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Mask-LM 生成影片能力趨近完美 with MAGVIT-V2 by Google & CMU Yu et al.

近日(2024/2月中) OpenAI 的 SORA引起大家廣泛的討論與注意，其底層架構來自於DiT (Diffusion Transformer)，但其實這個領域的競爭對手還不少，這次要介紹的這篇，使用Mask-LM的生成方式，可以達到最頂尖的FID/FVD分數，兼顧生成品質與生成速度，讓我們一起來看看Google與卡內基美濃大學Yu同學 (原中國北京大學高材生)團隊針對影片生成領域提出了那些SoTA見解。

生成影片技術的本質就是一種資料壓縮，把影片中的每時每刻，每張瞬間的圖片，經由模型映射成如同文字那樣的Token向量，之後就能用LM語言模型相關的技術，把類似的影片藉由Token的組合，經過反向生成 or Decode出來。神經網路能夠用很廉價的方式抽取黑格爾小邏輯裡面所提到的本質，這本質往往具有空間不變性，時間不變性，概念不變性，可以在不同的觸發條件下，像積木一樣，重新做各種排列組合以組成萬物。讓我們抱著期待的心情，看看MAGVIT架構能為我們帶來哪些驚喜應用潛能與突破。

把影片的片段映射成一維向量的Tokens，後續可以用類似生成文字查字典的方式來生成影像片段。

MAGVIT令人震驚的突破:

許多人很納悶，為何傳統編解碼生成方式會不敵擴散迭代模型，MAGVIT用一系列架構設計，與後續的改良，得到能夠打敗所有擴散模型的生成結果，證明了先前的Tokenizer的Encoder Model理解影像的程度不到位，導致生成結果無法與擴散模型匹敵，於是，論文作者設計了獨特的Mask-LM流程，在改善生成結果的同時，還能多用途使用。

如下圖所示，可以做Frame Prediction (FP)，Frame Interpolation (FI，生成動畫或是遊戲補幀)；Central Outpainting (OPC) / Vertical Outpainting (OPV), Horizontal Outpainting (OPH), Dynamic Outpainting (OPD)可以用於相機防手震，影片後製；Central Inpainting (IPC), Dynamic In painting (IPD) 可以用於影片後製；Class-conditional Generation (CG), Class conditional Frame Prediction (CFP)，可以根據分鏡圖/文字Prompt來生成各種新的動畫。

有了這些工具，一個影片工作者就能搞定原本需要一整個特效/動畫團隊才能做的事情，只要能好好的Leverage這些工具，要成立一人影業/電影/動畫公司，不再是遙不可及的夢想

MAGVIT一推出便驚艷世人，兼具多種生成模式彈性與達成極高的生成效率，火爆整個AI生成圈。

MASK-LM首先會產生一組固定的MASK框架，根據想要生成的任務(初始條件)把輸入影像填入，然後經由COMMIT Masking的步驟，一步一步將原本遮罩中的影像逐漸生成，經過多次迭代，便能完成上述所有應用目標的作業。訓練的時候，會有Scheduler來逐漸放開Mask，這種過程會被Model利用L_mask (Objective loss)學起來，這樣一來在Inference的時候就能夠自動逐步地把影像生成出來，這種手法值得我們的學習。

生成影像需要套用COnditional Masked Modeling by Interior Tokens (COMIT)演算法，如下所示，先針對輸入進行編碼產生z(Latent)，根據S/S*的先驗決定Mask要被替換成Conditional Token / 維持Mask / 維持Tatget Token (輸出結果)，要得到輸出結果，除了原有已經有的輸入Token以外，都要經過MASK -> Condictional Token -> Target Token的過程。temperature T參數在演算法裡面巧妙的控制Condictional Token的迭代次數，Temperature越高，能夠激發模型的創造能力，因為它會基於較多的假設來生成影像結果，總體來看，算法設計得十分巧妙。

COMMIT 算法 Pseudo-code 部分

COMMIT 與傳統生成圖片 MTM生成方式比較

如下圖所示，這種生成Token的方式相對於完全的Auto-regression (AR-LM)方式，比較適合用在生成影片/圖片上面，圖片比文字多了一個維度，無論照哪一種Scan的方式逐步生成，都會導致大量的Auto-Regression損失，反之，藉由學習Mask解開與生成的方式，可以讓相對比較可信的Token先浮出檯面，然後讓其他區塊參考。重點是這整個生成過程，有經過L_mask和L_refine & L_recons 損失函數，共同發揮，進行調整過，整體影片生成的準確度註定會比AR-LM方式還要來得高。

ImageNet 的 Pretrain，後續主要訓練針對三個Loss同時進行收斂，確保能夠學會如何解Mask推測逐步生成。

MAGVIT-V2改良部分:

• LFQ

神奇的無查找量化(Look-up Free Quantization)方法，傳統的VQGAN增加詞彙量以後生成結果反而變差，本篇作者把這些詞彙從d維(d > 0) 降到0維，化成一個整數集合，利用公式的方式來產生Output Quantized Token的每一個維度，驚奇的發現這樣可以獲得大量增加詞彙量的好處，而且還無須查找(大範圍從中找出最貼近的詞彙)。而Token的量化表達也有助於減少Token容量，表達更加泛化，也能和普通文字Token (也是離散)，混在一起使用，完成各種多模態應用在Token表達的大一統。

• Causal-3D CNN

作者用UCF101資料集訓練，實驗各種架構，發現Causal-3D CNN架構表現突出，Transformer對於不同3D Video Tokens之間的關係理解能力，沒有想像中得好。

• Change Downsamplers from average pooling into strided convolutions to leverage learned kernels

Down Sampling通常會先使用average or max pooling，來試驗效果(因為計算量 小)，然後嘗試用strided convolutions，看看效果能否有提升。