登上NeurIPS，Genesis開(kāi)創(chuàng)無(wú)需OCC引導(dǎo)的多模態(tài)生成新范式

由華中科技大學(xué)與小米汽車提出了業(yè)內(nèi)首個(gè)無(wú)需 OCC 引導(dǎo)的多模態(tài)的圖像 - 點(diǎn)云聯(lián)合生成框架Genesis。該算法只需基于場(chǎng)景描述和布局（包括車道線和 3D 框），就可以生成逼真的圖像和點(diǎn)云視頻。

• 論文題目：Genesis: Multimodal Driving Scene Generation with Spatio-Temporal and Cross-Modal Consistency
• 論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2506.07497
• Github 鏈接：xiaomi-research/genesis

Genesis 采用兩階段架構(gòu)：第一階段基于透視圖投影的布局和場(chǎng)景描述等條件，利用基于 DiT 的擴(kuò)散模型學(xué)習(xí) 3D 變分自編碼器編碼的環(huán)視圖特征； 第二階段將第一階段多視角視頻序列轉(zhuǎn)到鳥(niǎo)瞰圖的特征空間，并結(jié)合場(chǎng)景描述和布局等條件，學(xué)習(xí) 2D 自編碼器編碼的點(diǎn)云特征。

為了以結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義引導(dǎo)生成過(guò)程，本文引入了 DataCrafter (一個(gè)基于 VLM 的數(shù)據(jù)標(biāo)注模塊)，可提供場(chǎng)景級(jí)與實(shí)例級(jí)的信息描述。在 nuScenes 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上的大量實(shí)驗(yàn)表明，Genesis 在視頻與激光雷達(dá)指標(biāo)上均達(dá)到了當(dāng)前 SOTA 水平。

本文的主要貢獻(xiàn)總結(jié)如下：

• 統(tǒng)一的多模態(tài)生成架構(gòu)。Genesis 采用統(tǒng)一的 pipeline，視頻和 LiDAR 分支都在共享相同的條件輸入，包括場(chǎng)景描述和布局等，這確保了生成的多模態(tài)數(shù)據(jù)的一致性。為進(jìn)一步保證點(diǎn)云和圖像背景的信息一致性，我們將 RGB 透視圖轉(zhuǎn)到鳥(niǎo)瞰圖視角下的特征下，并把該特征作為條件輸入到基于點(diǎn)云擴(kuò)散模型中，從而加強(qiáng)兩種模態(tài)的一致性，該過(guò)程無(wú)需依賴 occupancy 或體素等中間體。
• 通過(guò) DataCrafter 進(jìn)行結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義信息提取。為了提高語(yǔ)義可控性，本文引入了 DataCrafter，這是一個(gè)基于視覺(jué)語(yǔ)言模型構(gòu)建的 caption 數(shù)據(jù)處理模塊。它提取多視圖、場(chǎng)景級(jí)和實(shí)例級(jí)描述，這些描述融合到密集的語(yǔ)言引導(dǎo)式先驗(yàn)中。這些 caption 數(shù)據(jù)為視頻和 LiDAR 生成器提供了詳細(xì)的語(yǔ)義指導(dǎo)，從而產(chǎn)生不僅逼真而且可解釋和可控的輸出。

引言

在自動(dòng)駕駛技術(shù)向高階邁進(jìn)的進(jìn)程中，構(gòu)建多樣化、高擬真度的駕駛場(chǎng)景數(shù)據(jù)集，已成為不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。合成數(shù)據(jù)因?yàn)槠淇删庉嫞追夯奶攸c(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。現(xiàn)有研究雖在視頻生成、LiDAR 序列合成領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，但如何實(shí)現(xiàn)視覺(jué)與幾何模態(tài)間的深度協(xié)同與一致性表達(dá)，仍屬亟待攻克的前沿課題。

如圖 1，當(dāng)前主流的駕駛場(chǎng)景生成方案，多聚焦于 RGB 視頻或 LiDAR 點(diǎn)云的單模態(tài)數(shù)據(jù)生成。這些方法雖極大推動(dòng)了場(chǎng)景生成技術(shù)的發(fā)展，卻未能充分挖掘多模態(tài)融合的協(xié)同優(yōu)勢(shì)。在處理 RGB 視頻與其他傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，模態(tài)間的對(duì)齊精度不足，導(dǎo)致生成結(jié)果難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。許多方法采用基于 BEV 地圖或 3D 框的 “布局 - 數(shù)據(jù)” 單步生成模式，這種依賴粗略空間先驗(yàn)的架構(gòu)，在捕捉復(fù)雜交通動(dòng)態(tài)與精細(xì)語(yǔ)義細(xì)節(jié)時(shí)存在天然缺陷。

盡管 UniScene 等研究嘗試引入占用網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)多模態(tài)生成，但實(shí)際自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中 OCC 標(biāo)簽的獲取是非常昂貴的，這嚴(yán)重限制了生成模型在工業(yè)界的應(yīng)用。另外，現(xiàn)有多模態(tài)生成方案多依賴粗略標(biāo)簽或通用標(biāo)題模型提供語(yǔ)義標(biāo)簽，未能有效利用現(xiàn)代視覺(jué)語(yǔ)言模型（VLM）的細(xì)粒度語(yǔ)義解析能力。這種語(yǔ)義標(biāo)簽的缺失，直接影響生成場(chǎng)景的真實(shí)性、可控性，以及時(shí)空邏輯的連貫性。

具體工作

DataCrafter 模塊

本文提出 DataCrafter, 一個(gè)專為多視角自動(dòng)駕駛視頻設(shè)計(jì)的 Caption 數(shù)據(jù)生成模塊，旨在實(shí)現(xiàn)以下兩項(xiàng)核心功能：

(1) 訓(xùn)練階段數(shù)據(jù)篩選：借助預(yù)訓(xùn)練視覺(jué)語(yǔ)言模型的圖像理解能力，對(duì)原始訓(xùn)練片段進(jìn)行評(píng)估，僅篩選高質(zhì)量片段用于訓(xùn)練。(2) 結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義提取：利用視覺(jué)語(yǔ)言模型對(duì)多視角視頻片段提取細(xì)粒度語(yǔ)義信息，為多模態(tài)生成任務(wù)提供豐富的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義條件。

評(píng)分體系涵蓋三類關(guān)鍵視覺(jué)屬性：(1) 圖像清晰度：如模糊、畸變、臟污等；(2) 結(jié)構(gòu)合理性：如遮擋程度、結(jié)構(gòu)混亂、場(chǎng)景完整性等；(3) 美學(xué)特性：如逆光、過(guò)暗過(guò)亮、曝光異常、色彩偏差等。

視頻生成模型

如圖 2 中 camera_branch，Genesis 的視頻生成模塊以 DiT 為骨干，引入 3D-VAE 編碼與結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義先驗(yàn)，構(gòu)建出具備時(shí)空一致性的生成架構(gòu)。Camera 分支將場(chǎng)景布局信息與語(yǔ)言描述通過(guò)注意力機(jī)制深度耦合，使生成的視頻不僅具備視覺(jué)真實(shí)感，更能遵循語(yǔ)義邏輯。

我們發(fā)現(xiàn)，目前自動(dòng)駕駛場(chǎng)景視頻生成的疼點(diǎn)在于行人難以清晰地生成，為此，我們創(chuàng)新性地利用 YOLOv8x-Pose 檢測(cè)行人姿態(tài)并投影到各視角，以此增強(qiáng)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的語(yǔ)義表達(dá)。

具體實(shí)現(xiàn)上，我們首先構(gòu)建包含車道段和 3D 邊界框的結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景布局，將其投影到各視角 2D 圖像平面形成語(yǔ)義控制圖，再通過(guò) Control-DiT 模塊的交叉注意力機(jī)制在每個(gè)去噪時(shí)間步融入這些結(jié)構(gòu)化先驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生成過(guò)程的引導(dǎo)。

在隱空間編碼方面，借助 3D VAE 將多幀 BEV 圖壓縮為隱空間表示，解碼器從去噪詞元中重建 BEV 語(yǔ)義。訓(xùn)練目標(biāo)函數(shù)為：

最后，模塊集成的語(yǔ)義對(duì)齊控制 Transformer 通過(guò)控制注意力將語(yǔ)義特征注入擴(kuò)散塊早期階段，并結(jié)合空間自注意力、跨視角注意力和時(shí)間注意力機(jī)制，全面保障多視角視頻生成的時(shí)空連貫性與語(yǔ)義保真度。

激光雷達(dá)生成模型

如圖 2 中 lidar_branch，激光雷達(dá)生成模塊致力于生成幾何精確且時(shí)空連貫的點(diǎn)云序列，通過(guò)點(diǎn)云自動(dòng)編碼器與時(shí)空擴(kuò)散模塊的協(xié)同設(shè)計(jì)，結(jié)合跨模態(tài)語(yǔ)義條件實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的一致性生成。

如圖 4，首先，點(diǎn)云自動(dòng)編碼器將稀疏點(diǎn)云體素化為 BEV 網(wǎng)格，利用 Swin Transformer 骨干網(wǎng)絡(luò)壓縮為隱空間特征，再通過(guò) Swin 解碼器與 NeRF 渲染模塊重建點(diǎn)云，過(guò)程中采用空間跳躍算法減少空網(wǎng)格誤差，并通過(guò)深度 L1 損失、占用損失和表面正則化損失優(yōu)化訓(xùn)練，同時(shí)引入后處理過(guò)濾噪聲點(diǎn)。

時(shí)空擴(kuò)散模塊以自動(dòng)編碼器的隱空間特征為基礎(chǔ)，采用雙 DiT 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合 ControlNet 架構(gòu)，集成場(chǎng)景描述、道路圖等語(yǔ)義條件，以及 3D 邊界框幾何條件；為保證跨模態(tài)一致，通過(guò) LSS 算法將視頻分支的 RGB 圖像轉(zhuǎn)為 BEV 特征，與道路圖特征拼接后輸入 ControlNet。擴(kuò)散過(guò)程中，隱空間詞元通過(guò)交叉注意力融合語(yǔ)義與幾何嵌入，交叉注意力操作的公式為：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

視頻生成結(jié)果

在無(wú)首幀條件設(shè)定下，本文的方法實(shí)現(xiàn)了 83.10 的多幀 FVD 和 14.90 的多幀 FID，優(yōu)于 DriveDreamer-2 等先前的工作。在有首幀條件設(shè)定下，本文的方法進(jìn)一步提升至 16.95 的 FVD 和 4.24 的 FID，與 MiLA 相比展現(xiàn)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)果，同時(shí)保持了時(shí)間一致性和結(jié)構(gòu)保真度。在有噪聲隱空間設(shè)定下，在 6019 個(gè)樣本上實(shí)現(xiàn)了 67.87 的 FVD 和 6.45 的 FID，超過(guò)了 UniScene 報(bào)告的先前最佳結(jié)果。

LiDAR 生成結(jié)果

表 2 展現(xiàn)了先前最先進(jìn)的方法與本文提出的 Genesis 框架在激光雷達(dá)序列生成性能方面的定量比較。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)遵循 HERMES 的設(shè)定進(jìn)行，在水平面 [?51.2, 51.2] 米以及高度 [?3, 5] 米的空間范圍內(nèi)，使用 Chamfer distance 作為主要指標(biāo)。在短期和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方面，Genesis 始終優(yōu)于現(xiàn)有方法。在預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為 1 秒時(shí)，它的 Chamfer distance 達(dá)到 0.611，比之前的最佳值（HERMES 的 0.78）高出 21%。在預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為 3 秒時(shí)，優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大到相對(duì)減少 45%（從 1.17 降至 0.633）。

下游任務(wù)實(shí)驗(yàn)

本文的方法在多個(gè)下游感知任務(wù)上評(píng)估了生成數(shù)據(jù)的效用。如表 5 所示，本文的方法在 BEVFormer 3D 目標(biāo)檢測(cè)中取得了最佳的平均交并比（38.01）和平均精度均值（27.90）。如表 6 所示，本文評(píng)估了生成數(shù)據(jù)在 BEVFusion 3D 目標(biāo)檢測(cè)框架上的有效性。在所有設(shè)置中，本文的方法都取得了一致的改進(jìn)，mAP 從 66.87 提高到 67.78，NDS 從 69.65 提高到 71.13。攝像頭和激光雷達(dá)模態(tài)的聯(lián)合生成實(shí)現(xiàn)了的最高增益（+0.91 mAP / +1.48 NDS），證明了多模態(tài)生成的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。