<!--Copyright 2025 The HuggingFace Team. All rights reserved.

Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); you may not use this file except in compliance with
the License. You may obtain a copy of the License at

http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0

Unless required by applicable law or agreed to in writing, software distributed under the License is distributed on
an "AS IS" BASIS, WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. See the License for the
specific language governing permissions and limitations under the License.
-->

# ControlNet

[Adding Conditional Control to Text-to-Image Diffusion Models](https://huggingface.co/papers/2302.05543) (ControlNet)은 Lvmin Zhang과 Maneesh Agrawala에 의해 쓰여졌습니다.

이 예시는 [원본 ControlNet 리포지토리에서 예시 학습하기](https://github.com/lllyasviel/ControlNet/blob/main/docs/train.md)에 기반합니다. ControlNet은 원들을 채우기 위해 [small synthetic dataset](https://huggingface.co/datasets/fusing/fill50k)을 사용해서 학습됩니다.

## 의존성 설치하기

아래의 스크립트를 실행하기 전에, 라이브러리의 학습 의존성을 설치해야 합니다.

<Tip warning={true}>

가장 최신 버전의 예시 스크립트를 성공적으로 실행하기 위해서는, 소스에서 설치하고 최신 버전의 설치를 유지하는 것을 강력하게 추천합니다. 우리는 예시 스크립트들을 자주 업데이트하고 예시에 맞춘 특정한 요구사항을 설치합니다.

</Tip>

위 사항을 만족시키기 위해서, 새로운 가상환경에서 다음 일련의 스텝을 실행하세요:

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

그 다음에는 [예시 폴더](https://github.com/huggingface/diffusers/tree/main/examples/controlnet)으로 이동합니다.

```bash
cd examples/controlnet
```

이제 실행하세요:

```bash
pip install -r requirements.txt
```

[🤗Accelerate](https://github.com/huggingface/accelerate/) 환경을 초기화 합니다:

```bash
accelerate config
```

혹은 여러분의 환경이 무엇인지 몰라도 기본적인 🤗Accelerate 구성으로 초기화할 수 있습니다:

```bash
accelerate config default
```

혹은 당신의 환경이 노트북 같은 상호작용하는 쉘을 지원하지 않는다면, 아래의 코드로 초기화 할 수 있습니다:

```python
from accelerate.utils import write_basic_config

write_basic_config()
```

자체 데이터셋을 사용하기 위해서는 [학습을 위한 데이터셋 생성하기](create_dataset) 가이드를 확인하세요.

## 학습

이 학습에 사용될 다음 이미지들을 다운로드하세요:

```sh
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
```

`MODEL_NAME` 환경 변수 (Hub 모델 리포지토리 아이디 혹은 모델 가중치가 있는 디렉토리로 가는 주소)를 명시하고 [`pretrained_model_name_or_path`](https://huggingface.co/docs/diffusers/en/api/diffusion_pipeline#diffusers.DiffusionPipeline.from_pretrained.pretrained_model_name_or_path) 인자로 환경변수를 보냅니다.

학습 스크립트는 당신의 리포지토리에 `diffusion_pytorch_model.bin` 파일을 생성하고 저장합니다.

```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=4 \
 --push_to_hub
```

이 기본적인 설정으로는 ~38GB VRAM이 필요합니다.

기본적으로 학습 스크립트는 결과를 텐서보드에 기록합니다. 가중치(weight)와 편향(bias)을 사용하기 위해 `--report_to wandb` 를 전달합니다.

더 작은 batch(배치) 크기로 gradient accumulation(기울기 누적)을 하면 학습 요구사항을 ~20 GB VRAM으로 줄일 수 있습니다.

```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
```

## 여러개 GPU로 학습하기

`accelerate` 은 seamless multi-GPU 학습을 고려합니다. `accelerate`과 함께 분산된 학습을 실행하기 위해 [여기](https://huggingface.co/docs/accelerate/basic_tutorials/launch)
의 설명을 확인하세요. 아래는 예시 명령어입니다:

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

accelerate launch --mixed_precision="fp16" --multi_gpu 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=4 \
 --mixed_precision="fp16" \
 --tracker_project_name="controlnet-demo" \
 --report_to=wandb \
  --push_to_hub
```

## 예시 결과

#### 배치 사이즈 8로 300 스텝 이후:

| |  |
|-------------------|:-------------------------:|
| | 푸른 배경과 빨간 원  |
![conditioning image](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/conditioning_image_1.png) | ![푸른 배경과 빨간 원](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/red_circle_with_blue_background_300_steps.png) |
| | 갈색 꽃 배경과 청록색 원 |
![conditioning image](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/conditioning_image_2.png) | ![갈색 꽃 배경과 청록색 원](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/cyan_circle_with_brown_floral_background_300_steps.png) |

#### 배치 사이즈 8로 6000 스텝 이후:

| |  |
|-------------------|:-------------------------:|
| | 푸른 배경과 빨간 원  |
![conditioning image](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/conditioning_image_1.png) | ![푸른 배경과 빨간 원](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/red_circle_with_blue_background_6000_steps.png) |
| | 갈색 꽃 배경과 청록색 원 |
![conditioning image](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/conditioning_image_2.png) | ![갈색 꽃 배경과 청록색 원](https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/diffusers/controlnet_training/cyan_circle_with_brown_floral_background_6000_steps.png) |

## 16GB GPU에서 학습하기

16GB GPU에서 학습하기 위해 다음의 최적화를 진행하세요:

- 기울기 체크포인트 저장하기
- bitsandbyte의 [8-bit optimizer](https://github.com/TimDettmers/bitsandbytes#requirements--installation)가 설치되지 않았다면 링크에 연결된 설명서를 보세요.

이제 학습 스크립트를 시작할 수 있습니다:

```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 \
 --gradient_checkpointing \
 --use_8bit_adam \
  --push_to_hub
```

## 12GB GPU에서 학습하기

12GB GPU에서 실행하기 위해 다음의 최적화를 진행하세요:

- 기울기 체크포인트 저장하기
- bitsandbyte의 8-bit [optimizer](https://github.com/TimDettmers/bitsandbytes#requirements--installation)(가 설치되지 않았다면 링크에 연결된 설명서를 보세요)
- [xFormers](https://huggingface.co/docs/diffusers/training/optimization/xformers)(가 설치되지 않았다면 링크에 연결된 설명서를 보세요)
- 기울기를 `None`으로 설정

```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 \
 --gradient_checkpointing \
 --use_8bit_adam \
 --enable_xformers_memory_efficient_attention \
 --set_grads_to_none \
  --push_to_hub
```

`pip install xformers`으로 `xformers`을 확실히 설치하고 `enable_xformers_memory_efficient_attention`을 사용하세요.

## 8GB GPU에서 학습하기

우리는 ControlNet을 지원하기 위한 DeepSpeed를 철저하게 테스트하지 않았습니다. 환경설정이 메모리를 저장할 때,
그 환경이 성공적으로 학습했는지를 확정하지 않았습니다. 성공한 학습 실행을 위해 설정을 변경해야 할 가능성이 높습니다.

8GB GPU에서 실행하기 위해 다음의 최적화를 진행하세요:

- 기울기 체크포인트 저장하기
- bitsandbyte의 8-bit [optimizer](https://github.com/TimDettmers/bitsandbytes#requirements--installation)(가 설치되지 않았다면 링크에 연결된 설명서를 보세요)
- [xFormers](https://huggingface.co/docs/diffusers/training/optimization/xformers)(가 설치되지 않았다면 링크에 연결된 설명서를 보세요)
- 기울기를 `None`으로 설정
- DeepSpeed stage 2 변수와 optimizer 없에기
- fp16 혼합 정밀도(precision)

[DeepSpeed](https://www.deepspeed.ai/)는 CPU 또는 NVME로 텐서를 VRAM에서 오프로드할 수 있습니다.
이를 위해서 훨씬 더 많은 RAM(약 25 GB)가 필요합니다.

DeepSpeed stage 2를 활성화하기 위해서 `accelerate config`로 환경을 구성해야합니다.

구성(configuration) 파일은 이런 모습이어야 합니다:

```yaml
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
```

<팁>

[문서](https://huggingface.co/docs/accelerate/usage_guides/deepspeed)를 더 많은 DeepSpeed 설정 옵션을 위해 보세요.

<팁>

기본 Adam optimizer를 DeepSpeed'의 Adam
`deepspeed.ops.adam.DeepSpeedCPUAdam` 으로 바꾸면 상당한 속도 향상을 이룰수 있지만,
Pytorch와 같은 버전의 CUDA toolchain이 필요합니다. 8-비트 optimizer는 현재 DeepSpeed와
호환되지 않는 것 같습니다.

```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 \
 --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 \
 --gradient_checkpointing \
 --enable_xformers_memory_efficient_attention \
 --set_grads_to_none \
 --mixed_precision fp16 \
 --push_to_hub
```

## 추론

학습된 모델은 [`StableDiffusionControlNetPipeline`]과 함께 실행될 수 있습니다.
`base_model_path`와 `controlnet_path` 에 값을 지정하세요 `--pretrained_model_name_or_path` 와
`--output_dir` 는 학습 스크립트에 개별적으로 지정됩니다.

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

base_model_path = "path to model"
controlnet_path = "path to controlnet"

controlnet = ControlNetModel.from_pretrained(controlnet_path, torch_dtype=torch.float16)
pipe = StableDiffusionControlNetPipeline.from_pretrained(
    base_model_path, controlnet=controlnet, torch_dtype=torch.float16
)

# 더 빠른 스케줄러와 메모리 최적화로 diffusion 프로세스 속도 올리기
pipe.scheduler = UniPCMultistepScheduler.from_config(pipe.scheduler.config)
# xformers가 설치되지 않으면 아래 줄을 삭제하기
pipe.enable_xformers_memory_efficient_attention()

pipe.enable_model_cpu_offload()

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

# 이미지 생성하기
generator = torch.manual_seed(0)
image = pipe(prompt, num_inference_steps=20, generator=generator, image=control_image).images[0]

image.save("./output.png")
```
