AIGC视频生成模型:Meta的Emu Video模型
大家好,这里是好评笔记,公主号:Goodnote,专栏文章私信限时Free。本文详细介绍Meta的视频生成模型Emu Video,作为Meta发布的第二款视频生成模型,在视频生成领域发挥关键作用。
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文章目录
- 论文
- 摘要
- 引言
- 相关工作
- 文本到图像(T2I)扩散模型
- 视频生成/预测
- 文本到视频(T2V)生成
- 分解生成
- 方法
- 预备知识
- Emu Video
- 生成步骤
- 图像条件
- 模型结构
- 零终端信噪比 噪声调度
- 插值模型
- 实现简单性
- 稳健的人类评估(JUICE)
- 实现细节
- 架构与初始化
- 高效的多阶段多分辨率训练
- 高质量微调
- 插值模型
- 实验
- 伦理问题
论文
项目:https://emu-video.metademolab.com/assets/emu_video
论文:https://arxiv.org/pdf/2311.10709
摘要
本文提出Emu Video,这是一种文本到视频生成模型,将生成过程分解为两个步骤:
- 先根据文本生成图像;
- 再基于文本
和
生成的图像生成视频。
该模型在性能上超越了RunwayML的Gen2和Pika Labs等商业解决方案。
引言
T2I模型在大规模的图像文本对上训练,已经很成功了,可使用视频文本对进一步拓展文本到视频(T2V)生成,但视频生成在质量和多样性方面仍落后于图像生成。原因在于:
- 需要对更高维度的时空输出空间进行建模,且仅以文本提示作为条件;
- 视频文本数据集通常比图像文本数据集小一个数量级。
当前视频生成的主流范式是使用扩散模型一次性生成所有视频帧。而不是NLP中的自回归问题不同,自回归方法在视频生成中具有挑战性,因为从扩散模型生成单个帧就需要多次迭代。
Emu Video通过显式的中间图像生成步骤,将文本到视频生成分解为两个子问题:
- 根据输入文本提示生成图像;
- 基于图像和文本的强条件生成视频。
直观地说,给模型一个起始图像和文本会使视频生成更容易,因为模型只需要预测图像未来的演变。
由于视频文本数据集远小于图像文本数据集,使用预训练的文本到图像(T2I)模型初始化T2V模型,并冻结其权重。在推理时,这种分解方法能显式生成图像,从而保留T2I模型的视觉多样性、风格和质量。
Emu Video证明了将文本到视频(T2V)生成过程分解为:先生成图像,再用生成的图像和文本生成视频。可以大幅提高生成质量。
到此,作者确定了他们的关键设计决策 —— 改变扩散噪声调度和采用多阶段训练,从而能够绕过先前工作中对深度级联模型的需求,高效生成 512 像素高分辨率的视频。该模型也可以根据用户提供的图像和文本提示生成视频。
相关工作
文本到图像(T2I)扩散模型
相比于先前的生成对抗网络(GAN)或自回归方法,扩散模型是文本到图像生成的前沿方法,通过加噪声和预测加入的噪声并去除来学习数据分布,生成输出。
扩散模型去噪可以在像素空间使用,也可以在低维潜在空间使用,本文采用潜在扩散模型进行视频生成
。
视频生成/预测
许多先前工作,如掩码预测、LSTMs、GANs 等通常在有限的领域中进行训练和评估。它们适用的场景较为狭窄,可能只在特定类型的视频数据、特定的任务要求或特定的应用场景中表现良好。
本文的研究中,目标是开放集的文本到视频(T2V)生成
。开放集意味着处理的数据和任务场景更为广泛和多样,没有预先设定的严格限制,这与之前这些方法所适用的有限领域形成对比。
文本到视频(T2V)生成
多数先前工作通过利用T2I模型来解决T2V生成问题:
- 采用无训练方法,通过在T2I模型中注入运动信息进行零样本T2V生成;
- 通过微调T2I模型实现单样本T2V生成。
这些方法生成的视频质量和多样性有限。
也有许多工作通过向T2I模型引入时间参数,学习从文本条件到生成视频的直接映射,来改进T2V生成。如
- Make-A-Video利用预训练的T2I模型和先验网络,在无配对视频文本数据的情况下训练T2V生成;
- Imagen Video基于Imagen T2I模型构建级联扩散模型。
为解决高维时空空间建模的挑战,部分工作在低维潜在空间训练T2V扩散模型,但这些方法学习从文本到高维视频空间的直接映射具有挑战性。
本文则 采用分解方法来增强条件信号
。
分解生成
与Emu Video在分解方面最相似的工作是CogVideo和Make-A-Video:
- CogVideo基于预训练的T2I模型,使用自回归Transformer进行T2V生成,其自回归性质在训练和推理阶段与Emu Video的显式图像条件有根本区别。
- Make-A-Video 利用从共享图像文本空间中学习到的图像嵌入作为条件。,
Emu Video直接利用第一帧作为条件,条件更强
。
此外,Make-A-Video从预训练的T2I模型初始化,但对所有参数进行微调,无法像Emu Video那样保留T2I模型的视觉质量和多样性。Stable Video Diffusion是一项与Emu Video同时期的工作,也引入了类似的分解方法进行T2V生成。
Make-A-Video是Meta于2022年发布的模型/论文中:MAKE-A-VIDEO: TEXT-TO-VIDEO GENERATION WITHOUT TEXT-VIDEO DATA
CogVideo是国产的视频生成模型,之前清华大学和智谱AI一起研发了CogView文本生成图像模型,CogVideo由清华大学发布的论文:CogVideo: Large-scale Pretraining for Text-to-Video Generation via Transformers
方法
文本到视频(T2V)生成的目标:构建一个模型,该模型以文本提示 P 作为输入,生成由 T 个 RGB 帧组成的视频 V。
近期的一些模型仅使用文本作为条件,一次性直接生成 T 个视频帧。作者在本论文中认为:
通过文本和图像共同提供更强的条件能够提升视频生成效果
(验证参见 3.2 节 )。
预备知识
条件扩散模型是一类生成模型,通过迭代对高斯噪声去噪,根据条件输入c生成输出。
在训练时:
- 将时间步 t ∈ [ 0 , N ] t \in[0, N] t∈[0,N]相关的高斯噪声 ϵ t ∼ N ( 0 , 1 ) \epsilon_{t} \sim N(0, 1) ϵt∼N(0,1)添加到原始输入信号X上,得到有噪输入 X t = α t X + 1 − α t ϵ t X_{t}=\alpha_{t} X+\sqrt{1-\alpha_{t}} \epsilon_{t} Xt=αtX+1−αtϵt,其中 α t \alpha_{t} αt定义 “噪声调度”,N是扩散步骤总数。
- 扩散模型通过预测噪声 ϵ t \epsilon_{t} ϵt、 x x x或 v t = α t ϵ t − 1 − α t X v_{t}=\alpha_{t} \epsilon_{t}-\sqrt{1-\alpha_{t}} X vt=αtϵt−1−αtX来对 x t x_{t} xt进行去噪。时间步t的信噪比(SNR)为 ( α t 1 − α t ) 2 (\frac{\alpha_{t}}{1-\alpha_{t}})^{2} (1−αtαt)2,并随着 t → N t \to N t→N而降低。
在推理时:
- 从纯噪声/高斯噪声 X N ∼ N ( 0 , 1 ) X_{N} \sim N(0, 1) XN∼N(0,1)开始去噪生成样本。
对 x t x_{t} xt去噪的三种预测方式:
- 预测 ϵ t \epsilon_{t} ϵt(
常用
):- ϵ t \epsilon_{t} ϵt是在时间步 t t t添加到原始输入信号 X X X的高斯噪声 ϵ t ∼ N ( 0 , 1 ) \epsilon_{t}\sim N(0, 1) ϵt∼N(0,1)。如果模型能够准确预测出这个噪声,那么就可以从含噪输入 X t = α t X + 1 − α t ϵ t X_{t}=\alpha_{t}X +\sqrt{1-\alpha_{t}}\epsilon_{t} Xt=αtX+1−αtϵt中减去预测的噪声,从而达到去噪的目的。
- 预测 x x x:
- 这里的 x x x是指原始输入信号 X X X。模型直接预测原始信号本身,在得到预测的原始信号 X ^ \hat{X} X^后,就可以将含噪输入 X t X_{t} Xt中的噪声部分去除。在实际操作中,直接预测原始信号可能会比较复杂,因为模型需要学习从含噪信号中还原出原始信号的复杂映射关系。
- 预测 v t v_{t} vt:
- v t = α t ϵ t − 1 − α t X v_{t}=\alpha_{t}\epsilon_{t}-\sqrt{1 - \alpha_{t}}X vt=αtϵt−1−αtX是一种组合了噪声 ϵ t \epsilon_{t} ϵt和原始信号 X X X的形式。当模型预测出 v t v_{t} vt为 v ^ t \hat{v}_{t} v^t时,可以通过一定的数学变换来去除噪声,恢复原始信号。这种方式综合考虑了噪声和原始信号之间的关系,也是一种有效的去噪策略。
Emu Video
图3描述了分解的文本 - 视频生成过程。
- 首先根据文本 p p p生成图像 I I I;
- 然后使用更强的条件,即生成的图像和文本来生成视频 V V V。
为了使我们的模型 F \mathcal{F} F以图像为条件,我们在时间维度上对图像进行零填充,并将其与一个二进制掩码连接起来,该掩码指示哪些帧是零填充的【类似Trandformer的填充遮蔽(Padding Masking)与未来遮蔽(Future Masking)】,以及含噪输入。
生成步骤
将文本到视频生成分解为两个步骤:
- 首先,根据文本提示 p p p 生成第一帧(图像);
- 然后,利用文本提示 p p p 和图像条件【下面会介绍图像条件怎么来的】生成T帧视频。
这两个步骤均使用潜在扩散模型 F \mathcal{F} F实现,使用预训练的文本到图像模型初始化 F \mathcal{F} F,确保其在初始化时能够生成图像。
只需训练 F \mathcal{F} F解决第二步,即根据文本提示和起始帧/图像推出视频。使用视频文本对训练 F \mathcal{F} F,通过采样起始帧/图像 I I I,让模型根据文本提示 P P P和图像 I I I条件预测 T T T帧( T T T帧会被独立地添加噪声,以生成含噪输入 x t x_{t} xt,而扩散模型的训练目标就是对这个含噪输入进行去噪)。
首先通过逐帧应用图像自动编码器的编码器将视频 v v v转换到潜在空间 X ∈ R T × C × H × W X \in \mathbb{R}^{T×C×H×W} X∈RT×C×H×W,这会降低空间维度。潜在空间中的数据可以通过自动编码器的解码器转换回像素空间。
图像条件
通过将起始帧 I I I与噪声拼接(如上图的concatenate),为模型提供条件。将 I I I表示为单帧视频( T = 1 T=1 T=1),并对其进行零填充,得到 T × C × H × W T ×C ×H ×W T×C×H×W张量,同时使用形状为 T × 1 × H × W T ×1 ×H ×W T×1×H×W的二进制掩码m,在第一时间位置设置为1表示起始帧位置,其他位置为0。将掩码m、起始帧I和有噪视频 x t x_{t} xt按通道连接作为模型输入。
与 Make-a-video等模型中基于语义嵌入设定条件的方法不同,Emu Video 的拼接的方式能让模型利用起始帧 I 的全部信息。基于语义嵌入的方法会在条件设定时丢失部分图像信息,而 Emu Video 的设计避免了这一问题,为生成高质量视频提供了更多有效信息。
掩码 m 用于标记起始帧在序列中的位置,帮助模型识别起始帧,对后续视频生成过程进行更精准的指导。
模型结构
使用预训练的T2I模型Emu初始化潜在扩散模型 F \mathcal{F} F,并添加新的可学习时间参数:
- 在每个空间卷积层之后添加一维时间卷积层;
- 在每个空间注意力层之后添加一维时间注意力层 ;
- 原始的空间卷积层和注意力层保持冻结状态。
在Runway的Gen-1中的时空潜在扩散中也使用了可学习时间参数:
- 在每个残差块中的每个 2D 空间卷积之后引入一个1D 时间卷积。
- 在每个空间 2D 空间注意力块后引入一个时间1D 时间注意力块。
预训练的 T2I 模型以文本作为条件,与上一节的图像条件相结合后,模型 F \mathcal{F} F 同时以文本和图像作为条件。
Emu是Meta发布的一款T2I模型,论文为:Emu: Enhancing Image Generation Models Using Photogenic Needles in a Haystack
零终端信噪比 噪声调度
作者发现,先前工作(Emu和SD模型)中使用的扩散噪声调度存在训练 - 测试差异,这会阻碍高质量视频的生成。
在训练过程中,该噪声调度会留下一些残留信号,也就是说,即使在扩散的终端时间步N,信噪比(SNR)仍不为零。当我们从不含真实数据信号的随机高斯噪声中采样时,这会导致扩散模型在测试时无法很好地泛化。由于高分辨率视频帧在空间和时间上存在冗余像素,其残留信号更为明显。
作者通过缩放噪声调度并将最终的 α N = 0 \alpha_N = 0 αN=0来解决这个问题,这使得在训练过程中的时间步为N时(扩散过程的最后一个阶段),信噪比也为零。我们发现这个设计决策对于高分辨率视频的生成至关重要。
这个问题和缩放噪声调度方法并非本文首创,在之前的:Common diffusion noise schedules and sample steps are flawed也发现了这个问题。【来源于字节跳动】
插值模型
使用与 F \mathcal{F} F结构相同的插值模型 I I I,将低帧率的 T T T帧视频转换为高帧率的 T p T_{p} Tp帧视频。 输入的 T T T帧通过零交错生成 T p T_{p} Tp帧,并将指示 T T T帧存在的二进制掩码m连接到有噪输入。为提高效率,从 F \mathcal{F} F初始化 I I I,并仅针对插值任务训练 I I I的时间参数。
将低帧率的 T T T帧视频转换为高帧率的 T p T_p Tp帧,能提升视频流畅度与视觉效果,适应多样化应用场景,增强模型竞争力,为用户带来更好体验。
实现简单性
Emu Video在实现方面的简单且高效:
- 训练数据与模型结构简单
- 标准数据集训练:Emu Video采用标准视频文本数据集进行训练,这意味着其训练数据来源广泛且具有通用性,不需要特殊定制的数据集,降低了数据准备的难度和成本。
- 无需深度级联模型:在生成高分辨率视频时,Emu Video不需要像某些其他方法(如Imagen Video中使用7个模型的深度级联结构)那样复杂的模型架构,简化了模型构建和训练流程。
- 推理过程
- 图像与视频生成:推理时,先运行去除时间层的模型F根据文本提示生成图像I,再将I和文本提示作为输入,通过F直接生成高分辨率的T帧视频,这种推理方式简洁高效。
- 帧率提升:借助插值模型I可提高视频帧率,进一步增强视频的视觉效果,且这一操作融入到了整体的推理流程中。
- 模型初始化与风格保留
- 初始化策略:空间层从预训练的T2I模型初始化并保持冻结,这样可以利用T2I模型在大规模图像文本数据集上学习到的概念和风格多样性。
- 风格保留优势:相比Imagen Video需要在图像和视频数据上联合微调以维持风格,Emu Video不需要额外的训练成本就能保留并运用这些风格来生成图像I。许多直接的T2V方法,如Make-a-video,虽然也从预训练T2I模型初始化并冻结空间层,但由于没有采用基于图像的分解方法,无法像Emu Video一样保留T2I模型的质量和多样性 。
稳健的人类评估(JUICE)
由于自动评估指标不能反映质量的提升,主要使用人类评估来衡量T2V生成性能,从视频生成质量(Quality,Q)和生成视频与文本提示的对齐或 “保真度”(Faithfulness,F)两个正交方面进行评估。提出JUICE评估方案,要求评估者在成对比较视频生成结果时说明选择理由,显著提高了标注者之间的一致性。评估者可选择像素清晰度、运动平滑度、可识别对象/场景、帧一致性和运动量等理由来评价视频质量;使用空间文本对齐和时间文本对齐来评价保真度。
实现细节
附录第 1 节提供完整的实现细节,详细内容可以参考附录第 1 节,这里只介绍关键细节。
架构与初始化
采用Emu中的文本到图像 U-Net 架构构建模型,并使用预训练模型初始化所有空间参数。
预训练模型使用一个 8 通道、64×64 的潜在向量,经自动编码器在空间上进行 8 倍下采样,生成 512px 的方形图像。
该模型同时使用一个冻结的 T5-XL 和一个冻结的 CLIP 文本编码器从文本提示中提取特征。
高效的多阶段多分辨率训练
为降低计算复杂度,分两个阶段进行训练。
- 先在低分辨率下,训练更简单的任务,即生成256px、8fps、1s的视频。
- 然后在期望的高分辨率下训练,对4fps、2s的视频进行15K次迭代训练。
a. 使用同SD一样的噪声调度进行256px训练。
b. 在512px训练中使用零终端信噪比噪声调度,扩散训练步数 N = 1000 N = 1000 N=1000
c. 使用DDIM采样器进行采样,采样步数为250步。
SD中的噪声调度是:线性调度。
SD 系列文章参考:Stable Diffusion
高质量微调
通过在一小部分高运动和高质量视频上微调模型,可改善生成视频的运动效果。从训练集中自动识别出1600个具有高运动(根据H.264编码视频中存储的运动信号计算)的视频作为微调子集,并根据美学分数和视频文本与第一帧的CLIP相似度进行筛选。
插值模型
插值模型I从视频模型F初始化,输入8帧,输出 T p = 37 T_{p} = 37 Tp=37帧,帧率为16fps。在训练时使用噪声增强,在推理时对F的样本进行噪声增强。
实验
参照论文原文
伦理问题
参照论文原文
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目录 简介 FastExcel的特点 FastExcel使用方法详解 创建实体类和监听器 实现写入和读取功能 Excel转换为PDF 小结 FastExcel与EasyExcel的区别 结论 简介 FastExcel是由原EasyExcel作者在阿里巴巴宣布停止维护EasyExcel之后推出的升级版框架。它继承了EasyExcel的所有…...
Linux静态库与动态库的理解
Linux静态库与动态库的理解 一、静态库如何创建和使用静态库 二、动态库如何创建和使用动态库 三、静态库与动态库的关键区别四、总结 在 Linux 编程中,静态库和动态库是非常重要的概念 一、静态库 静态库是将多个目标文件(.o 文件)打包成一…...
mongoose 支持https踩坑纪实
简述 mongoose是C编写的嵌入式web服务,它能够支持https协议,可以简单的部署,但要做到完美部署,不是那么容易。 部署方法 本人使用的是最新的7.16版,以前版本似乎是要通过修改 头文件中的 MG_ENABLE_SSL 宏定义&…...
人工智能之数学基础:线性表达和线性组合
本文重点 线性表达和线性组合作为线性代数的核心概念,不仅深刻揭示了向量空间的基本性质,也为解决复杂问题提供了直观而有效的方法。 向量组 要想学习线性表达和线性组合,先来理解向量组。在线性代数中,向量组是指由若干个向量构成的集合。这些向量可以是二维的、三维的…...
uniapp——App 监听下载文件状态,打开文件(三)
5 实现下载文件并打开 这里演示,导出Excel 表格 文章目录 5 实现下载文件并打开DEMO监听下载进度效果图为什么 totalSize 一直为0? 相关Api: downloader DEMO 提示: 请求方式支持:GET、POST;POST 方式需要…...
Microsoft SQL Serve的下载与安装
1.访问Microsoft SQL Serve官网 SQL Server 下载 | Microsoft开始使用 Microsoft SQL Server 下载。选择最符合你的数据和工作负载需求的 SQL Server 试用版、版本、工具或连接器。[这里是图片001]https://www.microsoft.com/zh-cn/sql-server/sql-server-downloads 2.下载SQL…...
JMeter 测试Dubbo 接口
在使用 JMeter 进行 Dubbo 接口的测试时,JMeter 本身并没有直接支持 Dubbo 协议(基于 RPC)的插件。但是,我们可以通过以下几种方式来测试 Dubbo 接口: 1. 使用 JMeter 的 Java 请求(JDBC 请求)…...
Java 日志技术、Logback日志框架、日志级别
一. 日志 1. 日志:程序中的日志,通常就是一个文件,里面记录的是程序运行过程中的各种信息。 二. 日志技术 1. 日志技术:可以将系统执行的信息,方便的记录到指定的位置(控制台、文件中、数据库中) 2. 可以随时以开关的…...
美妆系列圣罗兰气垫粉色与黑色有什么区别?
在美妆界,圣罗兰的气垫一直备受青睐,而其中粉色款和黑色款更是有着各自的特点,存在不少区别呢。 从外观设计来看,粉色款整体给人一种温柔、甜美的感觉,外壳颜色清新,很容易击中少女心,携带在身边…...
HTML中的`<!DOCTYPE html>`是什么意思?
诸神缄默不语-个人CSDN博文目录 在学习HTML时,我们经常会看到HTML文档的开头出现<!DOCTYPE html>,它是HTML文件的第一行。很多初学者可能会疑惑,为什么需要这行代码?它到底有什么作用呢?在这篇文章中࿰…...
Sudo命令的配置及使用
概念 sudo 命令是 Linux 系统中一个非常重要的工具,它允许普通用户以超级用户(通常是 root)或其他用户的身份执行命令。从概念上来说,在普通用户在权限不够的时候,通过 sudo 命令 “摇人”,这个 “人” 就是…...
【HarmonyOS NEXT】鸿蒙三方应用跳转到系统浏览器
【HarmonyOS NEXT】鸿蒙三方应用跳转到系统浏览器 一、前言: 从三方应用跳转到系统浏览器是比较常见的功能。 拓展应用功能边界: 三方应用的功能通常相对聚焦和特定,无法涵盖用户可能需要的所有网络浏览需求。跳转到系统浏览器能让用户访问…...
电梯系统的UML文档06
系统传感器 系统值是用于控制系统的。在类图中系统传感器用一个箭头和系统控制对象连接。 类图中的系统传感器包括AtFloor、电梯呼叫器、关门、开门、门反转、楼层呼叫器和驱动(AtFloor,CarCall,DoorClosed,DoorOpen,…...