CVPR 2024|讓影像擴散模型生成高質量360度場景,只需要一個語言模型

机器之心發表於2024-06-11
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蔡志鵬博士(https://zhipengcai.github.io/)是美國英特爾研究院的研究員,博士畢業於澳大利亞阿德萊德大學。他的研究興趣包括魯棒視覺感知,持續學習和生成模型等。他的工作已在領域頂級會議雜誌上發表超過15篇。其中5篇文章被選為頂級會議(ECCV18*2,ICCV19,ICLR24,CVPR24)口頭或特邀報告,對魯棒估計計算複雜度的理論證明工作被選為ECCV18 12篇最佳論文之一。

360 度場景生成是計算機視覺的重要任務,主流方法主要可分為兩類,一類利用影像擴散模型分別生成 360 度場景的多個視角。由於影像擴散模型缺乏場景全域性結構的先驗知識,這類方法無法有效生成多樣的 360 度視角,導致場景內主要的目標被多次重複生成,如圖 1 的床和雕塑。

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圖 1. 缺乏場景全域性結構的先驗知識導致一個臥室出現多張床,一個公園出現多個雕塑。

另一類方法將 360 度場景用一張 Equirectangular Image 來表示,並用 GAN 或擴散模型直接生成。由於該表徵的侷限性,這類方法通常無法有效完成 360 度閉環(如圖 2 每張圖片的中間部分),導致 360 度的連線處出現明顯的分界線。同時由於缺少大規模訓練資料,這類方法有時無法生成複合輸入條件的場景。最後,這類方法通常只能接受文字作為輸入。

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圖 2. 現有方法的閉環問題.

為了解決這些問題,來自美國英特爾研究院的 Zhipeng Cai 等人提出了 L-MAGIC(Language Model Assisted Generation of Images with Coherence),透過使用語言模型控制影像擴散模型有效實現高質量、多模態、零樣本泛化的 360 度場景生成。L-MAGIC 的 live demo 已被選為英特爾公司 2024 年的 5 個技術突破之一,在 ISC HPC 2024 上展示。該論文已被 CVPR 2024 接收。

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  • 專案主頁:https://zhipengcai.github.io/MMPano
  • 程式碼:https://github.com/IntelLabs/MMPano
  • 論文地址:https://arxiv.org/pdf/2406.01843
  • Youtube 影片介紹:https://youtu.be/XDMNEzH4-Ec
  • Intel ISC HPC 2024 live demo:https://www.intel.com/content/www/us/en/events/supercomputing.html

方法概覽

如圖 3 所示,L-MAGIC 是一個結合了語言模型及擴散模型的場景生成框架。L-MAGIC 透過自然影像連線各類不同模態的輸入。當輸入不是一張自然影像時,L-MAGIC 使用成熟的條件擴散模型如 ControlNet 從各種模態的輸入(文字,手繪草圖,深度圖等等)生成一張自然影像。

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圖 3.L-MAGIC 流程圖。

在獲得自然影像之後,L-MAGIC 透過 iterative warping and inpainting 來生成 360 度場景的多個視角。在每一個 iteration 中,warping step 將已生成的多視角 warp 到一個新的視角,例項中的黑色部分代表新視角中的缺失畫素。Inpainting step 使用基於擴散的影像 inpainting 模型(Stable Diffusion v2)生成缺失畫素。為了使影像擴散模型能夠生成多樣的全域性場景結構,L-MAGIC 使用語言模型控制擴散模型在每個視角需要生成的場景內容。

除了生成 360 度場景的全景圖,利用深度估計模型,L-MAGIC 還能夠生成包含相機旋轉及平移的沉浸式影片,以及場景的三維點雲。由於無需微調,L-MAGIC 能夠有效地保持語言及擴散模型的泛化性,實現多樣化場景的高質量生成。

L-MAGIC 的核心是使用語言模型全自動地控制擴散模型。如圖 4 所示若使用者未提供場景的文字描述,L-MAGIC 使用視覺語言模型(如 BLIP-2)基於輸入影像獲得場景的整體描述(line 2)。

獲得場景描述後,L-MAGIC 使用如 ChatGPT 的語言模型(開原始碼已支援 ChatGPT-3.5、ChatGPT-4、Llama3),使其根據整體場景描述生成各個視角的描述(line 3),並決定對該場景是否需要防止重複物體的生成(line 5,如樹林裡各個視角都是樹是合理的,但臥室有 5 張床就比較少見,L-MAGIC 利用大語言模型的泛化效能自適應地規避不合理的重複目標)。

由於擴散模型訓練資料的 bias,有時擴散模型的輸出無法完全符合語言模型的 prompt 要求。為了解決該問題,L-MAGIC 再次使用視覺語言模型監督擴散模型的輸出(line 14-18),如果擴散模型的輸出不符合語言模型的要求,L-MAGIC 會重新進行當前視角的生成。

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圖 4. L-MAGIC 演算法。

實驗結果

如圖 5 所示,L-MAGIC 在影像到 360 度場景生成及文字到 360 度場景生成任務中均達到了 SOTA。

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圖 5. 定量實驗。

如圖 6 及圖 7 所示,L-MAGIC 在多樣的輸入及場景下均能夠生成具有多樣化 360 度場景結構的全景圖,並且能夠平滑地完成 360 度閉環。

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圖 6. 影像到 360 度場景生成。

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圖 7. 文字到 360 度場景生成

如圖 8 所示,除了文字及自然影像之外,L-MAGIC 還能夠使用 ControlNet 接受多樣化的輸入,例如深度圖、設計草圖等。

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圖 8. 更多不同模態的輸入。

透過利用成熟的計算機視覺演算法例如深度估計,L-MAGIC 還能夠生成場景的沉浸式影片 (見 presentation video)以及三維點雲(圖 9)。有趣的是,我們能夠清晰地分辨海底場景點雲中魚以及珊瑚的幾何結構。

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圖 9. 三維點雲生成結果。

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