国内の大学がSoraのようなモデルVDTを構築、ユニバーサルビデオ拡散トランスがICLR 2024に採択

2 月 16 日の OpenAI Sora のリリースは、間違いなくビデオ生成分野における大きな進歩を示します。 Sora は、市場で主流の手法 (2D Stable Diffusion によって拡張) とは異なる拡散トランスフォーマー アーキテクチャに基づいています。

Sora が拡散トランスの使用にこだわる理由は、ICLR 2024 で公開された論文 (VDT: マスク モデリングによる汎用ビデオ拡散トランス) からわかります。同時に2つ。

この研究は、中国人民大学の研究チームが主導し、カリフォルニア大学バークレー校、香港大学などと協力して行われました。 2023 年 5 月に arXiv Web サイトで公開されます。研究チームは、Transformer - Video Diffusion Transformer (VDT) に基づく統合ビデオ生成フレームワーク を提案し、Transformer アーキテクチャを採用する理由について詳しく説明しました。

• #論文タイトル: VDT: マスク モデリングによる汎用ビデオ拡散トランス
• 記事アドレス: Openreview: https://openreview.net/pdf?id=Un0rgm9f04
• arXiv アドレス: https://arxiv.org/abs/2305.13311
• プロジェクトアドレス: VDT: マスクモデリングによる汎用ビデオ拡散トランスフォーマー
• コードアドレス: https://github.com/RERV/VDT
  # ＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃1. VDT の優位性と革新

研究者らは、ビデオ生成分野における Transformer アーキテクチャを使用した VDT モデルの優位性は次の点に反映されていると述べています。

主に画像用に設計された U-Net とは異なり、Transformer は、強力なトークン化とアテンション メカニズムを使用して、長期的または不規則な時間的依存関係をキャプチャできます。時間次元をより適切に処理するためのプロパティ。

モデルが世界の知識 (時空関係や物理法則など) を学習 (または記憶) した場合にのみ、現実世界と一致するビデオを生成できます。したがって、モデルの能力がビデオの普及の重要な要素になります。 Transformer は拡張性が高いことが証明されています。たとえば、PaLM モデルには最大 540B のパラメータがありますが、当時の最大の 2D U-Net モデル サイズはわずか 2.6B パラメータ (SDXL) でした。そのため、Transformer は 3D U よりも適しています。 -Net.ビデオ生成の課題。

• ビデオ生成の分野には、無条件生成、ビデオ予測、補間、テキストから画像への生成などの複数のタスクが含まれます。これまでの研究は単一のタスクに焦点を当てていることが多く、下流のタスクを微調整するための特殊なモジュールの導入が必要になることがよくありました。さらに、これらのタスクには、フレームやモダリティによって異なる可能性があるさまざまな条件付き情報が含まれるため、さまざまな入力長やモダリティを処理できる強力なアーキテクチャが必要です。 Transformer の導入により、これらのタスクを統合できます。
#VDT の革新には主に次の側面が含まれます。

Transformer テクノロジーを拡散ベースのビデオ生成に適用する

は、ビデオ生成の分野における Transformer の大きな可能性を示しています

。 VDT の利点は、優れた時間依存キャプチャ機能であり、時間の経過に伴う 3 次元オブジェクトの物理ダイナミクスのシミュレーションなど、時間的にコヒーレントなビデオ フレームの生成を可能にします。

• #VDT によるさまざまなビデオ生成タスクの処理を可能にし、技術の広範な適用を実現する、統合時空間マスク モデリング マシンを提案します# ＃＃。単純なトークン空間スプライシングなどの VDT の柔軟な条件付き情報処理方法は、さまざまな長さや形式の情報を効果的に統合します。同時に、本研究で提案した時空間マスクモデリング機構と組み合わせることで、VDTはモデル構造を変更することなく無条件生成、映像後続フレーム予測、フレーム補間、画像生成に適用できる汎用的な映像普及ツールとなった。 . ビデオやビデオ画面の完成など、さまざまなビデオ生成タスク。
#2. VDT のネットワーク アーキテクチャの詳細な解釈
• VDT フレームワークは Sora のフレームワークに非常に似ており、次の部分で構成されています:

  
  

  入出力機能。 VDT の目標は、サイズ H×W のビデオの F フレームで構成される F×H×W×3 ビデオ セグメントを生成することです。ただし、生のピクセルが VDT への入力として使用される場合、特に F が大きい場合、計算が非常に複雑になります。この問題を解決するために、VDT は潜在拡散モデル (LDM) にヒントを得て、事前トレーニングされた VAE トークナイザーを使用してビデオを潜在空間に投影します。入力と出力の潜在特徴/ノイズのベクトル次元を F×H/8×W/8×C に削減することで、VDT のトレーニングと推論の速度が向上します。ここで、F フレームの潜在特徴のサイズは H/8×W です。 /8 .ここで、8 は VAE トークナイザーのダウンサンプリング レートであり、C は潜在的な特徴の次元を表します。

  
  

  線形埋め込み。 Vision Transformer アプローチに従って、VDT は潜在ビデオ特徴表現をサイズ N×N の重複しないパッチに分割します。

  
  

  時空変換ブロック。ビデオ モデリングにおける時空間的自己注意の成功に触発され、VDT は時間的次元モデリング機能を取得するために、時間的注意レイヤーをトランスフォーマー ブロックに挿入しました。具体的には、各トランスフォーマー ブロックは、上の図に示すように、マルチヘッドの時間的アテンション、マルチヘッドの空間的アテンション、および完全に接続されたフィードフォワード ネットワークで構成されます。

  
  

  Sora が公開した最新の技術レポートを比較すると、実装の詳細において VDT と Sora の間にはいくつかの微妙な違いがあるだけであることがわかります。

  
  まず、VDT はアテンション メカニズムを空間次元と時間次元で別々に処理する手法を採用していますが、Sora は時間次元と空間次元を統合し、単一のアテンション メカニズムを使用します。それを処理するために。この注意の分離アプローチはビデオ分野では非常に一般的になっており、ビデオ メモリの制約下での妥協の選択肢として見られることがよくあります。 VDT は、コンピューティング リソースが限られているため、分割注意を使用することを選択します。 Sora の強力なビデオ ダイナミック機能は、空間と時間の全体的な注意メカニズムから来ている可能性があります。

  
  #第二に、VDT とは異なり、Sora はテキスト条件の融合も考慮しています。また、Transformer (DiT など) に基づいたテキスト条件付き融合に関する以前の研究もあります。Sora はそのモジュールにクロスアテンション メカニズムをさらに追加する可能性があると推測されています。もちろん、条件付き入力の形式としてテキストとノイズを直接接続することもできます。という可能性も潜在的にあります。

  
  VDT の研究プロセス中に、

  研究者は、一般的に使用されている基本バックボーン ネットワークである U-Net を Transformer

  に置き換えました。これにより、ビデオ拡散タスクにおける Transformer の有効性が検証され、拡張が容易で継続性が向上するという利点が示されただけでなく、その潜在的な価値についてさらに深く考えるきっかけにもなりました。

  
  GPT モデルの成功と自己回帰 (AR) モデルの普及により、研究者はビデオ生成の分野での Transformer のより深い応用を模索し始めました。視覚的知性を実現する新しい方法を提供できるかどうかを検討してください。ビデオ生成の分野には、ビデオ予測という密接に関連したタスクがあります。視覚的知性への道として次のビデオ フレームを予測するというアイデアは単純に見えるかもしれませんが、実際には多くの研究者の間で共通の懸念事項です。

  
  この考察に基づいて、研究者はビデオ予測タスクにモデルをさらに適応させ、最適化したいと考えています。ビデオ予測タスクは、条件付き生成とみなすこともできます。指定された条件付きフレームはビデオの最初の数フレームです。 VDT では主に次の 3 つの条件生成方法が考慮されます。

  アダプティブ レイヤーの正規化。ビデオ予測を達成する簡単な方法は、時間情報を拡散プロセスに統合する方法と同様に、条件付きフレームの特徴を VDT ブロックのレイヤー正規化に統合することです。

  
  

  クロスアテンション。研究者らは、ビデオ予測スキームとしてクロスアテンションを使用することも検討しています。このスキームでは、条件付きフレームがキーと値として使用され、ノイズ フレームがクエリとして使用されます。これにより、条件付き情報とノイズ フレームの融合が可能になります。クロスアテンション層に入る前に、VAE トークナイザーを使用して条件付きフレームの特徴を抽出し、パッチを適用します。一方、VDT が条件付きフレーム内の対応する情報を学習できるように、空間的および時間的位置の埋め込みも追加されています。

  
  

  トークンのスプライシング。 VDT モデルは純粋な Transformer アーキテクチャを採用しているため、条件付きフレームを入力トークンとして直接使用することは、VDT にとってより直観的な方法です。これは、条件付きフレーム (潜在的な特徴) とノイズ フレームをトークン レベルで連結することで実現され、VDT に供給されます。次に、図 3 (b) に示すように、VDT の出力フレーム シーケンスを分割し、予測フレームを拡散処理に使用しました。研究者らは、このスキームが最初の 2 つの方法と比較して最速の収束速度を示し、最終結果で優れたパフォーマンスを提供することを発見しました。さらに研究者らは、トレーニング中に固定長の条件付きフレームが使用された場合でも、VDT は入力および出力の一貫した予測特徴として任意の長さの条件付きフレームを受け入れることができることを発見しました。

  
  

  VDT のフレームワークでは、ビデオ予測タスクを達成するためにネットワーク構造に変更を加える必要はなく、モデルの入力のみが必要です。変えられること。この発見は直観的な疑問につながります: このスケーラビリティをさらに活用して、追加のモジュールやパラメータを導入することなく、VDT をより多様なビデオ生成タスク (画像生成ビデオなど) に拡張できないか 。

  
  

  無条件生成とビデオ予測における VDT の機能を確認すると、唯一の違いは入力特徴のタイプにあります。具体的には、入力は純粋にノイズを含む潜在フィーチャ、または条件付き潜在フィーチャとノイズを含む潜在フィーチャの連結である可能性があります。次に、研究者は、以下の図 4 に示すように、条件付き入力を統合するために統合時空間マスク モデリングを導入しました。 VDT の性能評価

  

  上記の方法により、VDT モデルは無条件のビデオ生成とビデオ予測タスクをシームレスに処理できるだけでなく、入力機能を調整するだけで、ビデオフレーム補間などの幅広いビデオ生成分野に拡張できます。この柔軟性と拡張性の実施形態は、ＶＤＴフレームワークの強力な可能性を実証し、将来のビデオ生成技術に新たな方向性と可能性を提供する。

  
  

  興味深いことに、OpenAI は、テキストからビデオへの変換に加えて、画像ベースの生成、前後のビデオ予測、さまざまなビデオ クリップなど、Sora の他の驚くべきタスクも実証しました。融合の例は、研究者が提案した統合時空間マスク モデリングによってサポートされる下流タスクと非常によく似ており、同時に kaiming の MAE も参考文献に引用されています。したがって、ソラの最下層もMAEのような訓練方法を使用していると推測されます。

  

  #研究者らは、生成モデル VDT による単純な物理法則のシミュレーションも調査しました。彼らは Physion データセットで実験を実施しました。この実験では、VDT は最初の 8 フレームを条件付きフレームとして使用し、次の 8 フレームを予測します。最初の例 (上の 2 行) と 3 番目の例 (下の 2 行) では、VDT は、放物線の軌道に沿って移動するボールと、平面上を転がって円柱に衝突するボールを含む物理プロセスをうまくシミュレートしています。 2 番目の例 (中央の 2 行) では、ボールがシリンダーに衝突する前に停止するときに、VDT がボールの速度/運動量をキャプチャします。これは、Transformer アーキテクチャが特定の物理法則を学習できることを証明しています。

  
  

  ^{VDT はネットワーク構造を部分的に除去します。モデルのパフォーマンスは GFlops に強く関係しており、モデル構造自体の一部の詳細は大きな影響を与えていないことがわかり、これは DiT の調査結果とも一致しています。}

  
  

  研究者らは、VDT モデルについていくつかの構造アブレーション研究も実施しました。結果は、パッチサイズを減らし、レイヤーの数を増やし、隠しサイズを増やすと、モデルのパフォーマンスをさらに向上できることがわかります。時間的および空間的アテンションの位置とアテンション ヘッドの数は、モデルの結果にほとんど影響を与えません。いくつかの設計上のトレードオフが必要ですが、全体としては、同じ GFlops を維持しながらモデルのパフォーマンスに大きな違いはありません。ただし、GFlops が増加すると結果が向上し、VDT またはトランスフォーマー アーキテクチャの拡張性が実証されます。

  
  

  #VDT のテスト結果は、ビデオ データ生成の処理における Transformer アーキテクチャの有効性と柔軟性を実証しています。コンピューティング リソースの制限により、VDT 実験はいくつかの小規模な学術データセットに対してのみ行われました。私たちは、VDT に基づくビデオ生成技術の新たな方向性と応用をさらに探求するための今後の研究を楽しみにしています。また、中国企業ができるだけ早く国産の Sora モデルを発売することを期待しています。

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