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香港大学联合多所顶尖机构,为AI视频世界模型装上了"记忆大脑"

  发布于2026-08-17 阅读(0)

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这篇由香港大学联合复旦、浙大和快手科技的团队完成的研究,于2026年6月30日以预印本的形式挂在arXiv上,编号是arXiv:2606.31734。想进一步深挖的朋友,可以凭这个编号直接搜到完整论文。

你有没有过这种体验:跟朋友聊天,聊着聊着,他突然忘了五分钟前刚说过的事,又把同一段话翻来覆去地讲?那感觉,确实挺让人崩溃的。现在,AI生成视频也碰到了完全一样的尴尬——开头能拍得精彩绝伦,但一拉长,它就把前面干了什么忘得一干二净,结果画面东拼西凑,前后矛盾,简直不能看。

这次的研究团队,专门针对AI的“失忆症”,搞出了一套叫MemLearner的解决方案。核心思路很简单:与其给AI硬塞一套死板的“记忆清单规则”,不如直接教会它自己判断该记住什么、什么时候该调取记忆。说白了,一个是按图索骥的菜鸟,一个是真正读懂上下文的老手——差距就在这里。

一、先说说什么叫“视频世界模型”

要弄懂这项研究,得先建立一个基本概念:“视频世界模型”到底是个什么鬼。

拿游戏来举例。你在玩开放世界游戏时,游戏引擎会根据你的操作——往左走、往右看、跳个台阶——实时生成你眼前的画面。视频世界模型干的就是同一件事。只不过,它背后不是写死的代码规则,而是一个经过海量真实视频训练出来的AI系统。你给它一个摄像机的移动指令,它就立刻生成对应的视频画面,就好像你真的在一个真实世界里漫步一样。

这类技术的想象空间巨大:可以用它来做游戏场景、拍电影、训练机器人,甚至成为虚拟现实体验的底层引擎。研究人员管它叫“交互式视频生成模型”——也就是说,用户可以通过动作指令,与生成的视频世界进行实时互动。

但麻烦在于,一旦视频生成时间稍长,问题就冒出来了。AI的“视野”是有限的:它只能“看到”最近一小段发生的事情,再早之前的画面已经彻底从视野里消失了。于是,当摄像机转了一圈又转回来时,AI彻底忘了这个地方长什么样,只好临时东拼西凑,结果生成的画面和之前拍的完全对不上。这就是所谓的“场景一致性”问题,也是这篇论文要啃的硬骨头。

二、为什么已有的方案都不够用

在这项研究之前,已经有不少人在琢磨怎么解决AI的“失忆”问题,但每种方案都有它的软肋。

一类是“3D重建记忆”。让AI先把看过的场景重建为一个三维模型,下次需要时就从模型里渲染出对应视角的画面作为参考。这思路听起来挺扎实的,可问题是,三维重建本身就容易出错;碰上会动的物体,比如走路的人、摇尾巴的狗,更是几乎无从下手。

另一类是“特征压缩记忆”。AI不直接存画面,而是把历史内容压缩成抽象的特征码,好比将一本书浓缩成几条关键词。存储效率是高,但信息损失也大得吓人,细节全丢了。

还有一类是最直观的“关键帧记忆”——从历史视频里挑出一些有代表性的帧,直接作为当前生成的参考。这个方向其实很有前途,因为它简单直接,不需要搞什么三维重建或特征压缩。但问题在于:怎么挑帧?

目前主流的挑帧方式,靠的还是固定规则。比如,算一算当前摄像机的视野范围(FOV),然后挑出那些和当前视野重叠最多的历史帧;或者用点云估算的方法,找到在空间位置上最接近的帧。这些规则在简单场景里还算管用,但一碰到复杂情况,破绽立刻暴露无遗。

举个例子,墙壁遮挡。假设摄像机在一栋建筑外面,转到另一侧。按照视野重叠规则,AI会认为某几帧“很相关”——因为它们的拍摄方向相近。可实际上,这两个视角之间隔着一堵厚厚的墙,场景内容完全不同,参考这些帧只会帮倒忙。再比如,场景里有一条四处乱逛的狗,它的位置不断变化,基于静态空间位置的规则根本没法正确追踪它。

更根本的问题在于:这些规则是人为写死的,完全不能随着场景的复杂程度自动调整。

三、MemLearner的思路:让AI自己学会“该看哪里”

MemLearner提出的方案,从根本上改变了整个问题的处理方式。与其告诉AI“按照规则X去找相关帧”,不如让它通过大量训练,自己学会判断哪些历史信息对当前的生成最有帮助。

为了实现这一点,研究团队引入了一种叫“查询令牌”(Query Token)的机制。要理解这个概念,可以打一个比方。

假设你是一名正在写小说的作家(这里对应AI里负责生成视频的部分),图书馆里存放着你之前写过的所有素材(对应历史视频帧)。你需要一位助理(对应查询令牌)来帮你从图书馆里调取相关资料。这位助理的工作方式很特别:他先看一眼你现在正在写的当前章节草稿(预测令牌),弄清楚你需要什么风格的信息;然后拿着这个“需求单”去图书馆翻找(上下文令牌),把真正有用的资料整理好递给你;最后,你参考这些资料完成写作。

在MemLearner的框架里,整个系统处理的信息被分成三种角色:C令牌(Context Token,历史上下文)代表已有的历史视频帧;Q令牌(Query Token,查询令牌)是连接历史和当前生成的中间桥梁;P令牌(Predicted Token,预测令牌)代表当前正在生成的视频帧。Q令牌先关注P令牌,理解“要生成什么”;再关注C令牌,提取“需要哪些历史信息”;最后P令牌参考Q令牌完成生成。

整个过程完全靠端到端训练来学习——也就是说,AI不需要任何额外的人工标注来说明“在这个情况下应该查询哪些帧”,它只是通过生成视频时的误差信号,反过来不断调整查询策略,最终自然而然地学会了适应性记忆提取。

四、一次失败的尝试,带来了关键洞察

研究团队在设计过程中,也走过一段弯路。而这段弯路本身,很能说明问题。

最直觉的想法是:既然需要一个“查询助理”,那就单独训练一个专门的查询模块,让它负责从历史帧里提取信息,再把提取结果传给视频生成模型。两个模块各司其职,听起来非常合理。

然而实验结果让团队大吃一惊:这个单独训练的查询模块,完全没能学会查询历史信息。通过注意力可视化分析发现,这个模块的查询令牌和历史上下文令牌之间的相似度接近于零——换句话说,这个模块根本就没有在读历史帧,只是在输出一堆毫无意义的信号。更糟糕的是,由于这个独立模块的输出毫无意义,视频生成模型也渐渐学会了“无视”它,最终直接退化成一个普通的文本生成视频模型,完全丧失了记忆能力。

这个失败揭示了一个关键洞察:从零开始训练一个新模块,想让它学会有意义的视觉查询,是极其困难的。因为你没有办法为“正确的查询”提供明确的监督信号——没有人能标注“在这一帧,你应该去查历史第147帧的左上角”这样的信息。

正确的做法是:直接利用视频生成模型本身来做查询。视频生成模型已经经过了大规模预训练,对视觉内容有着丰富的理解能力。把查询令牌和上下文令牌、预测令牌一起输入到同一个视频生成模型里,让模型的自注意力机制自然地建立起它们之间的联系,效果反而更好——因为模型已经具备了理解视觉内容的能力,只需要学习如何运用这种能力来做记忆查询。

五、让系统跑得更快的两个小窍门

理论上,把所有历史帧和当前帧都塞进模型里让它自己分析,效果当然最好。但实际操作中,这会带来巨大的计算量——历史帧越堆越多,计算量就会线性增长,最终变得不可负担。

研究团队提出了两个简洁的效率优化策略。

第一个叫“浅层查询,深层生成”。整个扩散变换器模型有28层,研究团队把它分成两段:前5层(浅层)作为“查询层”,负责让Q令牌从C令牌和P令牌中提取信息;后23层(深层)作为“生成层”,只处理Q令牌和P令牌,C令牌不再参与。这背后的逻辑是:提取记忆更像“编码”,不需要太多计算量;真正的创作生成才是大头。好比人类写作:快速浏览一下参考资料(浅层)只需要几分钟,真正坐下来写作(深层)才是主要工作。实验证明,5层已经足够完成有效的记忆提取,继续增加查询层数对效果的提升非常有限,却会显著拖慢速度。

第二个叫“只保留有用的注意力计算”。在注意力机制里,每个令牌既可以作为“提问者”(查询),也可以作为“被问者”(键值对)。研究团队仔细分析了哪些注意力交互是真正必要的,然后删掉了所有冗余计算。最终保留下来的只有三种核心交互:Q令牌向P令牌提问(搞清楚当前要生成什么)、Q令牌向C令牌提问(从历史帧里提取信息)、P令牌向P令牌和Q令牌提问(生成时参考同伴和查询结果)。特别值得注意的是,C令牌不作为提问者——历史帧的内容只需要被查询,不需要主动去问任何人。

六、专为复杂场景设计的训练数据集

一个聪明的算法,还需要合适的训练数据。研究团队在这方面也下了很大功夫,因为他们发现,现有的长视频数据集没有一个能满足训练需求。

理想的训练数据,需要同时具备四个特点:精确的逐帧摄像机位姿标注(知道每一帧摄像机在哪里、朝哪里看)、场景遮挡关系(物体互相遮挡的情况)、动态物体(会动的人或动物)以及大量的“重访场景”(摄像机离开某个地方又回来的情况)。现有的数据集各有残缺:用YouTube视频组成的数据集内容丰富,但摄像机标注不精确;基于游戏引擎渲染的数据集标注精确,但没有遮挡和动态物体。

于是,研究团队自己在虚幻引擎里搭了一套数据采集流程。他们精心挑选了13个不同风格的三维场景,涵盖了街道、购物中心、乡村、室内室外各种环境,并在场景中加入了人类角色、狗、骆驼、马等动态物体。为了高效生成摄像机运动轨迹,他们写了个自动化脚本,让摄像机在场景中自主漫游、自动避障,同时记录下每一帧的位姿信息。最终采集了100段长视频,分布在13个场景中,每段视频平均超过18000帧,总计16.7小时的视频内容。

仅靠渲染视频还不够,因为渲染画面和真实世界的视觉风格存在差距。为此,研究团队还加入了另外两类视频:一类是带有较准确摄像机估算标注的真实世界视频;另一类则是完全没有摄像机标注的真实世界视频。对于这三类不同来源的数据,他们采用了一个独特的训练策略:给每类数据分别配备一个专属的摄像机编码器;完全没有标注的真实视频,则直接用零参数处理(相当于告诉模型“这段视频没有摄像机信息”)。通过这种隔离方式,不同质量的标注数据互不干扰,模型可以同时从精确的渲染数据、真实的风格数据和丰富的多样性数据中各取所长。

七、实验结果:数字和故事都说明了问题

研究团队在多个不同的数据集上进行了全面评估,包括自己采集的复杂场景数据集、另一个团队发布的无遮挡无动态物体数据集,以及真实世界的SpatialVID数据集。

评估方式分两种。第一种叫“地面真值对比”:给AI看一段历史帧,让它生成接下来的画面,然后对比生成结果和真实视频有多像。第二种叫“重访对比”:让摄像机在场景里转出去再转回来,对比“出去时拍的某个地方”和“回来时再次拍到同一个地方”的画面是否一致。第二种测试方式更贴近实际应用,也更能考验模型的真实记忆能力。

拿来对比的方法包括几类:完全没有记忆设计的长视频生成模型DFoT、通过压缩历史帧保留有限记忆的FramePack、基于点云规则检索的VMem,以及基于视野重叠规则检索的Context-as-Memory(CaM),还有研究团队自己尝试过并放弃的“独立查询模块”设计。

在复杂场景数据集上,MemLearner在所有指标上均取得了最好的成绩。以像素相似度指标PSNR(越高越好)为例,CaM得到了19.85分,MemLearner达到了21.23分;在衡量感知相似度的LPIPS指标上(越低越好),CaM为0.3475,MemLearner为0.2904,差距相当明显。在视频生成质量指标FVD上,MemLearner同样领先。那个被放弃的“独立查询模块”方案,PSNR只有9.16分,比完全没有记忆的DFoT(16.98分)还低——这直接印证了研究团队关于“独立模块无法有效学习”的判断。

有意思的是,当在没有遮挡和动态物体的简单场景数据集上测试时,CaM和MemLearner的成绩非常接近(分别是20.22和20.35)。这说明在简单场景下,规则方法和学习方法表现相当;但一旦场景复杂起来,学习方法的优势就会显著拉开。

研究团队还做了一项零样本迁移测试:在完全没有接触过的Epic-Kitchens厨房视频数据集上直接测试(这个数据集风格和训练数据差异很大),MemLearner依然比同类方法表现更好,说明学到的记忆机制具有一定的通用性。

八、细节决定成败:几个关键设计的验证

研究团队还通过一系列消融实验,逐一验证了每个设计选择的必要性。

关于查询令牌的初始化方式,研究团队测试了两种方案:用随机噪声初始化,和用带噪声的预测令牌副本初始化。结果两者的表现几乎没有差别,说明初始值是什么其实并不重要——真正重要的是Q令牌通过注意力机制从P令牌那里学到当前的需求,而不是靠初始值传递信息。

关于摄像机位姿信息是否必须提供给所有令牌,结果颇为出人意料。研究发现,就算不给历史帧(C令牌)和查询令牌(Q令牌)注入摄像机信息,只给当前生成帧(P令牌)注入,模型的记忆能力并没有明显下降。这意味着,视频生成模型具备从纯视觉信息中隐式理解空间几何关系的潜力,不需要手动提供三维坐标信息。

关于注意力计算的必要性,如果删掉Q令牌向P令牌提问这一步(也就是让Q令牌不再先理解“要生成什么”),性能会大幅下滑,PSNR从21.23跌到17.27。这证实了“先理解需求再查询信息”这个两步走逻辑的关键性。

此外,研究团队还测试了另一种方案:把分别训练查询模块的做法改为“先预训练再联合微调”——用L1损失来预训练查询模块,让Q令牌的输出靠近P令牌,然后再联合微调。结果这个方案依然远逊于MemLearner(PSNR仅16.56),再次印证了端到端学习的优越性:不需要人为设计中间监督目标,让误差信号自然地反向传播到查询机制里,效果反而更好。

九、这套方案能往别的模型上搬吗

一个自然的问题是:MemLearner是不是只能搭配研究团队内部使用的专属模型?

为了验证通用性,研究团队把同样的方法应用到了Wan2.1这个开源视频生成模型上(参数量13亿)。结果显示,MemLearner在Wan2.1上同样比基线方法表现更好,说明这套机制并不依赖特定的模型架构,只要底层模型使用了三维注意力机制,就可以直接接入MemLearner的查询框架。

说到底,MemLearner做的事情,就是把AI视频生成里那个“按规则找参考帧”的死板逻辑,换成了一个“通过学习来理解上下文需求”的灵活机制。这个转变听起来简单,但背后隐藏着一个深刻的工程洞察:与其费尽心思设计各种规则来告诉AI“什么情况下该记什么”,不如给AI提供足够丰富的训练场景,让它自己摸索出适合的记忆策略。

这项研究对普通人的生活可能不会立竿见影,但它所解决的问题,其实是未来一大批应用的基础性障碍。当我们期待AI能为我们生成一段沉浸式的虚拟旅行视频、能在游戏里创造出真正有记忆的虚拟世界、能帮助机器人在复杂环境里保持对空间的连贯认知——所有这些,都需要先解决AI的“失忆”问题。MemLearner给出了一个目前看来相当有说服力的方向。

当然,研究团队自己也坦承,问题远没有彻底解决。当场景里有超过五个角色同时互动时,现有的10亿参数模型就开始力不从心,生成画面会出现角色外貌不一致或物体消失的情况。更长远来看,记忆不应该随着视频时长线性膨胀,未来需要研究的方向包括如何压缩、更新、编辑,甚至有选择地遗忘历史信息——就像人的记忆一样,不是存档所有细节,而是保留真正重要的内容。

对这项研究感兴趣的朋友,可以通过arXiv编号2606.31734找到完整论文,以及该团队的演示项目页面,里面有实际生成的视频案例可供直观感受。

Q&A

Q1:MemLearner解决的“场景一致性”问题具体是什么意思?

A:场景一致性是指在生成长视频时,摄像机离开某个地方又回来后,AI生成的画面要和之前拍过的保持一致——同一个房间应该有同样的家具,同一个角色应该有同样的外貌。由于AI的“视野”有限,它很容易忘记早期的画面,导致重访时生成出完全不同的场景,这就是一致性问题。

Q2:MemLearner的查询令牌和普通的历史帧检索有什么区别?

A:传统历史帧检索靠人工写死的规则(比如摄像机视野重叠度),而MemLearner的查询令牌通过训练学会自适应地判断“当前生成需要哪些历史信息”。它先理解当前要生成的内容,再去历史帧里提取相关信息,整个过程是通过生成误差反向训练出来的,不需要任何手动标注的查询标准。

Q3:MemLearner在有遮挡的场景里为什么比基于视野规则的方法更好?

A:基于视野规则的方法只看摄像机朝向是否相似,无法判断两个视角之间是否有墙壁遮挡。而MemLearner通过训练学到了视觉内容之间的关联,能够隐式地理解遮挡关系,只调取真正视觉相关的历史帧,而不是仅仅方向相近的帧。

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