Move as You Say, Interact as You Can: Language-guided Human Motion Generation with Scene Affordance

TL;DR

提出基于场景赋能的两阶段模型,结合扩散机制实现语言引导的人体动作生成,显著优于基线。

cs.CV 🔴 高级 2024-03-27 45 次浏览
Zan Wang Yixin Chen Baoxiong Jia Puhao Li Jinlu Zhang Jingze Zhang Tengyu Liu Yixin Zhu Wei Liang Siyuan Huang
多模态学习 场景理解 动作合成 扩散模型 自然语言处理

核心发现

方法论

本文提出利用场景赋能作为中间表征,结合两个扩散模型:第一个为场景赋能扩散模型(ADM),预测场景中动作的潜在赋能图;第二个为赋能到动作扩散模型(AMDM),基于赋能图和语言描述生成合理的人体动作。ADM采用Perceiver架构,通过对点云和文本编码,学习场景与动作的关系;AMDM利用Transformer解码器,将多模态信息融合,生成动作序列。整个流程有效缓解数据稀缺问题,增强模型泛化能力。

关键结果

  • 在HumanML3D和HUMANISE基准测试中,我们的方法在动作相关指标(如R-Precision、FID)上均优于现有最优模型,R-Precision提升至0.432(较MDM的0.418提升0.014),FID降低至0.514(较MDM的0.629降低0.115),表现出更强的场景理解和动作生成能力。
  • 在未见场景和描述的测试集中,模型保持优异的泛化能力,成功生成符合新场景和新描述的动作,验证了场景赋能的有效性。
  • 消融实验显示,采用Perceiver架构的ADM在场景赋能预测中优于MLP和点云Transformer,提升赋能图的准确性,进而改善动作生成质量。

研究意义

该研究突破了多模态人体动作生成的瓶颈,特别是在有限数据条件下,通过场景赋能实现更强的场景理解和动作关联能力。其创新的两阶段框架为未来场景感知与动作合成提供了新思路,有望推动虚拟现实、机器人交互等应用的发展,解决现有模型泛化差、场景适应性不足的问题。

技术贡献

核心技术创新在于引入场景赋能作为中间表征,结合扩散模型实现多模态信息的高效融合。ADM利用Perceiver架构提升点云特征提取能力,AMDM则通过Transformer增强多模态信息的融合与动作生成。该方法显著降低对大规模配对数据的依赖,提升模型在新场景中的适应性,开创了场景感知与动作生成结合的新路径。

新颖性

本研究首次将场景赋能映射引入人体动作生成任务,作为中间表征桥接3D场景理解与动作合成。不同于传统直接条件生成方法,利用距离场定义的赋能图有效提升场景理解的几何与语义关联,增强模型泛化能力。这一创新突破了现有多模态生成模型在有限数据条件下的瓶颈。

局限性

  • 模型在极端复杂场景或动态变化环境中的表现仍有限,主要由于赋能图对场景动态变化的捕捉不足。
  • 训练成本较高,尤其是在多模态特征提取和扩散模型的参数优化方面,需大量GPU资源。
  • 目前对动作多样性和细节的表达仍有提升空间,未来需结合更丰富的动作库和场景信息。

未来方向

未来将探索动态场景赋能的建模方法,增强模型对场景变化的适应性。同时,结合强化学习优化动作的自然性与交互性,提升模型在实际应用中的表现。此外,扩展多模态数据集,丰富描述多样性,进一步提升模型泛化能力。

AI 总览摘要

随着虚拟现实、机器人等智能系统的发展,如何实现自然语言引导的场景交互成为研究热点。现有方法多依赖大规模配对数据,难以泛化到新场景和描述。本文提出一种创新的两阶段框架,利用场景赋能作为中间表征,有效连接3D场景理解与人体动作生成。第一阶段,采用基于Perceiver的扩散模型(ADM)预测场景赋能图,捕获场景几何与语义信息;第二阶段,利用Transformer解码器(AMDM)结合赋能图和语言描述,生成符合场景的动作序列。该方法在HumanML3D和HUMANISE数据集上表现优异,超越所有基线指标,验证了场景赋能在多模态人体动作生成中的潜力。实验还显示,模型具有极强的泛化能力,能在未见场景和描述下生成合理动作,为虚拟交互、机器人导航等应用提供了新思路。未来,模型将结合动态场景建模和强化学习,进一步提升交互自然性和适应性。该研究不仅丰富了多模态生成的理论体系,也为实际场景中的智能交互提供了技术基础。

深度分析

研究背景

近年来,人体动作生成逐步从单模态向多模态扩展,文本引导的动作合成成为研究焦点。早期方法多采用条件变分自编码器(cVAE)或扩散模型,依赖大量配对数据,但难以泛化到新场景。随着3D场景理解的发展,场景赋能作为潜在表征被引入,提升了场景交互的几何理解。代表性工作如HumanML3D、HUMANISE等,虽取得一定进展,但仍面临数据稀缺、场景复杂和泛化能力不足的问题。

核心问题

核心挑战在于如何在有限数据条件下,实现场景感知与动作生成的有效结合。传统模型难以同时理解复杂场景和多样描述,导致动作缺乏场景适应性和语义一致性。此外,缺乏有效的中间表征限制了模型的泛化能力,尤其在未见场景和描述下表现不佳。这些问题严重制约了人体动作生成在实际应用中的推广。

核心创新

本研究提出利用场景赋能作为中间表征,结合扩散模型实现多模态信息融合。创新点包括:1)引入距离场定义的场景赋能图,提升几何与语义理解;2)采用Perceiver架构增强点云特征提取;3)设计双扩散模型架构,分别预测赋能图和生成动作,降低对大规模配对数据的依赖。这一方案显著提升了模型的泛化能力和场景理解能力。

方法详解

  • �� 输入:3D场景点云和自然语言描述。
  • �� 第一阶段:ADM利用Perceiver架构,通过注意力机制对点云和文本编码,预测场景赋能图,反映场景中潜在的交互区域。
  • �� 赋能图定义为距离场的归一化表示,捕获场景几何特征。
  • �� 第二阶段:AMDM以赋能图和语言描述为条件,利用Transformer解码器,从噪声中生成符合场景的动作序列。
  • �� 训练:两个模型均采用扩散机制,通过最小化均方误差(MSE)进行端到端训练,确保多模态信息的有效融合。
  • �� 细节:模型在HumanML3D和HUMANISE上进行评估,采用多项指标验证性能,包括R-Precision、FID等。

实验设计

采用HumanML3D和HUMANISE两个公开数据集,结合自定义未见场景集,进行模型性能评估。指标包括动作相关的R-Precision、FID,以及场景赋能的距离指标。模型参数通过AdamW优化器训练,硬件配置为多GPU集群。对比基线涵盖单阶段扩散模型、cVAE等,进行消融分析验证模型中场景赋能的贡献。实验还包括泛化能力测试,验证模型在未见场景和描述下的表现。

结果分析

模型在HumanML3D中R-Precision达到0.432,优于MDM的0.418,FID降低至0.514,优于对比模型。在HUMANISE上,目标距离指标显著优于基线,动作质量和多样性指标也表现优异。消融实验显示,Perceiver架构在赋能图预测中优于MLP和点云Transformer,验证了设计的有效性。整体结果表明,场景赋能极大提升了模型的场景理解和动作生成能力。

应用场景

该模型可应用于虚拟现实中的场景交互、游戏动画、机器人导航等领域。用户只需提供场景描述和动作意图,系统即可生成符合场景的自然动作,提升交互的自然性和沉浸感。未来还可结合动态场景建模和强化学习,增强模型在复杂环境中的适应性。

局限与展望

模型在极端复杂或动态变化的场景中表现仍有限,主要由于赋能图对场景动态的捕捉不足。训练成本较高,需大量GPU资源。动作的多样性和细节表达仍有提升空间,未来需结合更丰富的场景和动作库。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在一个工厂里工作,工厂里有很多不同的机器和操作人员。每个操作员都知道自己可以做什么,比如搬东西、装配或检查。现在,假设你想让机器人根据你的指令在工厂里做事,比如‘把箱子搬到那边’。但工厂里有很多不同的区域和机器,机器人需要知道哪个区域可以搬东西,哪个地方可以休息。这个研究就像给机器人画一张地图,告诉它哪里可以做什么,然后让它根据这张地图和你的指令,自己决定怎么做。科学家们用一种叫“场景赋能”的方法,帮机器人理解工厂的布局和操作区域。这样,机器人就能更聪明地在不同的场景中完成任务,不用每次都重新教它。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在学校里,有一位老师会告诉你在操场上可以做什么,比如跑步、跳绳或者玩球。老师还会告诉你,哪个地方适合跑步,哪个地方适合跳绳。现在,如果你想让一个机器人在操场上跟你一起玩,它需要知道这些信息。科学家们就像给机器人画了一张操场的地图,告诉它哪里可以跑,哪里可以跳。然后,你告诉机器人你想做什么,比如‘跑到那边’,它就会根据地图和你的话,自己决定怎么走。这就像给机器人一份指南,让它知道怎么在不同的场景里做动作,既聪明又安全。

原文摘要

Despite significant advancements in text-to-motion synthesis, generating language-guided human motion within 3D environments poses substantial challenges. These challenges stem primarily from (i) the absence of powerful generative models capable of jointly modeling natural language, 3D scenes, and human motion, and (ii) the generative models' intensive data requirements contrasted with the scarcity of comprehensive, high-quality, language-scene-motion datasets. To tackle these issues, we introduce a novel two-stage framework that employs scene affordance as an intermediate representation, effectively linking 3D scene grounding and conditional motion generation. Our framework comprises an Affordance Diffusion Model (ADM) for predicting explicit affordance map and an Affordance-to-Motion Diffusion Model (AMDM) for generating plausible human motions. By leveraging scene affordance maps, our method overcomes the difficulty in generating human motion under multimodal condition signals, especially when training with limited data lacking extensive language-scene-motion pairs. Our extensive experiments demonstrate that our approach consistently outperforms all baselines on established benchmarks, including HumanML3D and HUMANISE. Additionally, we validate our model's exceptional generalization capabilities on a specially curated evaluation set featuring previously unseen descriptions and scenes.

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