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Lumos-1 生成的示例可視化。Lumos-1 支持文本到圖像、圖像到視頻和文本到視頻任務(wù)

亮點直擊

• MM-RoPE創(chuàng)新：首次在視頻生成中優(yōu)化3D RoPE的頻譜分配與位置縮放，兼顧文本與視頻模態(tài)的兼容性。
• AR-DF訓(xùn)練策略：通過時域管狀掩碼解決幀間信息冗余問題，實現(xiàn)平衡的幀級損失與高質(zhì)量推理。
• 輕量高效架構(gòu)：僅需最小LLM修改，無需外部文本編碼器，以48塊GPU實現(xiàn)對標千億參數(shù)模型的性能。

總結(jié)速覽

視頻生成效果

解決的問題

• 架構(gòu)兼容性：現(xiàn)有自回歸視頻生成模型與標準LLM架構(gòu)不兼容，或依賴外部文本編碼器，或因逐令牌解碼導(dǎo)致高延遲。
• 時空相關(guān)性建模：視頻數(shù)據(jù)具有強時空相關(guān)性，現(xiàn)有方法（如1D RoPE）未能有效建模，且3D RoPE存在頻譜范圍不平衡問題。
• 訓(xùn)練效率與質(zhì)量：視頻幀間空間信息冗余導(dǎo)致幀間損失不平衡，隨機掩碼預(yù)測效率低下，影響生成質(zhì)量。

提出的方案

• Lumos-1模型：基于LLM架構(gòu)的輕量修改，實現(xiàn)高效自回歸視頻生成，無需外部文本編碼器。
• MM-RoPE：改進的3D旋轉(zhuǎn)位置編碼，保留文本RoPE的同時優(yōu)化視頻時空建模，平衡頻譜范圍與模態(tài)位置縮放。
• AR-DF（自回歸離散擴散強制）：通過時域管狀掩碼（temporal tube masking）解決幀間損失不平衡問題，訓(xùn)練與推理策略一致，避免質(zhì)量退化。

應(yīng)用的技術(shù)

• 3D RoPE擴展：將RoPE從1D擴展到3D以建模時空相關(guān)性，診斷頻譜不平衡后提出MM-RoPE。
• 令牌依賴策略：幀內(nèi)雙向依賴+幀間時序因果依賴，貼合視頻數(shù)據(jù)特性。
• 內(nèi)存高效訓(xùn)練：階段式訓(xùn)練與GPU內(nèi)存優(yōu)化技術(shù)，僅用48塊GPU預(yù)訓(xùn)練模型。

達到的效果：

• 性能對標SOTA：在GenEval、VBench-I2V/VBench-T2V基準上媲美EMU3、COSMOS-Video2World和OpenSoraPlan。
• 架構(gòu)統(tǒng)一性：保留LLM架構(gòu)，支持多模態(tài)（文本+視頻）生成與理解。
• 高效生成：通過AR-DF和MM-RoPE提升訓(xùn)練效率與生成質(zhì)量，避免高延遲。

Lumos-1

Lumos-1的設(shè)計理念:首先介紹MM-RoPE，它使LLM能夠更好地感知時空以建模視覺數(shù)據(jù)。接著介紹AR-DF，它實現(xiàn)了有效的訓(xùn)練和推理。最后介紹實現(xiàn)Lumos-1的關(guān)鍵技術(shù)，包括架構(gòu)、內(nèi)存友好技術(shù)等。

通過MM-RoPE注入時空相關(guān)性

3D RoPE的初步探索。首先將3D RoPE引入自回歸視頻生成進行初步探索。由于驗證損失與評估指標強相關(guān)，用它來觀察效果。默認使用交叉熵損失(C-Loss)，遵循標準LLM訓(xùn)練目標。如下圖2所示，比較了原始LLM RoPE與三種方案：

• 方案1將前1/2通道分配給全局位置編碼(即全局序列索引)，后1/2通道以2:3:3比例分配時間、高度和寬度位置。文本標記僅使用前半通道編碼全局位置以保證語言建模能力，視覺標記僅使用后半編碼3D位置；
• 方案2擴展方案1，利用視覺標記前半通道額外編碼全局位置；
• M-RoPE使用視覺標記全部通道編碼3D位置。

下圖3(a)顯示：

• 通過比較原始RoPE與方案1，時空相關(guān)性注入顯著提升模型擬合能力；
• 為視覺標記注入光柵掃描順序位置信息(方案2的全局位置)會降低性能；
• 全通道利用(M-RoPE)優(yōu)于部分通道利用(方案1)。因此，在此生成模型中注入此類先驗具有前景。

剖析3D RoPE及其局限性。盡管3D RoPE實踐有效，但其設(shè)計仍非最優(yōu)。圖3(b)可視化頻率如何分配給時間、高度和寬度維度：時間通道主導(dǎo)高頻段，而高度和寬度通道被分配至近零頻率。對于正弦函數(shù)，相對位置τ(當(dāng)τ≥0)不應(yīng)超過一個周期以避免歧義，因為超過2π弧度會導(dǎo)致函數(shù)模式重復(fù)。超出此范圍，模型無法區(qū)分細粒度位置差異。低索引通道的嵌入旋轉(zhuǎn)速度顯著快于高索引通道(圖3(c))，導(dǎo)致加速混疊和嵌入唯一性喪失；高索引通道旋轉(zhuǎn)過慢，缺乏足夠分辨率建模細微局部變化。此外，高度和寬度雖對稱重要，卻占據(jù)不成比例的小且不同的頻段，削弱其捕捉空間細節(jié)的能力。

MM-RoPE：分布式縮放3D RoPE機制。為優(yōu)雅解決上述限制，本文提出MM-RoPE——分布式3D RoPE機制。相比視覺語言模型廣泛采用的M-RoPE，MM-RoPE核心思想是為所有3D信息在全面頻譜范圍內(nèi)編碼相對位置。如前面圖2(b)所示，MM-RoPE中文本標記的RoPE遵循標準LLM設(shè)計，而視覺標記的RoPE由多個元MM-RoPE組件構(gòu)成。每個元MM-RoPE內(nèi)保持3D信息比例與3D RoPE相同(即2:3:3)，同時最小化總維度以維持分布式設(shè)計。具體而言，我們首先分配時間信息通道，然后對稱交錯高度和寬度通道建模空間信息。首個元MM-RoPE的注意力計算可表述為：

其中每個元MM-RoPE組件包含16個通道；其他組件類似定義，共同構(gòu)成視覺標記的RoPE策略。

此外，對于聯(lián)合處理文本和視覺標記的模型，兩種模態(tài)間的相互作用對確保視覺-語言對齊至關(guān)重要。然而，表示文本或視覺數(shù)據(jù)的位置范圍往往不同。盡管視覺數(shù)據(jù)的潛在分辨率較低（例如448×256×25的視頻經(jīng)過8×8×4壓縮后變?yōu)?6×32×7），當(dāng)代視覺生成系統(tǒng)通常使用極長描述性標題進行訓(xùn)練。為平衡兩種模態(tài)，本文提出縮放3D位置以確保均衡學(xué)習(xí)。具體而言，我們通過乘以壓縮比將潛在3D位置經(jīng)驗性地縮放至RGB空間，如下圖5(a)所示。這一簡單縮放操作從另一角度通過略微加快旋轉(zhuǎn)速度提升了視覺標記的RoPE分辨率。實驗部分證明其有效性，從而表明從RoPE角度平衡兩種模態(tài)的重要性。

然而鑒于視頻的自回歸生成特性，這種縮放可能并非最優(yōu)解。更先進的解決方案留待未來工作。

自回歸離散擴散強制

最樸素的生成范式（即下一標記預(yù)測）存在生成效率低下的問題，使其不適用于自回歸視覺生成。本文采用離散擴散技術(shù)生成視覺內(nèi)容，并結(jié)合時序因果依賴實現(xiàn)時序自回歸生成范式。但由于Lumos-1的自回歸特性，原始隨機掩碼（全局隨機掩碼）或時序獨立掩碼（擴散強制）均會導(dǎo)致顯著的損失不平衡——后期幀的視覺標記往往具有更低損失。由于在充足歷史幀上下文條件下預(yù)測幀的任務(wù)難度遠低于根據(jù)文本提示預(yù)測首幀或根據(jù)首幀預(yù)測第二幀，模型會傾向于優(yōu)化更簡單任務(wù)，導(dǎo)致時序?qū)W習(xí)退化。

實現(xiàn)

架構(gòu)Lumos-1架構(gòu)遵循Llama，默認集成RMSNorm和SwiGLU。為穩(wěn)定訓(xùn)練，本文采用Chameleon的查詢-鍵歸一化(QK-Norm)。模型包含三個規(guī)模（0.5B/1B/3B），架構(gòu)細節(jié)見附錄。注意快速消融研究使用0.5B版本。

標記器為統(tǒng)一視覺與文本標記處理，采用Cosmos標記器的離散版本，實現(xiàn)8×8×4的時空壓縮率。文本標記保留Chameleon的文本標記器。因此Lumos-1總碼本大小為129,536（65,536文本標記+64,000視覺標記）。

序列格式化視覺標記與文本標記在序列中間隔排列，文本標記指定元數(shù)據(jù)（包括文本提示、視頻分辨率、幀率及幀數(shù)）。借此設(shè)計，本文無需調(diào)整尺寸即可訓(xùn)練不同寬高比的圖像和視頻。

GPU內(nèi)存友好實現(xiàn)

默認使用Flash Attention加速注意力計算，降低Lumos-1訓(xùn)練和推理時的內(nèi)存開銷。此外，觀察到大型碼本訓(xùn)練時GPU內(nèi)存消耗顯著，因此取消語言相關(guān)損失（如文本的下一標記預(yù)測），將最終logit矩陣尺寸縮減至僅匹配視覺標記。雖然文本標記嵌入（將文本索引映射為嵌入）仍可訓(xùn)練，此舉使模型聚焦視頻生成。若目標為支持語言模態(tài)的統(tǒng)一模型，可重新添加該損失。最后，針對129K標記類型的損失計算存在極高內(nèi)存消耗（易引發(fā)內(nèi)存溢出），采用分塊交叉熵損失：通過上轉(zhuǎn)型并逐塊計算softmax logits，保持完整softmax精度。默認分塊大小為2,000，顯著降低峰值內(nèi)存使用。

分階段訓(xùn)練

鑒于Lumos-1的自回歸特性，視頻生成訓(xùn)練可分為兩項能力：1) 文本到圖像；2) 單圖/多圖到視頻。盡管AR-DF訓(xùn)練大幅緩解學(xué)習(xí)不平衡問題，仍觀察到后者任務(wù)相對更易。因此需分階段訓(xùn)練確保視頻生成成功：

• 專用文本到圖像訓(xùn)練（256p分辨率）
• 圖像-視頻聯(lián)合訓(xùn)練（256p分辨率）
• 聯(lián)合訓(xùn)練（384p分辨率視覺數(shù)據(jù)）

實驗

實驗細節(jié)

數(shù)據(jù)集：

• 圖像數(shù)據(jù)集：6,000萬張（保留原始寬高比）
• 視頻數(shù)據(jù)集：1,000萬段（剪輯為25幀/段）

視覺生成對比

文本到圖像生成（下表1）：

• 優(yōu)于同規(guī)模擴散模型（如SD-XL），媲美FLUX
• 自回歸模型中媲美EMU3，且離散擴散推理效率顯著更高
• 在位置/屬性綁定任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異，證明無需文本預(yù)訓(xùn)練即可實現(xiàn)卓越語言理解與視覺-語言對齊

圖像到視頻生成（下表2）：

• 未專門訓(xùn)練該任務(wù)，但通過指定首幀實現(xiàn)
• 超越VideoCrafter-I2V，媲美數(shù)據(jù)量（1億>1千萬）和算力（1萬張H100>48張H20）遠超的COSMOS-Video2World

文本到視頻生成（下表3）：

• 盡管采用離散標記器，仍媲美OpenSoraPlan等擴散模型（且無需笨重預(yù)訓(xùn)練文本編碼器）
• 自回歸特性通過首幀質(zhì)量保障視頻質(zhì)量，在物體中心指標（物體類別與顏色）上表現(xiàn)突出

分析與消融研究

定性視覺對比

本文在下圖6中將Lumos-1與主流視頻生成方法進行對比。對于文本到視頻（T2V），我們的384p視頻在視覺質(zhì)量上不遜色于LTX-Video的512p視頻。在提供的案例中，Lumos-1生成了更自然的運動（水波）且更貼合提示詞（穿紅色衣服的滑雪者和波浪）。對于圖像到視頻（I2V），Lumos-1在多物體（示例1中的多個漂浮熱氣球）和細粒度運動（示例3中海岸線周圍的細微漣漪）處理上顯著優(yōu)于Stable Video DiffusionSVD），后者僅生成全局相機運動。在示例2中，SVD產(chǎn)生了明顯模糊，而Lumos-1實現(xiàn)了物體的平滑動畫。更多可視化結(jié)果見附錄。

MM-RoPE的有效性。下圖7(b)展示了0.5B模型在四種RoPE設(shè)置下的驗證損失。需注意，M-RoPE表示兩種設(shè)計均被移除。可以觀察到，MM-RoPE始終收斂更快且穩(wěn)定在最低損失，證實了其對細粒度時空信息建模的優(yōu)勢。盡管單獨移除任一組件均會提高損失，但移除分布式設(shè)計的負面影響大于移除縮放位置設(shè)計，表明全面的頻率分配是主導(dǎo)因素。同時移除兩種增強會導(dǎo)致最慢收斂和最高平臺期，說明這兩種機制在高效視頻生成中具有互補性。

MM-RoPE中元MM-RoPE數(shù)量的影響。MM-RoPE將嵌入通道劃分為若干元組。更多元組意味著某一類信息（時間、高度或?qū)挾龋┠塬@得更廣譜的頻率建模。下圖9(a)繪制了0.5B模型在四種設(shè)置下的驗證損失：

• 無分布式設(shè)計：沿用此前設(shè)計，將前2/8通道分配給時間建模，3/8通道分別分配給高度和寬度建模；
• 元MM-RoPE數(shù)量=1：配置一個64通道的元MM-RoPE，同時保持時間、高度和寬度建模的比例（2:3:3）。此變體通過交錯高度和寬度通道提升了兩個空間維度的頻譜范圍；
• 元MM-RoPE數(shù)量=2：配置兩個32通道的元MM-RoPE，進一步擴展時間、高度和寬度信息的頻譜范圍；
• 元MM-RoPE數(shù)量=4（默認設(shè)計）：每個元MM-RoPE保持最小通道數(shù)（16通道），使時間、高度或?qū)挾染S度的頻譜覆蓋最全面。

結(jié)果證實，通過增加元MM-RoPE數(shù)量拓寬各維度頻譜，能顯著提升時空建模和整體訓(xùn)練效率。

MM-RoPE的推理開銷分析。與M-RoPE類似，MM-RoPE需定位視覺標記起始位置后應(yīng)用RoPE機制，需少量計算。表4對比了使用標準1D RoPE、M-RoPE和MM-RoPE生成圖像和視頻的推理速度。可觀察到：1）相比1D RoPE，引入3D先驗僅增加3.5%-4.1%推理延遲；2）相比M-RoPE，MM-RoPE未引入額外延遲。

CFG縮放的敏感性分析。前面圖7(c)使用1B模型研究了引導(dǎo)縮放對GenEval的影響。發(fā)現(xiàn)縮放值在13至16（默認值）區(qū)間內(nèi)效果良好。

對寬高比的魯棒性。盡管訓(xùn)練數(shù)據(jù)寬高比多為7:4，但表5顯示Lumos-1 1B因統(tǒng)一碼本設(shè)計能很好適應(yīng)不同寬高比的視覺生成。

結(jié)論

Lumos-1，一種利用LLM架構(gòu)的自回歸視頻生成模型。本文提出MM-RoPE以改進時空動態(tài)建模，并提出AR-DF以在考慮幀內(nèi)雙向性和幀間時序因果性的前提下實現(xiàn)高效訓(xùn)練與推理。期待Lumos-1成為構(gòu)建基礎(chǔ)統(tǒng)一模型的重要一步。

本文轉(zhuǎn)自AI生成未來 ，作者：AI生成未來

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