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1.背景意義

世界模型（World Models）由于其理解環境、和環境交互的能力，正在自動駕駛領域引起廣泛關注。世界模型具有生成高質量駕駛視頻和用于端到端駕駛的巨大潛力。然而，目前在自動駕駛領域的世界模型研究主要關注游戲環境或模擬環境，缺乏對真實世界駕駛情景的表現。因此，我們引入了DriveDreamer，這是一個完全源自真實世界駕駛情境的開創性世界模型。考慮到在復雜駕駛場景中對世界進行建模涉及龐大的搜索空間，我們提出使用強大的擴散模型來構建對復雜環境的表征。此外，我們引入了一個兩階段的訓練流程。在初始階段，DriveDreamer獲得了對結構化交通約束的深刻理解，而隨后的階段則賦予了它預測未來狀態的能力。所提出的DriveDreamer是首個建立在真實世界駕駛情境之上的世界模型。我們在具有挑戰性的nuScenes基準上實例化了DriveDreamer，并進行了大量實驗，驗證了DriveDreamer能夠實現精確可控的視頻生成，忠實地捕捉了真實世界交通情景的結構約束。此外，DriveDreamer使得生成逼真和合理的駕駛策略成為可能，為互動和實際應用開辟了途徑。

圖1. 所提出的DriveDreamer展示了對自動駕駛場景的全面理解。它在可控駕駛視頻生成方面表現出色，能夠與文本提示和結構化交通約束完美配合。DriveDreamer還可以與駕駛場景互動，并根據輸入的駕駛動作預測不同的未來駕駛視頻。此外，DriveDreamer還擴展了其實用性，可以預測未來的駕駛動作。

2. 相關工作

2.1 擴散模型（Diffusion Models）

擴散模型代表了一類概率生成模型的家族，它們逐漸引入噪聲到數據中，隨后學習逆轉這一過程，以生成樣本。這些模型最近引起了廣泛關注，因為它們在各種應用中表現出卓越性能，為圖像合成、視頻生成和三維內容生成設定了新的基準。ControlNet、GLIGEN、T2I-Adapter和Composer等文章進一步引入了額外的學習參數來增強可控生成能力。它們利用了各種控制輸入，包括深度圖、分割圖、Canny邊緣和草圖。同時，BEVControl和CityDreamer加入了布局條件來增強圖像生成。基于擴散的生成模型的基本本質在于它們理解和理解世界的復雜性。借助這些擴散模型的力量，DriveDreamer旨在理解復雜的自動駕駛場景。

2.2 Video Generation

視頻生成和視頻預測是理解視覺世界的有效方法。在視頻生成領域，已經采用了幾種標準架構，包括變分自編碼器（VAEs）、自回歸模型、基于流的模型和生成對抗網絡（GANs）。最近，新興的擴散模型也已擴展到視頻生成領域，展示了更高質量的視頻生成能力，能夠生成逼真的幀和幀之間的連續過渡，同時提供可控的視頻生成能力。視頻預測模型代表了視頻生成模型的一種專門形式，它們共享許多相似之處。具體而言，視頻預測涉及根據歷史視頻觀察來預測未來視頻變化。DriveGAN通過指定未來的駕駛策略，建立了駕駛動作和像素之間的關聯，從而預測未來的駕駛視頻。相比之下，DriveDreamer將結構化交通條件、文本提示和駕駛動作作為輸入，實現了與真實世界駕駛情景緊密對齊的精確、逼真的視頻和動作生成。

2.3 World Models

世界模型已在基于模型的模仿學習中得到廣泛探討，并在各種應用中取得了顯著的成功。這些方法通常利用VAE和LSTM來建模轉換動態和渲染功能。世界模型的目標是建立環境的動態模型，使代理能夠對未來有預測能力。在自動駕駛領域，這一方面至關重要，因為對未來的精確預測對安全操控至關重要。然而，在自動駕駛中構建世界模型面臨著獨特的挑戰，主要是由于真實世界駕駛任務中固有的高樣本復雜性。為了解決這些問題，ISO-Dream引入了對視覺動態的明確解纏分為可控狀態和不可控狀態。MILE 將世界建模融入BEV語義分割空間中，通過模仿學習增強了世界建模。SEM2 將Dreamer框架擴展到BEV分割圖中，采用強化學習進行訓練。盡管在世界模型方面取得了進展，但相關研究的一個關鍵局限性在于其主要關注模擬仿真環境。轉向真實世界駕駛情景仍然是一個未充分探索的領域。

3. DriveDremear方法設計

DriveDreamer的總體框架如下圖所示。框架始于初始參考幀及其對應的道路結構信息（即HDMap和3D框）。DriveDreamer利用提出的ActionFormer來在潛在空間中預測即將到來的道路結構特征。這些預測的特征作為條件提供給Auto-DM，后者生成未來的駕駛視頻。同時，利用文本提示允許對駕駛情景風格進行動態調整（例如，天氣和時間）。此外，DriveDreamer還結合了歷史行動信息和從Auto-DM中提取的多尺度潛在特征，這些特征組合在一起生成合理的未來駕駛動作。

圖2. DriveDreamer框架圖

DriveDreamer集成了多模態輸入，以生成未來的駕駛視頻和駕駛策略，從而提升了自動駕駛系統的能力。關于在真實世界駕駛情景中建立世界模型的龐大搜索空間，我們引入了DriveDreamer的兩階段訓練策略。這個策略旨在顯著提高采樣效率并加速模型的收斂速度。兩階段訓練如下圖所示。在第一階段訓練中有兩個步驟。第一步涉及使用單幀結構化條件，引導DriveDreamer生成駕駛場景圖像，促進其理解結構性交通約束。第二步將其理解擴展到視頻生成。利用交通結構條件，DriveDreamer輸出駕駛場景視頻，進一步增強了其對運動過渡的理解。在第二階段，訓練的重點是使DriveDreamer能夠與環境互動并有效地預測未來狀態。這個階段將初始幀圖像及其對應的結構化信息作為輸入。同時，提供了順序駕駛動作，模型被期望生成未來的駕駛視頻和未來的駕駛動作。這種互動賦予了DriveDreamer預測和操控未來駕駛情景的能力。在接下來的章節中，我們將深入探討模型架構和訓練流程的具體細節。

圖3. 兩階段訓練流程圖

3.1 一階段訓練

在DriveDreamer中，我們引入了Auto-DM，用于從真實世界駕駛視頻中建模和理解駕駛情景。值得注意的是，僅從像素空間理解駕駛場景在真實世界駕駛情景中存在挑戰，因為搜索空間非常廣泛。為了緩解這一問題，我們明確地將結構化交通信息作為條件輸入。Auto-DM的總體結構如下圖所示，結構化交通條件被投影到圖像平面上，生成HDMap條件，以及3D框條件，還有框的類別。為了實現可控性，HDMap條件被2D卷積編碼后與由前向擴散過程生成的嘈雜的潛在特征進行串聯處理。對于3D框條件，我們利用Gated Self-attention（參考GLIGEN）進行控制條件的嵌入。為了進一步增強Auto-DM對駕駛動態的理解能力，我們引入了Temporal-attention，這些層增強了生成的駕駛視頻中的幀的連貫性：首先，我們將視覺信號從N×C×H×W重塑為RC×NHW的形狀。這種形狀變換有助于后續的自注意力層學習幀間的動態關系。此外，還使用了Cross-attention來促進文本輸入和視覺信號之間的特征交互，使文本描述能夠影響駕駛場景屬性，如天氣和時間。

圖4. Auto-DM框架圖

3.2 二階段訓練

目前一階段的Auto-DM可以基于序列結構信息生成駕駛視頻。然而，在視頻預測任務中，超過當前時間戳的未來交通結構條件是不可用的。為了解決這個挑戰，我們在第二階段的訓練中引入了ActionFormer，它利用駕駛動作來迭代預測未來的結構條件。ActionFormer的總體架構如下圖所示。首先，初始結構條件被編碼并展平為1D特征。該特征特征通過自注意力和MLP層進行串聯和匯總，生成隱藏狀態h0。隨后，利用交叉注意力層構建了隱藏狀態和駕駛動作之間的關聯。為了預測未來的隱藏狀態，我們使用門控循環單元（GRUs）進行迭代更新：這些隱藏狀態與動作特征進行串聯，然后被解碼為未來的交通結構條件。值得注意的是，ActionFormer在特征級別預測未來的交通結構條件，這有助于減輕像素級別的噪音干擾，從而產生更魯棒的預測。除了ActionFormer生成的交通結構條件和文本提示條件外，我們參考Video-LDM處理初始的圖像觀測。最后，我們將得到的交通結構化條件、初始幀圖像條件、以及文本條件一起作為Auto-DM的輸入。在二階段訓練中，視頻預測和動作預測部分可以被建模為高斯分布和拉普拉斯分布。因此，我們使用均方差誤差和L1損失來優化視頻預測的訓練。對于駕駛策略的預測，我們首先從Auto-DM中池化多尺度UNet特征。然后，將這些特征與歷史動作特征串聯在一起，然后通過MLP層解碼生成未來的駕駛動作。基于這兩階段的訓練，DriveDreamer已經獲得了對駕駛世界的全面理解，包括交通結構的結構約束、未來駕駛狀態的預測以及與已建立的世界模型進行互動。

圖5. ActionFormer結構圖

4. 實驗結果

4.1 可控視頻生成

如圖6所示，DriveDreamer在生成各種各樣嚴格遵循結構化交通條件（包括HD地圖和3D框等元素）的駕駛場景視頻方面表現出效果。重要的是，我們還可以操控文本提示來誘發生成視頻的變化，包括天氣和一天中時間的變化。這種增強的適應性顯著提高了生成視頻輸出的多樣性。除了利用結構化交通條件生成駕駛視頻外，DriveDreamer還具備通過適應不同駕駛動作來增加生成的駕駛視頻多樣性的能力。如圖7所示，從初始幀及其對應的結構信息開始，DriveDreamer可以基于各種駕駛動作生成不同的視頻，例如顯示左轉和右轉的視頻。總之，DriveDreamer在生成廣泛范圍的駕駛場景視頻方面表現出色，具有高度可控性和多樣性。因此，DriveDreamer在培訓自動駕駛系統上具有巨大潛力，涵蓋了各種任務，甚至包括邊際情況和長尾場景。為了量化我們的兩階段訓練方法的優勢，我們提供了定量評估（如表1所示），與DriveGAN相比，我們的方法在沒有第一階段訓練的情況下獲得了更高的FID和FVD分數。此外，我們的研究結果表明，經過第一階段訓練后的DriveDreamer表現出對駕駛場景中的結構化信息的理解能力提高，從而生成更高質量的視頻。最后，我們觀察到，所提出的ActionFormer有效地利用了第一階段訓練期間獲得的交通結構信息知識。進一步提高了生成視頻的質量。

圖6. 使用結構化交通條件（HDMap和3D框）生成駕駛視頻，其中利用文本提示來調整駕駛情景的風格（例如，天氣和時間）。

圖7. 基于駕駛策略生成未來駕駛視頻，不同的駕駛動作（例如，左轉，右轉）可以產生相應的駕駛視頻。

表1. 在nuScenes驗證集上的視頻生成性能評測。

4.2 駕駛策略生成

除了生成可控的駕駛視頻外，DriveDreamer還展示了預測合理駕駛動作的能力。如圖8所示，給定初始幀條件和過去的駕駛動作，DriveDreamer可以生成與真實世界情景相符的未來駕駛動作。與相應的實際視頻進行的生成動作的比較分析表明，即使在復雜情況下，如十字路口、遵守交通信號燈和執行轉彎，DriveDreamer仍然能夠一致地預測合理的駕駛動作。此外，我們進行了預測準確性的定量評估。在nuScenes數據集上進行的開環評估結果如表2所示。值得注意的是，僅使用歷史駕駛動作作為輸入，DriveDreamer在預測未來駕駛動作方面實現了高準確性。偏航角的平均預測誤差僅為0.49°，速度預測誤差僅為0.15 m/s。此外，通過將多尺度UNet特征與歷史駕駛動作結合使用，我們進一步提高了預測準確性。需要注意的是，開環評估具有固有的限制，限制了駕駛動作預測的上限。因此，我們未來的工作將集中在閉環評估上，以進一步驗證和增強DriveDreamer的性能。

圖8. 預測未來駕駛動作的可視化，以及相應的實際駕駛視頻。

表2.在nuScenes驗證集上的駕駛策略預測性能評測。

5. 總結和展望

DriveDreamer代表了在自動駕駛領域中世界模型的重要探索，通過專注于真實世界的駕駛情境，并利用擴散模型的能力，DriveDreamer展示了其理解復雜環境、生成高質量駕駛視頻和預測駕駛策略的能力。未來的工作將包括使用由DriveDreamer生成的數據來訓練駕駛的foundation model。此外，我們計劃擴展DriveDreamer的能力，以進行長時間和高分辨率的視頻生成。此外，我們打算在閉環場景中評估DriveDreamer。這些努力將共同有助于增強世界建模在自動駕駛應用中的實用性。

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