你面前有兩張圖片：

一張是桌面上的蘋(píng)果；另一張是人聲鼎沸的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。視覺(jué)上，我們一眼就能感知后一張畫(huà)面信息更多、更復(fù)雜。

有一個(gè)數(shù)字能直接量化這兩張圖的信息多少，它就是信息熵(Information Entropy）。你應(yīng)該已經(jīng)猜到，農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)圖的信息熵遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蘋(píng)果圖。

在圖像世界中，信息熵能衡量畫(huà)面的豐富程度與分布狀態(tài)，直接影響我們的感官體驗(yàn)，也貫穿于AI生成圖像的過(guò)程，決定著AI的創(chuàng)作風(fēng)格。

圖像世界中的信息熵

要弄清這個(gè)數(shù)字的來(lái)歷，得回到 1948 年。信息論之父克勞德·香農(nóng)提出了這個(gè)改變通信世界的概念：信息熵（也稱香農(nóng)熵），它衡量一個(gè)信息源的不確定性。

從數(shù)學(xué)表達(dá)來(lái)看，這個(gè)不確定性等于所有可能結(jié)果的發(fā)生概率與該結(jié)果信息量的加權(quán)平均：

其中，單個(gè)結(jié)果的信息量為：

將兩式結(jié)合，就得到信息熵的標(biāo)準(zhǔn)公式：

由此可見(jiàn)，信息熵由結(jié)果的數(shù)量和概率共同決定，可能性越多、分布越均勻，熵值就越大。

舉個(gè)例子：拋一枚均勻硬幣時(shí)有兩個(gè)等可能結(jié)果，根據(jù)香農(nóng)熵公式，熵就是H=1 bit；擲一枚骰子有6個(gè)等可能結(jié)果，熵便上升為H= log26 ≈2.585 bit；在一本 5萬(wàn)詞的大詞典中隨機(jī)選擇一個(gè)詞，結(jié)果的不確定性大大增加，熵也飆升到H = log250000 ≈15.6 bit。

放到圖像的世界里，道理也完全一樣。

一張圖像可以看作由無(wú)數(shù)個(gè)像素組成，每個(gè)像素值（亮度、顏色）就是一個(gè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)所有結(jié)果的概率分布就能計(jì)算出整張圖的信息熵。像素分布不確定性越高，畫(huà)面越復(fù)雜，信息熵就越高。

比如一大片藍(lán)天，幾乎沒(méi)有顏色變化和細(xì)節(jié)，像素值高度一致，畫(huà)面單調(diào)且可預(yù)測(cè)，熵就很低。

但在一張色彩斑斕、細(xì)節(jié)繁復(fù)的珊瑚礁照片中，像素值覆蓋了大量可能性，包含不同色彩層次、形狀、紋理、光影等，像素的不確定性大大飆升，熵也就更高。

圖像壓縮 ≈ 信息熵的逼近

在圖像壓縮中，信息熵的作用尤其直觀。

壓縮的本質(zhì)就是去除冗余信息，信息熵則告訴你壓縮的極限。

圖像存儲(chǔ)的常用單位是bpp（bits per pixel)，表示一張圖中每個(gè)像素需要多少比特來(lái)存儲(chǔ)。對(duì)無(wú)損壓縮來(lái)說(shuō)，理論上它的最低值會(huì)接近圖像的信息熵。

香農(nóng)源編碼定理告訴我們：最省空間的編碼長(zhǎng)度下限就是信息熵，最多也只會(huì)多 1 bit。比如一張熵為5bpp的灰度圖，那就算用最好的無(wú)損壓縮也只能壓到接近5bpp。

這也是為什么低熵圖像更容易被壓縮。比如藍(lán)色天空，大部分像素完全相同，算法只需記錄同一顏色的重復(fù)次數(shù)，文件就能壓到極小；而在細(xì)節(jié)繁瑣的珊瑚礁圖中，像素差異極大，冗余度低，壓縮空間自然有限。

美學(xué)中的黃金區(qū)間

審美的底層規(guī)律，也能用信息熵來(lái)解釋。

Berlyne的審美復(fù)雜度假說(shuō)指出：我們對(duì)畫(huà)面的喜好程度與畫(huà)面復(fù)雜度呈倒 U 型關(guān)系：圖像信息處在中等復(fù)雜度最受歡迎。

過(guò)于簡(jiǎn)單會(huì)顯得單調(diào)乏味，過(guò)于復(fù)雜又會(huì)讓大腦負(fù)荷過(guò)重。

信息熵恰好量化了這種復(fù)雜度：它衡量了畫(huà)面中像素分布的不確定性。能吸引注意力的作品，往往是熵被調(diào)控得很好的結(jié)果，在單調(diào)與混亂之間找到了一個(gè)合適點(diǎn)。

評(píng)估AI圖像質(zhì)量時(shí)也會(huì)用到信息熵。比如Inception Score用相對(duì)熵來(lái)衡量圖的清晰度和多樣性、基于CLIP的美學(xué)模型里，研究者也會(huì)加上熵相關(guān)的指標(biāo)來(lái)輔助打分。

這種「黃金熵」偏好并不僅限于視覺(jué)，還出現(xiàn)在音樂(lè)、建筑、文學(xué)等領(lǐng)域。從建筑的裝飾密度風(fēng)格，到流行歌曲的旋律變化，人類感官似乎一直在追尋一種信息量剛剛好的美感。

在人類的眼里，信息熵決定了畫(huà)面的復(fù)雜度和觀感；在AI的世界里，它同樣決定著創(chuàng)作的節(jié)奏和風(fēng)格?，F(xiàn)在很流行的AI繪圖，創(chuàng)作過(guò)程其實(shí)就是一場(chǎng)熵空間的探索。

AI生圖中的熵軌跡

直覺(jué)上，你可能覺(jué)得AI畫(huà)畫(huà)是從一張白紙開(kāi)始，但事實(shí)恰好相反。

想象把一滴染料滴進(jìn)水中，顏色會(huì)迅速?gòu)募袪顟B(tài)向四周擴(kuò)散，直到均勻分布，這就是一個(gè)典型的熵增過(guò)程。AI生圖的正向擴(kuò)散過(guò)程與之十分類似。

當(dāng)今主流的AI生圖方法是一類稱為擴(kuò)散模型 (Diffusion Model)的概率生成模型，它的工作思路可以總結(jié)為：先破壞再重建。

擴(kuò)散模型的圖像生成任務(wù)分為兩個(gè)過(guò)程：正向擴(kuò)散和反向擴(kuò)散。

在訓(xùn)練階段，模型進(jìn)行正向擴(kuò)散：把一張清晰的訓(xùn)練圖像逐步加入隨機(jī)噪聲，直到圖像完全變成隨機(jī)噪聲。這一步就是在模擬熵增，就像染料擴(kuò)散的過(guò)程，從有序走向無(wú)序。模型能通過(guò)這個(gè)破壞的過(guò)程學(xué)明白圖像在加噪的每一步會(huì)丟失哪些結(jié)構(gòu)信息。

當(dāng)模型搞懂了這個(gè)，也就擁有了從完全混亂的高熵狀態(tài)里生成全新圖像的本事。于是在生成階段，模型就能夠從隨機(jī)噪聲開(kāi)始，進(jìn)行反向擴(kuò)散，一步步去掉噪聲、恢復(fù)結(jié)構(gòu)，直到得到清晰的成品圖像。

▲ 圖 / Denoising Diffusion Probabilistic Models（Ho et al., 2020）

那么，為啥要先把一張圖弄成雪花噪聲，再讓模型慢慢復(fù)原？

其實(shí)，擴(kuò)散模型「先升熵，再降熵」的策略有三個(gè)很實(shí)在的原因：

1. 讓模型學(xué)會(huì)考慮全局

先升熵相當(dāng)于打亂局部關(guān)系，迫使模型從全局結(jié)構(gòu)入手。如果直接從空白開(kāi)始畫(huà)，模型很容易陷入先畫(huà)局部再拼接的思路，最后拼起來(lái)各種比例失調(diào)。就好比建筑師畫(huà)設(shè)計(jì)圖，也是從整體藍(lán)圖入手去刻畫(huà)細(xì)節(jié)。

2. 任務(wù)拆分，更容易學(xué)

讓 AI一口氣畫(huà)出一幅高清大圖就像讓廚師一次做個(gè)滿漢全席，容易翻車。把生圖任務(wù)分成多次輕微修復(fù)，通過(guò)一步步降噪完成，成功率更高。

3. 隨機(jī)起點(diǎn)，更多驚喜

如果每次都從同一個(gè)空白開(kāi)始，結(jié)果會(huì)很容易千篇一律。但若從隨機(jī)噪聲開(kāi)始，就像雕塑家每次都在不同形狀的石頭上雕刻，同一個(gè)主題能做出不同版本，更能帶來(lái)意外的靈感。

在 AI繪圖中，信息熵還可以理解為畫(huà)面生成過(guò)程里的自由度，影響著畫(huà)面是規(guī)整可控，還是天馬行空。熵高時(shí)，模型在每一步都有更大發(fā)揮空間，結(jié)果更有想象力，但也更不可控；熵低時(shí)，生成會(huì)更穩(wěn)定、更可預(yù)測(cè)。

常見(jiàn)的兩個(gè)「控熵」旋鈕是：

• 噪聲隨機(jī)性（溫度、chaos 等）：隨機(jī)性調(diào)高，自由發(fā)揮的空間更高。

• 提示詞約束力度（CFG 等）：約束強(qiáng)時(shí)，模型會(huì)更緊地貼合提示詞，結(jié)果更接近你的想法；約束弱，模型會(huì)更放飛自我。

以MidJourney為例，chaos參數(shù)就是在調(diào)模型發(fā)揮的自由度。中低chaos時(shí)，效果完全在預(yù)期內(nèi)，高chaos時(shí)模型就開(kāi)始玩抽象了。

這是我用同一指令，賦不同chaos值時(shí)的結(jié)果：

指令：

a bouquet of flowers in a vase

低 chaos（30）：結(jié)果規(guī)整、符合想象，花朵顏色和排列都中規(guī)中矩。

高 chaos（100）：結(jié)果混亂程度高，充滿意外，比如花束被融入華麗金屬器皿，還搭配了裝飾性的小鳥(niǎo)和珠寶，完全跳出了普通花瓶的框架。

這也是為什么，同樣一句提示，有時(shí)AI畫(huà)得嚴(yán)絲合縫，有時(shí)卻能給你完全沒(méi)想到的驚喜，這正是熵的大小在起作用。

指令是如何引導(dǎo)圖像熵的？

指令就像模型在熵空間游走的導(dǎo)航，能大大壓縮不確定性。

比如：當(dāng)你輸入“一場(chǎng)漫步”，到“一只穿著宇航服的貓?jiān)谠虑蛏下健保?提示信息的限定大大縮小了模型的搜索空間，讓生成結(jié)果從無(wú)數(shù)可能性收斂到一個(gè)更明確范圍。

信息論上，這種從無(wú)條件到有條件的收斂就對(duì)應(yīng)熵的減少：條件熵 H(X|Y)小于無(wú)條件熵 H(X)，因?yàn)樘崾驹~ Y 提供了額外信息，大大減少了不必要的隨機(jī)性。

不過(guò)提示詞也不是越詳細(xì)越好。過(guò)于嚴(yán)格的提示會(huì)限制發(fā)揮，可能導(dǎo)致畫(huà)面缺乏新意，過(guò)于寬泛的提示又會(huì)讓熵過(guò)高，缺乏可控性。一個(gè)好的指令既給足指導(dǎo)方向，又保留一定自由度。

從熵到美，機(jī)器的創(chuàng)作本質(zhì)上是一種在混亂中重建秩序的過(guò)程。信息熵就像是機(jī)器創(chuàng)作中尋找平衡的指南針，既能引導(dǎo)生成過(guò)程收斂到清晰的主題，又能保留必要的隨機(jī)性，讓作品擁有出人意料的生命力。

或許，正是這種在無(wú)序中尋秩序的能力，讓機(jī)器的創(chuàng)作與人類的直覺(jué)在某一瞬間產(chǎn)生了共鳴。

end

參考資料：

[1] Shannon Source Coding Theorem. MacKay, D. J. C. (2003). Information Theory, Inference, and Learning Algorithms. Cambridge University Press.

[2] MidJourney Documentation – Chaos Parameter. (2023). https://docs.midjourney.com

[3] Berlyne, D. E. (1970). Novelty, complexity, and hedonic value. Perception & Psychophysics, 8, 279–286. https://doi.org/10.3758/BF03212593

[4] Ho, J., Jain, A., & Abbeel, P. (2020). Denoising Diffusion Probabilistic Models. Advances in Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2020). https://arxiv.org/abs/2006.11239

[5] Inception Score. Salimans, T., Goodfellow, I., Zaremba, W., Cheung, V., Radford, A., & Chen, X. (2016). Improved Techniques for Training GANs. Advances in Neural Information Processing Systems, 29. https://arxiv.org/abs/1606.03498

[6] Radford, A., Kim, J. W., Hallacy, C., et al. (2021). Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision (CLIP). Proceedings of the 38th International Conference on Machine Learning (ICML 2021). https://arxiv.org/abs/2103.00020

來(lái)源：DataCafe

編輯：小咕咕

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