近来一段时间，基于扩散模型的视频生成和编辑技术引起了学术界和工业界广泛的关注，但由于逐帧编辑与视频长序列一致性之间的固有矛盾，导致现有的方法仅能处理较短的视频。之前的工作通过引入2D视频特征来解决这一问题，但在以人物为中心的场景中表现不佳。本文介绍一篇发表在CVPR 2024上的论文，本文的研究团队来自新加坡国立大学Show Lab和腾讯ARC Lab。作者引入了一种动态神经辐射场（Dynamic NeRF）作为全新的视频表示，该表示可以在3D空间中执行编辑并通过变形场传播到整个视频中。为了保证时序一致性且可控的编辑效果，作者提出了基于2D表示的-NeRF编辑pipeline，称为DynVideo-E，DynVideo-E具有一系列创新设计，包括基于2D和3D扩散先验的多视图多姿态蒸馏采样方法（SDS），文本引导的局部超分辨模块和基于图像的3D背景编辑等等。作者通过大量的实验表明，本文提出的DynVideo-E在两个具有挑战性的数据集上显著优于 SOTA 方法。
论文题目： DynVideo-E: Harnessing Dynamic NeRF for Large-Scale Motion- and View-Change Human-Centric Video Editing 论文链接： https://arxiv.org/abs/2310.10624 项目主页： https://showlab.github.io/DynVideo-E/
一、引言
扩散模型在视频编辑领域中面临的最大挑战就是如何保证视频序列的内容一致性，现有的方法尝试通过引入视频中间帧的2D表示，将视频编辑降级为图像编辑来提高编辑稳定性。但这类方法本质上是在操作二维表示，因而在编辑具有大规模运动和视点变化的视频时，性能会严重退化，特别是在以人物为中心的场景中。
本文作者受此启发，尝试直接在3D空间进行编辑操作，即引入动态NeRF表示[1]，动态NeRF通过人体姿态引导可以有效地将大规模运动和视图变化的视频信息聚合到3D背景空间和3D动态人体空间中，并通过变形场传播到整个视频。上图展示了本文DynVideo-E方法的实际编辑效果，左侧给定编辑主题人物（绿巨人和鸣人形象），右侧给定背景风格图像，模型可以同时实现对视频序列前景和背景的编辑效果。为了保证时序一致性且可控的编辑，作者同时引入2D和3D扩散先验进行监督。
为了进一步提高3D动态编辑的分辨率和几何细节，作者设计了文本提示引导的局部超分辨模块，并通过视图条件增强了人物7个身体区域的细节表示。如上图所示，DynVideo-E也可以对真实人物主体实现照片级的编辑效果，同时保持非常高的时序一致性。
二、本文方法
2.1 动态视频NeRF模型
下图展示了本文DynVideo-E的整体框架，主要从背景静态空间和前景空间两个层面进行视频编辑。由于以人物为中心的视频通常具有较大的视点变化、复杂的场景内容和复杂的人体动作，因此作者引入了动态NeRF来对这类视频进行表示，本文使用HOSNeRF[2]作为backbone模型。
由于本文的目标是编辑主体人物和视频背景，而主体人物的动作交互保持不变，因此作者在HOSNeRF的基础上删除对象状态来进行简化，简化后的动态NeRF模型由一个动态主体模型和静态场景模型构成。 可以将所有视频帧的动态信息聚合到3D人体空间 中，具体反映在映射到3D空间中的颜色和密度上，形式化可以表示为：
其中 是标准位置编码函数， 和 分别是人体关节和局部关节的旋转角度。而静态场景模型可以将背景的内容聚合到 Mip-NeRF 360 [3] 空间中，同样将高斯参数 映射到三维空间中的颜色 和密度 上，表示如下：
在对动态NeRF模型进行优化时，通过最小化渲染像素颜色与ground-truth像素颜色之间的差异进行训练，这里作者使用MSE损失、LPIPS损失以及Mip-NeRF360自带的正则化损失进行计算。
2.2 基于2D和3D扩散先验的蒸馏采样方法（SDS）
之前的视频编辑方法主要是通过文字提示来指导编辑，但是作者发现，如果给定一张参考图像，模型可以更细粒度的理解用户的编辑目的。为此，本文作者提出使用图像扩散先验来实现更精细的控制。
为了从参考图像中获得更多的3D监督信号，作者使用3D扩散模型提取参考图像固有的3D几何和纹理信息作为3D扩散先验，给定带有噪声预测网络 的3D扩散模型 ，就可以通过最小化添加到渲染图像和预测网络中注入的噪声来构造SDS损失函数，形式化表示如下：
其中图像 是在3D空间中的相机视点 处通过主体人物的姿态 渲染得到的。但是这种从参考图像中直接导出的扩散先验仅来源于人体姿态 ，不足以产生满足对人体交互细节进行处理的3D动态空间，因此作者进一步提出使用基于 2D 文本的扩散先验来进行引导。
然而，直接使用预训练的2D扩散模型先验会阻碍模型从参考图像中学习多样化的内容，因为2D扩散先验更加倾向于从文本描述中提取内容。因此，作者使用LoRA算法对2D扩散模型在参考图像上进行微调，微调过程中使用随机背景替换来增强参考图像的多样性，如上图所示，去除微调过程的模型会错误理解参考图像的个性化内容。
2.3 基于图像的3D背景编辑
在完成视频主体人物的调整后，作者希望能够将给定的2D参考图像中的艺术风格迁移到视频的3D背景中，如下图所示，作者采用最近邻特征匹配风格损失（NNFM）来获取风格信息。
具体来说，作者通过提取渲染背景图像 和参考图像 的VGG特征图 和 ，随后计算渲染特征图与参考特征图之间的余弦距离进行优化：
三、实验效果
本文的实验同时包含了长视频和短视频设置，作者使用HOSNeRF和MeuMan数据集进行评估，其视频分辨率均为1280×720，视频序列长度在300到400帧之间。此外，作者选择了目前的SOTA方法作为baseline方法，其中包括Text2Video-Zero、Rerender A-Video、Text2LIVE、StableVideo 和 CoDeF。
上图展示了本文方法与对比baseline方法的视频编辑效果对比，样例视频中均包含较大的运动和视点变化，因此参与对比的基线方法都无法编辑前景或背景，并且它们的结果无法保持一致的结构。相比之下，本文的 DynVideo-E 可以生成高质量的编辑视频，可以准确地编辑前景主题和背景风格，并保持高度的时序一致性，这在很大程度上优于 SOTA 方法。
此外，作者还通过一系列的标准数值指标和人类偏好评估来量化本文方法的性能，同时计算输出编辑视频的所有帧和相应文本描述之间的平均 CLIPScore 来衡量文本理解能力。如上表所示，本文的DynVideo-E达到了最高的CLIPScore分数。在人类偏好评价方面，通过向评分者展示编辑得到的视频和文本描述，并要求他们根据文本忠实度、时序一致性和整体质量来选择自己喜欢的视频。从表中数据可以看出，本文方法在各个方面均取得了最佳效果，相比现有基线性能提升了将近 50%∼95%。
四、总结
本文引入了一种全新的视频编辑框架DynVideo-E，对以人物为中心的视频实现大规模运动和视图变化的编辑，同时保持高度的时序一致性。DynVideo-E首次提出利用动态 NeRF 作为3D视频的表示，这使得模型的编辑可以在动态3D空间中执行，并通过变形场准确地传播到整个视频。随后，本文提出了一套基于2D、3D扩散先验的多视图蒸馏采样（SDS）方法来对视频主体的交互细节进行增强，对于视频背景，作者设计了基于图像的3D背景编辑方法来将给定参考图像的风格稳定的迁移到生成视频中。
参考资料
[1] Wei Jiang, Kwang Moo Yi, Golnoosh Samei, Oncel Tuzel, and Anurag Ranjan. Neuman: Neural human radiance field from a single video. In European Conference on Computer Vision, pages 402–418. Springer, 2022.
[2] Jia-Wei Liu, Yan-Pei Cao, Tianyuan Yang, Eric Zhong cong Xu, Jussi Keppo, Ying Shan, Xiaohu Qie, and Mike Zheng Shou. Hosnerf: Dynamic human-object-scene neural radiance fields from a single video. arXiv preprint arXiv:2304.12281, 2023.
[3] Jonathan T Barron, Ben Mildenhall, Dor Verbin, Pratul P Srinivasan, and Peter Hedman. Mip-nerf 360: Unbounded anti-aliased neural radiance fields. In Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pages 5470–5479, 2022.
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