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안녕하세요. KDST팀 김현수 입니다.

제가 이번에 소개드릴 논문은 최근 3D Reconstruction, 3D Rendering 분야에서 NeRF를 제치고, 메인 아키텍쳐로 자리잡은 3D Gaussian Splatting 입니다.

arxiv : https://arxiv.org/abs/2308.04079

github : https://github.com/graphdeco-inria/gaussian-splatting

기존에 3D reconstruction 분야에서는 NeRF, Mip-NeRF, Mip-NeRF 360 등 NeRF 기반의 방법론들이 많이 연구되어 왔습니다. 그러나 NeRF의 가장 큰 단점은 시간이 오래 걸린다는 것이고, 이는 real-time rendering 등을 수행하기에 적합하지 않습니다.

InstructNGP 등은 inference 시간이 별로 안 걸리지만, Mip-NeRF 등에 비해서 고해상도의 reconstruction을 할 수 없다는 단점이 있습니다.

본 논문에서는 3D Gaussian을 활용해 high quality real-time rendering을 가능하게 하는 방법론을 제안하고 있습니다.

우선 3D gaussian이란 무엇일까요?

아래 그림은 고등학교때 배운 정규분포(1D Gaussian)와 이를 2차원으로 표현한 2D Gaussian의 형태입니다.

3D Gaussian도 이와 유사하게, 한 차원만 추가해주면 됩니다. 이는 구 형태로 생겼는데, 우측 그림의 3D Gaussian Visualization을 자세히 보면, 숲이 여러개의 초록색 구 형태가 합쳐져서 구성되어 있음을 알 수 있습니다.

위에서 설명했듯, 본 논문에서는 이러한 3D Gaussian 즉, 구 형태를 최적화하여 3D scene을 표현할 수 있도록 학습합니다.

아래 그림은 3D Gaussian이 학습되는 flow입니다.

입력으로 들어 오는 것은 한 object를 여러 각도에서 찍은 image들 입니다. 이를 SfM 알고리즘을 이용하여 SfM points들을 찾아내어 Gaussian들의 initialization parmeter로 활용합니다.

SfM 알고리즘이란 Photo Tourism: Exploring Photo Collections in 3D 논문에서 제안한 알고리즘으로, 하나의 대상을 촬영한 여러장의 입력 이미지로부터, 이 대상의 representation을 잘 나타낼 수 있는 point cloud들을 찾아내는 알고리즘입니다.

Gaussian Splatting에서는 이렇게 찾은 point들을 Gaussian의 초깃값으로 사용합니다.

조금 더 구체적으로는 이를 Gaussian의 평균값(M)으로 초기화하는데, 이 외에도 S(covariance), C(color), A(opacity) 등을 초기화해줍니다.

이렇게 Gaussian을 초기화해줬으면, input으로 받은 각 이미지들에서의 각도와 함께 이를 projection 시켜주고, 이를 미분가능한 Tile Rasterizer를 활용해 loss를 계산할 수 있는 이미지 I 형태로 만들어줍니다.

알고리즘으로 보면 아래와 같습니다.

이렇게 구한 이미지 I와 우리가 원래 알고있던 ground truth I hat을 이용해 loss를 계산해줍니다. 이때, loss function으로는 L1 loss와 SSIM loss를 함께 사용합니다.

loss를 계산한 뒤 rasterizer가 미분 가능하기 때문에 역전파를 통해 gaussian들의 각 파라미터(M,S,C,A)를 업데이트 해줍니다.

이때 Adaptive Density Control이란 알고리즘이 작용하는데, Gaussian의 크기가 너무 크거나 작으면 이를 복제 / 분할 하여 표현하고자 하는 representation을 잘 담을 수 있게 만들어주는 것입니다.

Gaussian의 공분산이 너무 크면 이를  Split해주고, 너무 작으면 이를 Clone하여줍니다.

전체적인 프로세스를 알고리즘과 함께 보면 아래 그림과 같습니다.

실험 결과는 정말 놀라운데, 이전에 가장 속도가 빨랐던 InstructNGP는 물론, SOTA 모델이였던 Mip-NeRF 360 보다도 훨씬 좋은 3D reconstruction 성능을 보여주고 있습니다. 특히 디테일한 부분도 3DGS는 굉장히 잘 잡는 것을 볼 수 있습니다.

정량 지표 역시 다른 기존의 모델들 보다 훨씬 좋음을 보여주고 있습니다.

더 많은 실험 결과 및 real time rendering 결과(video)는 공식 프로젝트 사이트 혹은 논문을 참고하시기 바랍니다.

읽어주셔서 감사합니다.

안녕하세요. KDST팀 김유진입니다. 6월 14일에 진행했던 Image Editing에 대한 세미나 내용을 간략하게 요약해보도록 하겠습니다. 이번에 소개해 드릴 논문은 Text-to-Image model 기반의 Image editing 연구로 유명한 "Prompt-to-prompt image editing with cross-attention control", "Plug-and-Play Diffusion Features for Text-Driven Image-to-Image Translation" 입니다.

Diffusion model기반의 Image editing을 수행하기 위한 방법론은 크게 3가지로 나눌 수 있습니다. 

1. Training-based: 모든 아키텍처를 training하여 target data distribution에 대해서 stable하게 학습할 수 있는 방법
2. Testing-Time Finetuning-based: pre-trained diffusion model을 target data로 finetuning 하는 방법 또는 특정 identifier token의 embedding만을  optimize하는 방법 
3. Training and Finetuning Free-based: Source이미지나 target 이미지가 필요 없으며, low-cost로 image editing을 수행하는 방법

그 중에서도 오늘 소개해드릴 방법론은 3. Training and Finetuing Free-based Image editing 에 해당하는 연구이며, 그 중에서도 Text-to-Image diffusion model 기반의 image editing으로 유명한 P2P, PnP를 다룹니다. 

(ICLR-2023, notable top-25%) Prompt-to-prompt image editing with cross-attention control

본 논문에서는 기존의 Text-to-Image model (DALLE, Imagen etc) 들은 일반적으로 source 이미지의 semantic information을 유지하며 세밀한 부분을 control하는것에 큰 어려움이 있음을 motivation으로 주장합니다. 

또한 기존의 Image editing 방법론들은 masking 기법으로 수정하길 원하는 range를 heurisitic하게 정하여 원하는 부분만을 control 하는데, 이러한 방법론은 source image에 따라서 hand-craft 방식으로 mask를 지정해줘야하는 limitation이 존재한다고 주장합니다. 
본 논문에서는 번거로운 기법 없이, Prompt상에서의 textual editing 만으로도 원하는 부분만을 수정할 수 있으며, 이는 Diffusion process에서 오직 cross-attention map을 변경해주는 연산만을 통해서 구현할 수 있음을 주장하고 있습니다. 

P2P 논문에서는 위 그림과 같이 3가지의 경우에 대해서 image editing을 수행할 수 있다고 합니다. 

1. Word swap: Source prompt의 특정 단어를 원하는 단어로 교체하는 경우
(ex: $P$=“a cat riding a bicycle” to $P^∗$=“a cat riding a car”)

Word swap 기법은 Gaussian distribution으로부터 random initalize된 동일한 image latent로부터 각 각 source prompt, target prompt로 이미지를 생성한 후, source prompt로부터 생성한 이미지의 cross-attention map을 target prompt로 생성한 이미지의 cross-attention map에 주입 (injection) 하는 방법입니다. 예를 들어, "A cat riding a bicycle" 이라는 source prompt에서 bicycle을 car로 editing을 수행하고 싶다면, "bicycle" 이라는 text에 해당하는 cross-attention map을 "car"에 해당하는 cross-attention map 으로 변경합니다. cross-attention map을 injection 하는 시점은, Diffusion의 denoising 스텝에서 특정 time step이 $tau$ 이하일 때에만 수행합니다. 

특정 $tau$ 를 점차 T시점에서 에서 0 시점으로 옮길 때 editing 되는 이미지의 결과는 아래와 같습니다. 

2. Prompt Refinement: Source prompt에 원하는 스타일의 prompt가 추가되는 경우
(ex: $P$=“a castle” to $P^∗$=“children drawing of a castle”)

Source prompt에 원래 존재했던 토큰들에 대한 cross-attention map은 유지한 채로, target prompt에서 새롭게 추가된 text에 대한 cross-attention map 만을 새로 주입하는 방법론입니다. Prompt Refinement를 수행하면, source image의 semantic information은 유지된 채로, 추가된 target prompt의 스타일만이 입혀지게 되는 효과가 나타납니다. 

3. Attention Re-weighting: Source prompt의 특정 단어 영향력을 강화/약화하는 경우

(ex: $P$="The boulevards are crowed today")

Source prompt의 cross attention map에서 영향력을 바꾸고 싶은 text에 해당하는 cross attention map에 곱해지는 scale을 조정하며 image editing을 수행합니다. 이때, scale parameter c는 $c\in[-2,2]$ 제약조건을 따릅니다. 

이처럼 prompt-to-prompt 방법론은 모델 아키텍처를 따로 training이나 fine-tuning 시키지 않고도 단순히 text editing과 그에 따른 Cross-attention map injection 연산을 통해, source image의 semantic information을 유지한 채, 원하는 스타일로 editing할 수 있음을 보입니다. 흥미로운 다른 결과들은 논문을 참조해주세요. 

안녕하세요, KDST팀 이원준입니다.

진행하였던 논문 세미나 내용 간단하게 전달드리겠습니다.

본 논문의 Contribution은 다음과 같습니다

• LM이 스스로 external tool을 쓰도록 학습할 수 있게 한다.
• 언제, 어떻게, 어떤 API를 사용할지 스스로 결정할 수 있도록 한다.
• Self-supervised 방법을 통해 다양한 tool들의 적절한 사용 방법 학습하도록 한다.

논문에서 지적하는 기존의 LLM들의 몇가지 한계들은 다음과 같습니다.

• 날짜 기반에 대한 최신 정보에 액세스할 수 없음
• Hallucination
• 비교적 학습이 덜 된 언어에 대한 어려움
• 정확한 수학적 계산을 수행할 수 있는 수학적 기술의 부족
• 현재 시간에 대한 부족한 이해

이러한 한계들을 극복하기 위해 가장 간단한 방법은 검색 엔진, 계산기 또는 달력과 같은 외부 도구를 사용할 수 있는 기능을 제공하는 것입니다. 그러나 기존 접근 방식은 많은 양의 Human Annotation에 의존하거나 task-specific한 설정에만 도구 사용을 제한하여 LM에서 도구 사용을 광범위하게 사용하지 못한다는 단점이 존재합니다. 

따라서, 본 논문에서는 Toolformer를 제안함으로써 기존의 LM의 한계와 기존의 접근 방식에 대한 새로운 방향을 제시합니다. 

Toolformer는 크게 3단계로 이루어집니다. 

1. Sample API Calls : 모델이 텍스트에서 특정 위치를 선택하고 해당 위치에서 가능한 API 호출을 추출하는 과정
2. Execute API Calls : 샘플링된 API 호출이 실제로 실행되는 과정
3. Filter API Calls : 실행된 API 호출 중 텍스트 내 다음 토큰 예측에 도움이 되는 호출만 필터링하여 선택

API call에 대한 예시는 위 사진과 같습니다.

Sample API calls 단계에서는 

위 식을 통해 입력 시퀀스에서 API가 𝑖 위치에서 호출될 확률을 계산합니다. 이렇게 계산된 모든 위치에 대한 확률 중 일정 Threshold를 넘는 위치만 선택적으로 API call을 수행하게 됩니다. 

Filter API calls 단계에서는

각각에 위치에서 호출되었을 때의 loss 값을 계산하여 Filtering을 진행하게 됩니다. 

L+ : API 호출과 그에 대한 Response가 모두 제공되는 경우의 손실

L- : API 호출이 이루어지지 않거나 API 호출만 제공되는 경우 중 최솟값 

결론적으로 두 Loss의 뺀 값에 Threshold보다 높으면 해당 위치를 API를 호출하기에 적합한 위치라고 판단하는 과정을 진행하게 됩니다. 

실험 결과 파트는 아래와 같습니다. 

사용되는 모델은 기본적으로 GPT-J 모델을 채택하였으며 데이터 셋은 CCNet을 사용하였습니다. 

논문에서는 C로 표기하며 C*는 API call이 포함된 데이터셋을 의미합니다. 

실험 전반적으로 Toolformer 방법론을 통해 학습된 모델이 우수한 성능을 보이고 있으며, 더욱 자세한 실험 결과와 분석에 대한 내용은 논문을 참고해주시면 감사하겠습니다.

안녕하세요. KDST팀에서 학점연계 현장실습 인턴을 하고 있는 성균관대학교 데이터사이언스융합전공 김지환입니다. 제가 이번에 소개드릴 논문은 이번 EMNLP 2023에 억셉된 논문인 'Text Embeddings Reveal (Almost) As Much As Text'입니다. 

논문 링크(arxiv): Text Embeddings Reveal (Almost) As Much As Text

github 링크: https://github.com/jxmorris12/vec2text

이 논문에서는 기존에는 잘 되지 않았던, text를 embedding한 vector로부터 원본 텍스트로 복원하는 embedding inversion problem을 다루고 있습니다. 본 논문에서는 이 문제를 통제된 생성; 즉 잠재 공간 내에서 고정된 벡터에 가까워지도록 텍스트를 생성하는 문제로 규정하여 해결합니다.

이 문제를 해결하기 위해 저자들은 Vec2Text라는 방법론을 제안합니다. 반복적으로 텍스트 임베딩을 교정하고 텍스트로 다시 임베딩하는 방식입니다. 대략적인 컨셉은 아래 그림과 같습니다.

저자들은 Vec2Text라는 방법을 사용하여 32개의 토큰 텍스트에 대하여 text embedding으로부터 원본 텍스트의 92%까지 복원하는데 성공하였고, clinical note 데이터셋에서 임의처리한 개인 정보를 복원하는 데 성공했다고 주장하며, 의료 분야와 같은 민감한 도메인에서 임베딩 벡터도 원본 텍스트와 동일하게 데이터 프라이버시 보호를 위한 조치가 필요하다고 강조했습니다.

추가적으로, 본 논문에서는 위와 같은 텍스트 임베딩으로부터 원본 텍스트를 생성하여 데이터 프라이버시가 침해되는 문제, 즉 inversion attack을 해결하기 위해, 0.1에서 0.01과 같은 낮은 수준의 노이즈를 주입하는 방법을 제안합니다.

하지만 저자들이 제안한 Vec2Text 방법에는 몇가지 한계가 존재합니다.

우선 임베딩으로부터 텍스트를 reconstruct하는 과정에서는 noise를 주입해서 학습하지 않았기 때문에, 만약 noise를 주입하여 텍스트를 생성하도록 학습했을 때는 inversion attack에 어떤 양상이 나올지 모른다는 점입니다.

그리고 현재 LLM을 통해서 생성하는 텍스트의 토큰 길이는 수천 토큰 이상으로 긴데, 아직 32개의 토큰에서 128개의 토큰까지의 복원을 하지 못했다는 점, 그리고 저자들은 iteration 수를 50회와, beam search 시 beam의 용량을 8회로 한정했다는 점에서 각각 long text에 대한 scablility, 그리고 search thoroughness에 대한 한계가 있습니다.

또한 이 상황의 경우에는 모델과 원본 텍스트, 원본 텍스트에 대한 임베딩 벡터에 대한 접근이 가능하다는 전제가 있기 때문에, 모델 접근이 가능하다는 점을 염두한 상황이라는 점에서 다소 한정적인 상황에서만 사용이 가능하다는 점이 한계입니다.

개인적으로는 텍스트 임베딩으로부터 원본 텍스트 토큰을 복원하는, 새로운 패러다임을 제시한 논문이라는 생각이 듭니다.

자세한 내용은 논문을 참조해보시면 좋을 것 같습니다. 읽어주셔서 감사합니다.

내년 2월에 밴쿠버에서 열리는 AAAI 2024 학회에 작년에 이어 또 다시 2편의 논문을 발표하게 되었습니다. 

올 한해도 모두들 수고하셨고 저희 블로그 방문해 주시는 분들도 새해 복 많이 받으세요~!

"REPrune: Channel Pruning via Kernel Representative Selection"

"Catch-up Mix: Catch-up Class for Struggling Filters in CNN"