添加以下导入：

import torch
 from PIL import Image
 from controlnet_aux import OpenposeDetector
 from diffusers import StableDiffusionControlNetPipeline, ControlNetModel, DPMSolverMultistepScheduler

继续添加以下代码：

image = Image.open('input.png')
 openpose = OpenposeDetector.from_pretrained('lllyasviel/ControlNet')
 pose_image = openpose(image)
 pose_image.save('pose.png')

执行以下图像转换为OpenPose图像：‍

python pose_inference.py

结果如下：

下面我们开始根据OpenPose生成图像：

# for deterministic generation
 generator = torch.Generator(device='cuda').manual_seed(12345)
 controlnet = ControlNetModel.from_pretrained(
    "lllyasviel/sd-controlnet-openpose",
    torch_dtype=torch.float16
 )
 pipe = StableDiffusionControlNetPipeline.from_pretrained(
    "runwayml/stable-diffusion-v1-5",
    controlnet=controlnet,
    torch_dtype=torch.float16
 )
 # change the scheduler
 pipe.scheduler = DPMSolverMultistepScheduler.from_config(pipe.scheduler.config)
 # enable xformers (optional), requires xformers installation
 pipe.enable_xformers_memory_efficient_attention()
 # cpu offload for memory saving, requires accelerate>=0.17.0
 pipe.enable_model_cpu_offload()


 # cpu offload for memory saving, requires accelerate>=0.17.0
 pipe.enable_model_cpu_offload()


 image = pipe(
    "a beautiful hollywood actress wearing black dress attending award winning event, red carpet stairs at background",
    negative_prompt="cropped, out of frame, worst quality, low quality, jpeg artifacts, ugly, blurry, bad anatomy, bad proportions",
    num_inference_steps=20,
    generator=generator,
    image=pose_image,
    controlnet_conditioning_scale=1.0
 ).images[0]
 image.save('output.png')

结果如下：

总结

可以看到ControlNet是一个非常强大的神经网络结构，通过添加额外的条件来控制扩散模型。目前还不支持Multi-ControlNet，开源社区有消息说正在积极开发中。这个新功能提供了可以使用多个控制网络，并将他们的输出一起用于图像生成，允许更好地控制整个图像。

作者：Ng Wai Foong

编辑：黄继彦

校对：林亦霖