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효과적이고 효율적인 Diffusion

특정 스타일로 이미지를 생성하거나 원하는 내용을 포함하도록`DiffusionPipeline`을 설정하는 것은 까다로울 수 있습니다. 종종 만족스러운 이미지를 얻기까지 `DiffusionPipeline`을 여러 번 실행해야 하는 경우가 많습니다. 그러나 무에서 유를 창조하는 것은 특히 추론을 반복해서 실행하는 경우 계산 집약적인 프로세스입니다.

그렇기 때문에 파이프라인에서 계산(속도) 및 메모리(GPU RAM) 효율성을 극대화하여 추론 주기 사이의 시간을 단축하여 더 빠르게 반복할 수 있도록 하는 것이 중요합니다.

이 튜토리얼에서는 `DiffusionPipeline`을 사용하여 더 빠르고 효과적으로 생성하는 방법을 안내합니다.

`runwayml/stable-diffusion-v1-5` 모델을 불러와서 시작합니다:

    from diffusers import DiffusionPipeline

    model_id = "runwayml/stable-diffusion-v1-5"
    pipeline = DiffusionPipeline.from_pretrained(model_id)

예제 프롬프트는 “portrait of an old warrior chief” 이지만, 자유롭게 자신만의 프롬프트를 사용해도 됩니다:

    prompt = "portrait photo of a old warrior chief"

## 속도

💡 GPU에 액세스할 수 없는 경우 다음과 같은 GPU 제공업체에서 무료로 사용할 수 있습니다!. Colab

추론 속도를 높이는 가장 간단한 방법 중 하나는 Pytorch 모듈을 사용할 때와 같은 방식으로 GPU에 파이프라인을 배치하는 것입니다:

    pipeline = pipeline.to("cuda")

동일한 이미지를 사용하고 개선할 수 있는지 확인하려면 `Generator`를 사용하고 재현성에 대한 시드를 설정하세요:

    import torch

    generator = torch.Generator("cuda").manual_seed(0)

이제 이미지를 생성할 수 있습니다:

    image = pipeline(prompt, generator=generator).images[0]
    image

이 프로세스는 T4 GPU에서 약 30초가 소요되었습니다(할당된 GPU가 T4보다 나은 경우 더 빠를 수 있음). 기본적으로 `DiffusionPipeline`은 50개의 추론 단계에 대해 전체 `float32` 정밀도로 추론을 실행합니다. `float16`과 같은 더 낮은 정밀도로 전환하거나 추론 단계를 더 적게 실행하여 속도를 높일 수 있습니다.

`float16`으로 모델을 로드하고 이미지를 생성해 보겠습니다:

    import torch

    pipeline = DiffusionPipeline.from_pretrained(model_id, torch_dtype=torch.float16)
    pipeline = pipeline.to("cuda")
    generator = torch.Generator("cuda").manual_seed(0)
    image = pipeline(prompt, generator=generator).images[0]
    image

이번에는 이미지를 생성하는 데 약 11초밖에 걸리지 않아 이전보다 3배 가까이 빨라졌습니다!

💡 파이프라인은 항상 `float16`에서 실행할 것을 강력히 권장하며, 지금까지 출력 품질이 저하되는 경우는 거의 없었습니다.

또 다른 옵션은 추론 단계의 수를 줄이는 것입니다. 보다 효율적인 스케줄러를 선택하면 출력 품질 저하 없이 단계 수를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재 모델과 호환되는 스케줄러는 `compatibles` 메서드를 호출하여 `DiffusionPipeline`에서 찾을 수 있습니다:

    pipeline.scheduler.compatibles
    [
        diffusers.schedulers.scheduling_lms_discrete.LMSDiscreteScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_unipc_multistep.UniPCMultistepScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_k_dpm_2_discrete.KDPM2DiscreteScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_deis_multistep.DEISMultistepScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_euler_discrete.EulerDiscreteScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_dpmsolver_multistep.DPMSolverMultistepScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_ddpm.DDPMScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_dpmsolver_singlestep.DPMSolverSinglestepScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_k_dpm_2_ancestral_discrete.KDPM2AncestralDiscreteScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_heun_discrete.HeunDiscreteScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_pndm.PNDMScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_euler_ancestral_discrete.EulerAncestralDiscreteScheduler,
        diffusers.schedulers.scheduling_ddim.DDIMScheduler,
    ]

Stable Diffusion 모델은 일반적으로 약 50개의 추론 단계가 필요한 `PNDMScheduler`를 기본으로 사용하지만, `DPMSolverMultistepScheduler`와 같이 성능이 더 뛰어난 스케줄러는 약 20개 또는 25개의 추론 단계만 필요로 합니다. 새 스케줄러를 로드하려면 `ConfigMixin.from_config()` 메서드를 사용합니다:

    from diffusers import DPMSolverMultistepScheduler

    pipeline.scheduler = DPMSolverMultistepScheduler.from_config(pipeline.scheduler.config)

`num_inference_steps`를 20으로 설정합니다:

    generator = torch.Generator("cuda").manual_seed(0)
    image = pipeline(prompt, generator=generator, num_inference_steps=20).images[0]
    image

추론시간을 4초로 단축할 수 있었습니다! ⚡️

## 메모리

파이프라인 성능 향상의 또 다른 핵심은 메모리 사용량을 줄이는 것인데, 초당 생성되는 이미지 수를 최대화하려고 하는 경우가 많기 때문에 간접적으로 더 빠른 속도를 의미합니다. 한 번에 생성할 수 있는 이미지 수를 확인하는 가장 쉬운 방법은 `OutOfMemoryError`(OOM)이 발생할 때까지 다양한 배치 크기를 시도해 보는 것입니다.

프롬프트 목록과 `Generators`에서 이미지 배치를 생성하는 함수를 만듭니다. 좋은 결과를 생성하는 경우 재사용할 수 있도록 각 `Generator`에 시드를 할당해야 합니다.

    def get_inputs(batch_size=1):
        generator = [torch.Generator("cuda").manual_seed(i) for i in range(batch_size)]
        prompts = batch_size * [prompt]
        num_inference_steps = 20

        return {"prompt": prompts, "generator": generator, "num_inference_steps": num_inference_steps}

또한 각 이미지 배치를 보여주는 기능이 필요합니다:

    from PIL import Image

    def image_grid(imgs, rows=2, cols=2):
        w, h = imgs[0].size
        grid = Image.new("RGB", size=(cols * w, rows * h))

        for i, img in enumerate(imgs):
            grid.paste(img, box=(i % cols * w, i // cols * h))
        return grid

`batch_size=4`부터 시작해 얼마나 많은 메모리를 소비했는지 확인합니다:

    images = pipeline(**get_inputs(batch_size=4)).images
    image_grid(images)

RAM이 더 많은 GPU가 아니라면 위의 코드에서 `OOM` 오류가 반환되었을 것입니다! 대부분의 메모리는 cross-attention 레이어가 차지합니다. 이 작업을 배치로 실행하는 대신 순차적으로 실행하면 상당한 양의 메모리를 절약할 수 있습니다. 파이프라인을 구성하여 `enable_attention_slicing()` 함수를 사용하기만 하면 됩니다:

    pipeline.enable_attention_slicing()

이제 `batch_size`를 8로 늘려보세요!

    images = pipeline(**get_inputs(batch_size=8)).images
    image_grid(images, rows=2, cols=4)

이전에는 4개의 이미지를 배치로 생성할 수도 없었지만, 이제는 이미지당 약 3.5초 만에 8개의 이미지를 배치로 생성할 수 있습니다! 이는 아마도 품질 저하 없이 T4 GPU에서 가장 빠른 속도일 것입니다.

## 품질

지난 두 섹션에서는 `fp16`을 사용하여 파이프라인의 속도를 최적화하고, 더 성능이 좋은 스케줄러를 사용하여 추론 단계의 수를 줄이고, attention slicing을 활성화하여 메모리 소비를 줄이는 방법을 배웠습니다. 이제 생성된 이미지의 품질을 개선하는 방법에 대해 집중적으로 알아보겠습니다.

### 더 나은 체크포인트

가장 확실한 단계는 더 나은 체크포인트를 사용하는 것입니다. Stable Diffusion 모델은 좋은 출발점이며, 공식 출시 이후 몇 가지 개선된 버전도 출시되었습니다. 하지만 최신 버전을 사용한다고 해서 자동으로 더 나은 결과를 얻을 수 있는 것은 아닙니다. 여전히 다양한 체크포인트를 직접 실험해보고, negative prompts 사용 등 약간의 조사를 통해 최상의 결과를 얻어야 합니다.

이 분야가 성장함에 따라 특정 스타일을 연출할 수 있도록 세밀하게 조정된 고품질 체크포인트가 점점 더 많아지고 있습니다. Hub와 Diffusers Gallery를 둘러보고 관심 있는 것을 찾아보세요!

### 더 나은 파이프라인 구성 요소

현재 파이프라인 구성 요소를 최신 버전으로 교체해 볼 수도 있습니다. Stability AI의 최신 autodecoder를 파이프라인에 로드하고 몇 가지 이미지를 생성해 보겠습니다:

    from diffusers import AutoencoderKL

    vae = AutoencoderKL.from_pretrained("stabilityai/sd-vae-ft-mse", torch_dtype=torch.float16).to("cuda")
    pipeline.vae = vae
    images = pipeline(**get_inputs(batch_size=8)).images
    image_grid(images, rows=2, cols=4)

### 더 나은 프롬프트 엔지니어링

이미지를 생성하는 데 사용하는 텍스트 프롬프트는 prompt engineering이라고 할 정도로 매우 중요합니다. 프롬프트 엔지니어링 시 고려해야 할 몇 가지 사항은 다음과 같습니다:

- 생성하려는 이미지 또는 유사한 이미지가 인터넷에 어떻게 저장되어 있는가?
- 내가 원하는 스타일로 모델을 유도하기 위해 어떤 추가 세부 정보를 제공할 수 있는가?

이를 염두에 두고 색상과 더 높은 품질의 디테일을 포함하도록 프롬프트를 개선해 봅시다:

    prompt += ", tribal panther make up, blue on red, side profile, looking away, serious eyes"
    prompt += " 50mm portrait photography, hard rim lighting photography--beta --ar 2:3  --beta --upbeta"

새로운 프롬프트로 이미지 배치를 생성합니다:

    images = pipeline(**get_inputs(batch_size=8)).images
    image_grid(images, rows=2, cols=4)

꽤 인상적입니다! `1`의 시드를 가진 `Generator`에 해당하는 두 번째 이미지에 피사체의 나이에 대한 텍스트를 추가하여 조금 더 조정해 보겠습니다:

    prompts = [
        "portrait photo of the oldest warrior chief, tribal panther make up, blue on red, side profile, looking away, serious eyes 50mm portrait photography, hard rim lighting photography--beta --ar 2:3  --beta --upbeta",
        "portrait photo of a old warrior chief, tribal panther make up, blue on red, side profile, looking away, serious eyes 50mm portrait photography, hard rim lighting photography--beta --ar 2:3  --beta --upbeta",
        "portrait photo of a warrior chief, tribal panther make up, blue on red, side profile, looking away, serious eyes 50mm portrait photography, hard rim lighting photography--beta --ar 2:3  --beta --upbeta",
        "portrait photo of a young warrior chief, tribal panther make up, blue on red, side profile, looking away, serious eyes 50mm portrait photography, hard rim lighting photography--beta --ar 2:3  --beta --upbeta",
    ]

    generator = [torch.Generator("cuda").manual_seed(1) for _ in range(len(prompts))]
    images = pipeline(prompt=prompts, generator=generator, num_inference_steps=25).images
    image_grid(images)

## 다음 단계

이 튜토리얼에서는 계산 및 메모리 효율을 높이고 생성된 출력의 품질을 개선하기 위해 `DiffusionPipeline`을 최적화하는 방법을 배웠습니다. 파이프라인을 더 빠르게 만드는 데 관심이 있다면 다음 리소스를 살펴보세요:

- PyTorch 2.0 및 `torch.compile`이 어떻게 추론 속도를 5~300% 향상시킬 수 있는지 알아보세요. A100 GPU에서는 추론 속도가 최대 50%까지 빨라질 수 있습니다!
- PyTorch 2를 사용할 수 없는 경우, xFormers를 설치하는 것이 좋습니다. 메모리 효율적인 어텐션 메커니즘은 PyTorch 1.13.1과 함께 사용하면 속도가 빨라지고 메모리 소비가 줄어듭니다.
- 모델 오프로딩과 같은 다른 최적화 기법은 이 가이드에서 다루고 있습니다.