 <!--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.
-->



# Textual-Inversion

[[open-in-colab]]

[textual-inversion](https://huggingface.co/papers/2208.01618)은 소수의 예시 이미지에서 새로운 콘셉트를 포착하는 기법입니다. 이 기술은 원래 [Latent Diffusion](https://github.com/CompVis/latent-diffusion)에서 시연되었지만, 이후 [Stable Diffusion](https://huggingface.co/docs/diffusers/main/en/conceptual/stable_diffusion)과 같은 유사한 다른 모델에도 적용되었습니다. 학습된 콘셉트는 text-to-image 파이프라인에서 생성된 이미지를 더 잘 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 이 모델은 텍스트 인코더의 임베딩 공간에서 새로운 '단어'를 학습하여 개인화된 이미지 생성을 위한 텍스트 프롬프트 내에서 사용됩니다.

![Textual Inversion example](https://textual-inversion.github.io/static/images/editing/colorful_teapot.JPG)
<small>By using just 3-5 images you can teach new concepts to a model such as Stable Diffusion for personalized image generation <a href="https://github.com/rinongal/textual_inversion">(image source)</a>.</small>

이 가이드에서는 textual-inversion으로 [`stable-diffusion-v1-5/stable-diffusion-v1-5`](https://huggingface.co/stable-diffusion-v1-5/stable-diffusion-v1-5) 모델을 학습하는 방법을 설명합니다. 이 가이드에서 사용된 모든 textual-inversion 학습 스크립트는 [여기](https://github.com/huggingface/diffusers/tree/main/examples/textual_inversion)에서 확인할 수 있습니다. 내부적으로 어떻게 작동하는지 자세히 살펴보고 싶으시다면 해당 링크를 참조해주시기 바랍니다.

> [!TIP]
> [Stable Diffusion Textual Inversion Concepts Library](https://huggingface.co/sd-concepts-library)에는 커뮤니티에서 제작한 학습된 textual-inversion 모델들이 있습니다. 시간이 지남에 따라 더 많은 콘셉트들이 추가되어 유용한 리소스로 성장할 것입니다!

시작하기 전에 학습을 위한 의존성 라이브러리들을 설치해야 합니다:

```bash
pip install diffusers accelerate transformers
```

의존성 라이브러리들의 설치가 완료되면, [🤗Accelerate](https://github.com/huggingface/accelerate/) 환경을 초기화시킵니다.

```bash
accelerate config
```

별도의 설정없이, 기본 🤗Accelerate 환경을 설정하려면 다음과 같이 하세요:

```bash
accelerate config default
```

또는 사용 중인 환경이 노트북과 같은 대화형 셸을 지원하지 않는다면, 다음과 같이 사용할 수 있습니다:

```py
from accelerate.utils import write_basic_config

write_basic_config()
```

마지막으로, Memory-Efficient Attention을 통해 메모리 사용량을 줄이기 위해 [xFormers](https://huggingface.co/docs/diffusers/main/en/training/optimization/xformers)를 설치합니다. xFormers를 설치한 후, 학습 스크립트에 `--enable_xformers_memory_efficient_attention` 인자를 추가합니다. xFormers는 Flax에서 지원되지 않습니다.

## 허브에 모델 업로드하기

모델을 허브에 저장하려면, 학습 스크립트에 다음 인자를 추가해야 합니다.

```bash
--push_to_hub
```

## 체크포인트 저장 및 불러오기

학습중에 모델의 체크포인트를 정기적으로 저장하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 어떤 이유로든 학습이 중단된 경우 저장된 체크포인트에서 학습을 다시 시작할 수 있습니다. 학습 스크립트에 다음 인자를 전달하면 500단계마다 전체 학습 상태가 `output_dir`의 하위 폴더에 체크포인트로서 저장됩니다.

```bash
--checkpointing_steps=500
```

저장된 체크포인트에서 학습을 재개하려면, 학습 스크립트와 재개할 특정 체크포인트에 다음 인자를 전달하세요.

```bash
--resume_from_checkpoint="checkpoint-1500"
```

## 파인 튜닝

학습용 데이터셋으로 [고양이 장난감 데이터셋](https://huggingface.co/datasets/diffusers/cat_toy_example)을 다운로드하여 디렉토리에 저장하세요. 여러분만의 고유한 데이터셋을 사용하고자 한다면, [학습용 데이터셋 만들기](https://huggingface.co/docs/diffusers/training/create_dataset) 가이드를 살펴보시기 바랍니다.

```py
from huggingface_hub import snapshot_download

local_dir = "./cat"
snapshot_download(
    "diffusers/cat_toy_example", local_dir=local_dir, repo_type="dataset", ignore_patterns=".gitattributes"
)
```

모델의 리포지토리 ID(또는 모델 가중치가 포함된 디렉터리 경로)를 `MODEL_NAME` 환경 변수에 할당하고, 해당 값을 [`pretrained_model_name_or_path`](https://huggingface.co/docs/diffusers/en/api/diffusion_pipeline#diffusers.DiffusionPipeline.from_pretrained.pretrained_model_name_or_path) 인자에 전달합니다. 그리고 이미지가 포함된 디렉터리 경로를 `DATA_DIR` 환경 변수에 할당합니다.

이제 [학습 스크립트](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/main/examples/textual_inversion/textual_inversion.py)를 실행할 수 있습니다. 스크립트는 다음 파일을 생성하고 리포지토리에 저장합니다.

- `learned_embeds.bin`
- `token_identifier.txt`
- `type_of_concept.txt`.

> [!TIP]
> 💡V100 GPU 1개를 기준으로 전체 학습에는 최대 1시간이 걸립니다. 학습이 완료되기를 기다리는 동안 궁금한 점이 있으면 아래 섹션에서 [textual-inversion이 어떻게 작동하는지](https://huggingface.co/docs/diffusers/training/text_inversion#how-it-works) 자유롭게 확인하세요 !

<frameworkcontent>
<pt>
```bash
export MODEL_NAME="stable-diffusion-v1-5/stable-diffusion-v1-5"
export DATA_DIR="./cat"

accelerate launch textual_inversion.py \
  --pretrained_model_name_or_path=$MODEL_NAME \
  --train_data_dir=$DATA_DIR \
  --learnable_property="object" \
  --placeholder_token="<cat-toy>" --initializer_token="toy" \
  --resolution=512 \
  --train_batch_size=1 \
  --gradient_accumulation_steps=4 \
  --max_train_steps=3000 \
  --learning_rate=5.0e-04 --scale_lr \
  --lr_scheduler="constant" \
  --lr_warmup_steps=0 \
  --output_dir="textual_inversion_cat" \
  --push_to_hub
```

> [!TIP]
> 💡학습 성능을 올리기 위해, 플레이스홀더 토큰(`<cat-toy>`)을 (단일한 임베딩 벡터가 아닌) 복수의 임베딩 벡터로 표현하는 것 역시 고려할 있습니다.  이러한 트릭이 모델이 보다 복잡한 이미지의 스타일(앞서 말한 콘셉트)을 더 잘 캡처하는 데 도움이 될 수 있습니다. 복수의 임베딩 벡터 학습을 활성화하려면 다음 옵션을 전달하십시오.
>
> ```bash
> --num_vectors=5
> ```
</pt>
<jax>

TPU에 액세스할 수 있는 경우, [Flax 학습 스크립트](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/main/examples/textual_inversion/textual_inversion_flax.py)를 사용하여 더 빠르게 모델을 학습시켜보세요. (물론 GPU에서도 작동합니다.) 동일한 설정에서 Flax 학습 스크립트는 PyTorch 학습 스크립트보다 최소 70% 더 빨라야 합니다! ⚡️

시작하기 앞서 Flax에 대한 의존성 라이브러리들을 설치해야 합니다.

```bash
pip install -U -r requirements_flax.txt
```

모델의 리포지토리 ID(또는 모델 가중치가 포함된 디렉터리 경로)를 `MODEL_NAME` 환경 변수에 할당하고, 해당 값을 [`pretrained_model_name_or_path`](https://huggingface.co/docs/diffusers/en/api/diffusion_pipeline#diffusers.DiffusionPipeline.from_pretrained.pretrained_model_name_or_path) 인자에 전달합니다.

그런 다음 [학습 스크립트](https://github.com/huggingface/diffusers/blob/main/examples/textual_inversion/textual_inversion_flax.py)를 시작할 수 있습니다.

```bash
export MODEL_NAME="duongna/stable-diffusion-v1-4-flax"
export DATA_DIR="./cat"

python textual_inversion_flax.py \
  --pretrained_model_name_or_path=$MODEL_NAME \
  --train_data_dir=$DATA_DIR \
  --learnable_property="object" \
  --placeholder_token="<cat-toy>" --initializer_token="toy" \
  --resolution=512 \
  --train_batch_size=1 \
  --max_train_steps=3000 \
  --learning_rate=5.0e-04 --scale_lr \
  --output_dir="textual_inversion_cat" \
  --push_to_hub
```
</jax>
</frameworkcontent>

### 중간 로깅

모델의 학습 진행 상황을 추적하는 데 관심이 있는 경우, 학습 과정에서 생성된 이미지를 저장할 수 있습니다. 학습 스크립트에 다음 인수를 추가하여 중간 로깅을 활성화합니다.

- `validation_prompt` : 샘플을 생성하는 데 사용되는 프롬프트(기본값은 `None`으로 설정되며, 이 때 중간 로깅은 비활성화됨)
- `num_validation_images` : 생성할 샘플 이미지 수
- `validation_steps` : `validation_prompt`로부터 샘플 이미지를 생성하기 전 스텝의 수

```bash
--validation_prompt="A <cat-toy> backpack"
--num_validation_images=4
--validation_steps=100
```

## 추론

모델을 학습한 후에는, 해당 모델을 [`StableDiffusionPipeline`]을 사용하여 추론에 사용할 수 있습니다.

textual-inversion 스크립트는 기본적으로 textual-inversion을 통해 얻어진 임베딩 벡터만을 저장합니다. 해당 임베딩 벡터들은 텍스트 인코더의 임베딩 행렬에 추가되어 있습습니다.

<frameworkcontent>
<pt>
> [!TIP]
> 💡 커뮤니티는 [sd-concepts-library](https://huggingface.co/sd-concepts-library) 라는 대규모의 textual-inversion 임베딩 벡터 라이브러리를 만들었습니다. textual-inversion 임베딩을 밑바닥부터 학습하는 대신, 해당 라이브러리에 본인이 찾는 textual-inversion 임베딩이 이미 추가되어 있지 않은지를 확인하는 것도 좋은 방법이 될 것 같습니다.

textual-inversion 임베딩 벡터을 불러오기 위해서는, 먼저 해당 임베딩 벡터를 학습할 때 사용한 모델을 불러와야 합니다. 여기서는  [`stable-diffusion-v1-5/stable-diffusion-v1-5`](https://huggingface.co/docs/diffusers/training/stable-diffusion-v1-5/stable-diffusion-v1-5) 모델이 사용되었다고 가정하고 불러오겠습니다.

```python
from diffusers import StableDiffusionPipeline
import torch

model_id = "stable-diffusion-v1-5/stable-diffusion-v1-5"
pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(model_id, torch_dtype=torch.float16).to("cuda")
```

다음으로 `TextualInversionLoaderMixin.load_textual_inversion` 함수를 통해, textual-inversion 임베딩 벡터를 불러와야 합니다. 여기서 우리는 이전의 `<cat-toy>` 예제의 임베딩을 불러올 것입니다.

```python
pipe.load_textual_inversion("sd-concepts-library/cat-toy")
```

이제 플레이스홀더 토큰(`<cat-toy>`)이 잘 동작하는지를 확인하는 파이프라인을 실행할 수 있습니다.

```python
prompt = "A <cat-toy> backpack"

image = pipe(prompt, num_inference_steps=50).images[0]
image.save("cat-backpack.png")
```

`TextualInversionLoaderMixin.load_textual_inversion`은 Diffusers 형식으로 저장된 텍스트 임베딩 벡터를 로드할 수 있을 뿐만 아니라, [Automatic1111](https://github.com/AUTOMATIC1111/stable-diffusion-webui) 형식으로 저장된 임베딩 벡터도 로드할 수 있습니다. 이렇게 하려면, 먼저 [civitAI](https://civitai.com/models/3036?modelVersionId=8387)에서 임베딩 벡터를 다운로드한 다음 로컬에서 불러와야 합니다.

```python
pipe.load_textual_inversion("./charturnerv2.pt")
```
</pt>
<jax>

현재 Flax에 대한 `load_textual_inversion` 함수는 없습니다. 따라서 학습 후 textual-inversion 임베딩 벡터가 모델의 일부로서 저장되었는지를 확인해야 합니다. 그런 다음은 다른 Flax 모델과 마찬가지로 실행할 수 있습니다.

```python
import jax
import numpy as np
from flax.jax_utils import replicate
from flax.training.common_utils import shard
from diffusers import FlaxStableDiffusionPipeline

model_path = "path-to-your-trained-model"
pipeline, params = FlaxStableDiffusionPipeline.from_pretrained(model_path, dtype=jax.numpy.bfloat16)

prompt = "A <cat-toy> backpack"
prng_seed = jax.random.PRNGKey(0)
num_inference_steps = 50

num_samples = jax.device_count()
prompt = num_samples * [prompt]
prompt_ids = pipeline.prepare_inputs(prompt)

# shard inputs and rng
params = replicate(params)
prng_seed = jax.random.split(prng_seed, jax.device_count())
prompt_ids = shard(prompt_ids)

images = pipeline(prompt_ids, params, prng_seed, num_inference_steps, jit=True).images
images = pipeline.numpy_to_pil(np.asarray(images.reshape((num_samples,) + images.shape[-3:])))
image.save("cat-backpack.png")
```
</jax>
</frameworkcontent>

## 작동 방식

![Diagram from the paper showing overview](https://textual-inversion.github.io/static/images/training/training.JPG)
<small>Architecture overview from the Textual Inversion <a href="https://textual-inversion.github.io/">blog post.</a></small>

일반적으로 텍스트 프롬프트는 모델에 전달되기 전에 임베딩으로 토큰화됩니다. textual-inversion은 비슷한 작업을 수행하지만, 위 다이어그램의 특수 토큰 `S*`로부터 새로운 토큰 임베딩 `v*`를 학습합니다. 모델의 아웃풋은 디퓨전 모델을 조정하는 데 사용되며, 디퓨전 모델이 단 몇 개의 예제 이미지에서 신속하고 새로운 콘셉트를 이해하는 데 도움을 줍니다.

이를 위해 textual-inversion은 제너레이터 모델과 학습용 이미지의 노이즈 버전을 사용합니다. 제너레이터는 노이즈가 적은 버전의 이미지를 예측하려고 시도하며 토큰 임베딩 `v*`은 제너레이터의 성능에 따라 최적화됩니다. 토큰 임베딩이 새로운 콘셉트를 성공적으로 포착하면 디퓨전 모델에 더 유용한 정보를 제공하고 노이즈가 적은 더 선명한 이미지를 생성하는 데 도움이 됩니다. 이러한 최적화 프로세스는 일반적으로 다양한 프롬프트와 이미지에 수천 번에 노출됨으로써 이루어집니다.

