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摘要—近年來，視覺識別方法取得了顯著進展，廣泛應用于各個領域。在研究者們探索這些模型成功背后的機制時，越來越多的動力推動著它們在關鍵領域，如自動駕駛和醫療診斷中的應用，以便更好地診斷故障，這促進了可解釋性研究的發展。本文系統回顧了現有的視覺識別模型可解釋性研究，并從以人為中心的視角提出了一種方法分類法。該分類法基于意圖、對象、展示和方法學，將可解釋的識別方法進行分類，從而為這些XAI方法建立了一套系統且連貫的分組標準。此外，我們總結了評估指標的需求，并探討了近期技術（如大規模多模態模型）帶來的新機遇。我們旨在組織現有領域的研究，并激發未來對視覺識別模型可解釋性進行的深入探索。

關鍵詞—XAI，解釋性人工智能，可解釋性，視覺識別。

1 引言

視覺識別方法經歷了廣泛的發展，并已成功應用于多個領域。此外，研究人員越來越多地探討這些系統有效性的潛在機制，這一領域被稱為可解釋性研究。本文系統回顧了可解釋視覺識別方法，旨在幫助研究人員和開發者，甚至是那些沒有可解釋性領域背景的人，直觀地理解各種可解釋視覺識別方法的特點。

1.1 背景

視覺識別模型的快速發展和應用徹底改變了多個領域，如醫療診斷、自動駕駛和監控系統。然而，盡管這些模型在實踐中取得了成功，它們通常作為“黑箱”運行，幾乎沒有提供任何關于如何從輸入推導出具體輸出的洞察。隨著這些模型在決策過程中扮演著越來越重要的角色，理解它們預測背后機制的需求變得至關重要。 這一需求促使了解釋性人工智能（XAI）這一領域的興起，XAI致力于解釋和闡明AI算法的內部工作機制，特別是那些驅動視覺識別技術的復雜深度學習模型。XAI通過揭示模型行為和決策邊界的可視化方法，旨在減少這些模型的“黑箱”效應。以往的研究表明，除了直接幫助診斷模型故障外，可解釋性顯著增強了終端用戶對AI模型的信任，并促進了更有效的人機交互。

具體而言，視覺識別是多模態系統中視覺組件的基礎任務，其準確性和魯棒性對于后續更高層任務的性能至關重要。如圖1所示，視覺識別模型采用相對標準化的處理流程，這使得它們與其他AI模型有所區別：它們接受視覺信號作為輸入，并生成概念或類別標簽作為輸出。在當今的應用中，開放詞匯識別已成為主流需求，這突顯了視覺識別與文本模態的結合，后者是主流人機交互的主要模態。輸入和輸出的多樣性顯著增加了視覺識別領域中XAI研究的復雜性。

例如，在圖1中，現有技術如激活映射、神經元可視化和概念瓶頸分別提供了區域、特征和語義重要性的分析，從而為用戶提供了一個可以理解的預測依據。然而，以前的研究指出，無論是提供解釋，還是提供何種解釋，都可能對人類信任產生正面或負面的影響。視覺識別模型中的可解釋性復雜性給研究人員帶來了巨大的挑戰，使他們難以全面理解這一領域的發展，這促使本文系統回顧了視覺識別的XAI的最新進展和持續研究。

1.2 術語和范圍

XAI是“解釋性人工智能”（eXplainable Artificial Intelligence）的常用縮寫，指的是一組用于使AI模型的輸出和操作對人類可理解的過程和方法。目前，研究XAI的動機在于，大多數未專門設計為具備可解釋性的AI模型都是黑箱模型；這些模型的結構過于復雜，使得人類難以理解它們的工作機制。因此，可解釋性研究可以分為兩種方法：一種是通過可視化、探測和擾動等技術，理解已訓練的黑箱模型的工作細節，而不對其進行修改；另一種是在模型架構設計中引入可解釋模塊，從而實現內在可解釋性。在一些研究中，前者被稱為“可解釋性”，后者被稱為“可解釋性”。然而，大多數XAI研究并未區分這兩個術語；因此，本文也將它們視為等同的。在強調它們的差異時，會使用更明確的術語，如前者的后驗方法和后者的自解釋模型。 本文主要研究視覺識別模型，特別是那些用于識別或理解圖像中的物體的AI模型。通常，這些模型接受圖像 x 作為輸入，通過骨干特征提取器 f 提取圖像特征 z，并使用分類器頭 g 生成識別結果 y?。目前，主流的視覺識別模型可解釋性研究主要集中在圖像特征 z 和分類器 g 上，而關于骨干 f 的研究仍處于早期階段，主要聚焦于其頂層，因為這些層更可能包含語義信息。對于后驗方法和自解釋模型，提供給研究人員、開發者或用戶的解釋通常呈現在識別流程之外，并且種類繁多。由于視覺任務之間的耦合性，基于定位的可解釋性研究經常擴展到檢測和分割領域，而面向語義和自然語言交互的目標本質上與多模態技術緊密相關。因此，本文也將簡要討論這些領域中的少數相關工作。

1.3 貢獻與局限性

本文與以往的工作相比，有兩個主要的不同點：它專注于針對視覺識別模型的XAI研究，并從多維、以人為中心的視角系統地組織相關的XAI方法。由于XAI是一個廣泛的研究領域，過于寬泛的綜述可能缺乏聚焦性和實際應用性。通過集中于視覺識別任務，本文以更詳細且面向任務的方式對相關方法進行分類，從而增加了綜述的實用性。此外，由于可解釋性本質上是為了服務于人類用戶，因此從人的角度組織方法既自然又合適。 本文提出的多維框架使得用戶能夠高效理解視覺識別XAI的最新進展，并能迅速定位適合特定應用的方法。然而，將這一分類法擴展到涵蓋更廣泛的視覺任務仍面臨若干挑戰，包括需要適應不同模態和多變的背景。解決這些復雜性需要進一步的研究，以有效地調整和擴展所提出的分類法。

摘要——理解和復現真實世界是人工通用智能（AGI）研究中的關鍵挑戰。為實現這一目標，許多現有方法（如世界模型）試圖捕捉物理世界的基本規律，以實現更精確的模擬和更有意義的交互。然而，當前的方法通常將不同模態（包括2D圖像、視頻、3D和4D表示）視為獨立的領域，而忽略了它們之間的相互關聯。此外，這些方法通常僅關注現實世界的某個孤立維度，而未能系統性地整合它們的聯系。因此，在本綜述中，我們提出了一個統一的多模態生成模型綜述，研究數據維度在真實世界模擬中的演進過程。具體而言，我們從2D生成（外觀）出發，擴展到視頻生成（外觀+動態）和3D生成（外觀+幾何），最終達到整合所有維度的4D生成。據我們所知，這是首次嘗試在單一框架內系統性地統一2D、視頻、3D和4D生成的研究。為引導未來研究，我們提供了對數據集、評測指標和未來方向的全面回顧，并為初學者提供深入見解。本綜述旨在作為一座橋梁，推動多模態生成模型與真實世界模擬在統一框架下的發展。 索引詞——生成模型，圖像生成，視頻生成，3D生成，4D生成，深度學習，文獻綜述

【2 基礎知識】 本部分對深度生成模型的基本原理做了簡要回顧。論文中介紹的各類生成模型都旨在通過深度神經網絡近似真實數據的分布。文中詳細討論了幾種主流模型：

1. 對抗生成網絡采用生成器與判別器相互博弈的方式，使得生成樣本逐步逼近真實數據；
2. 變分自編碼器通過構建編碼和解碼網絡，并借助變分推斷思想，對數據進行低維壓縮與重構，盡管存在后驗坍縮與生成圖像模糊的問題；
3. 自回歸模型將多維數據分解為條件概率的乘積，從而使得每一步的生成都依賴于前面生成的內容，雖然這一方法便于明確建模概率密度，但并行化能力較弱；
4. 正則化流模型利用可逆網絡將簡單分布映射到復雜數據分布，雖然能夠明確計算概率密度，但其表達能力存在一定限制；
5. 擴散模型則通過逐步添加噪聲和逆過程重建數據，實現高質量樣本生成，但相對計算過程較為昂貴。

──────────────────────────── 【3 各范式下的真實世界模擬】 論文按照數據維度的增長，系統地將真實世界模擬劃分為四個層次，即二維生成、視頻生成、三維生成和四維生成，每個層次均著眼于不同的屬性建模。 【3.1 二維生成】 在二維生成部分，重點討論了文本到圖像的生成技術。利用擴散模型、預訓練語言模型及自編碼器等技術，現有方法已能夠從文本描述中生成高質量、語義準確的圖像。論文中詳細介紹了Imagen、DALL-E、DeepFloyd IF、Stable Diffusion及其擴展版本（如SDXL和FLUX.1）等模型，這些模型通過多階段生成、跨模態編碼以及高效的降噪技術，在圖像外觀建模方面取得了顯著成效。

【3.2 視頻生成】 視頻生成技術在二維圖像生成的基礎上增加了時間維度，面臨更高的時空一致性要求。論文將當前視頻生成方法歸納為基于變分自編碼器與對抗生成網絡、基于擴散模型以及自回歸模型三大類：

1. 基于變分與對抗方法的研究通過分離內容與運動分量來實現視頻幀的連續合成；
2. 擴散模型則在原有圖像生成架構上進行擴展，引入時空聯合訓練和多分辨率超分辨技術，確保生成視頻在運動和細節上都具有高保真性；
3. 自回歸方法通過將視頻幀編碼成離散的潛在符號序列，再對這些序列進行建模，從而在多模態信息（如文本、圖像和音頻）的協同作用下完成視頻生成。論文同時指出，視頻生成在視頻編輯、視角合成及人物動畫等應用中具有廣泛前景，并詳細討論了相關技術的優勢與不足。

【3.3 三維生成】 三維生成部分主要關注對物體幾何和外觀信息的全面建模。論文首先討論了三維數據表示方式，分為明確表示（如點云、體素網格、網格模型和三維高斯分布）、隱式表示（通過連續函數描述物體表面，如符號距離函數與神經輻射場）以及混合表示（結合前兩者優點，通過混合體素或基于四面體網格等方法實現高效表達）。在算法層面，論文介紹了文本到三維生成、圖像到三維生成以及視頻到三維生成三種任務。 （1）在文本到三維生成中，有兩大類方法：一種是前向傳播方法，直接從文本編碼中得到緊湊的三維表示；另一類是基于優化的方法，通過利用文本到圖像的預訓練模型產生中間視角，再借助擴散模型或其他損失函數進行三維結構的精細化優化。 （2）圖像到三維生成主要利用已有圖像數據，通過編碼壓縮網絡和生成模型得到符合輸入圖像特征的三維資產； （3）視頻到三維生成則利用視頻中的多視角信息，通過時空一致性訓練，生成既具有細節又滿足多視角約束的三維結構。論文中對各類方法的優缺點進行了詳細比較，并討論了如何利用大規模三維數據集以及多視角預訓練模型來提高三維生成的精度和一致性。

【3.4 四維生成】 四維生成則是在三維生成的基礎上進一步引入時間維度，用以描述動態場景的演變。此部分面臨空間連續性和時間一致性的雙重挑戰。論文介紹了四維數據表示方法，包括基于靜態三維表示擴展時間信息、采用時空分解與哈希映射等技術以降低重建單個場景的計算成本。當前，四維生成主要分為兩類方法：

1. 前向傳播方法依賴于預訓練模型，結合時空先驗一次性生成動態場景，適用于實時交互與輕量部署；
2. 基于優化的方法則采用迭代式調整（例如利用分數蒸餾損失）對預訓練擴散模型進行細化，以生成在運動動態上更為逼真的四維場景。論文對這些方法在效率、視覺質量與場景靈活性等方面進行了系統討論，并提出了未來改進的方向。

──────────────────────────── 【4 數據集與評測指標】 論文還對真實世界模擬中常用的數據集與評測指標做了綜述。針對二維、視頻、三維和四維生成，不同任務所采用的數據集具有各自特點，如大規模圖文數據集、視頻編輯數據集以及用于三維重建和視角合成的專用數據集。同時，評測指標不僅包括圖像質量、視頻時空連貫性，還涵蓋三維模型的幾何精度、表面細節以及多視角一致性等多個方面。對這些指標的詳細比較和應用場景的討論為后續研究提供了重要參考。 ──────────────────────────── 【5 未來方向與挑戰】 盡管當前多模態生成模型在模擬真實世界方面已取得顯著進展，但論文仍指出存在若干開放性挑戰： 一是如何在保證生成內容高保真和細節豐富的前提下進一步提高生成速度與計算效率； 二是如何在多模態、多維度之間建立更加緊密的聯系，克服單一維度模型帶來的局限； 三是如何借助更大規模、更高質量的數據集，推動文本、圖像、視頻到三維乃至四維生成方法的統一與協同； 此外，在應用層面，如虛擬現實、自動駕駛、機器人等場景中對生成模型的魯棒性、實時性以及交互性提出了更高要求，這些均為未來研究的重要方向。 ──────────────────────────── 【6 結論】 本文系統性地綜述了多模態生成模型在真實世界模擬中的研究進展，詳細討論了從二維到四維生成的各個技術范式。通過對比傳統圖形學方法與基于深度學習的生成模型，論文不僅明確了當前各類方法的優勢和局限，也為未來研究指明了方向。總體來說，本綜述為研究人員提供了一個統一的視角，幫助大家在跨模態、跨維度的真實世界模擬領域進行更深入的探討和創新。

摘要—隨著數據可用性的擴展，機器學習（ML）在學術界和工業界取得了顯著的突破。然而，不平衡的數據分布在各種原始數據中普遍存在，并且通過偏倚決策過程嚴重影響了機器學習的性能。為了深入理解不平衡數據并促進相關研究和應用，本文系統分析了各種現實世界的數據格式，并將現有研究針對不同數據格式的工作歸納為四個主要類別：數據重平衡、特征表示、訓練策略和集成學習。這一結構化分析幫助研究人員全面理解不平衡在不同數據格式中的廣泛存在，從而為實現特定研究目標鋪平了道路。我們還提供了相關開源庫的概述，突出當前面臨的挑戰，并提出了旨在推動該關鍵研究領域未來進展的新見解。 關鍵詞—機器學習、不平衡數據學習、深度學習。

I. 引言

隨著數據可用性的擴展，機器學習（ML）已成為學術界和工業界技術進步的前沿。這些機器學習模型被精心設計，以適應特定的數據分布，并隨后應用于各種下游任務，從預測分析到自動決策系統。因此，機器學習模型的性能受到訓練數據質量和分布的深刻影響。具有代表性、多樣化且經過精心預處理的數據確保模型不僅準確，而且在不同的環境和挑戰中具有魯棒性和廣泛的泛化能力。 然而，自然數據分布本質上復雜且經常存在缺陷。在這些挑戰中，不平衡數據分布尤其突出，反映了各個領域普遍存在和自然產生的差異。例如，在金融領域，欺詐行為的實例相較于合法交易來說相對稀少，這使得模型難以準確地檢測這些異常。在醫療領域，稀有疾病在醫學數據集中可能被低估，這為開發穩健的診斷模型帶來了重大挑戰。在工業領域，質量控制系統常常需要識別稀有的產品缺陷，而這些缺陷可能會被大量合格產品所掩蓋。這些情境不僅使機器學習模型的訓練更加復雜，而且對系統的魯棒性提出了更高要求。 通常，不平衡的數據分布顯著影響機器學習模型的性能和實用性。這些模型通常在高資源組上表現良好，這些組的數據充足，但在低資源組上表現較差，后者的數據稀缺，導致數據分布的界限模糊。因此，盡管機器學習模型可能在整體上表現令人滿意，但在這些低資源組中的有效性會顯著降低。然而，這些低資源組往往在現實世界的應用中更為重要。例如，在醫學診斷中，由于數據不足未能檢測到稀有疾病，可能導致漏診和不充分的患者護理。同樣，在金融系統中，無法識別稀有的欺詐實例可能導致重大財務損失和安全性受損。機器學習模型忽視這些稀有但關鍵的實例，降低了自動決策系統在實際應用中的效用和安全性。 為應對這些挑戰，機器學習領域已提出了一系列方法，我們將其組織為四個基本類別——數據重平衡、特征表示、訓練策略和集成學習——每個類別都與機器學習過程中的關鍵環節相對應。數據重平衡技術對于調整數據分布以更好地進行表示至關重要，采用了如過采樣少數類和欠采樣多數類等方法。這一調整對于防止模型過度偏向多數類樣本至關重要，符合機器學習中的數據準備階段。特征表示策略增強了準確捕捉和表示與少數類樣本相關信息的能力。這一改進在特征工程階段至關重要，使得模型能夠有效地從所有樣本中學習并做出預測。先進的訓練策略調整學習算法，以最小化其對多數類樣本的內在偏見。這一訓練階段的關鍵調整確保了學習過程的包容性，平等地考慮所有樣本。最后，集成方法通過組合多個模型，屬于機器學習過程中的模型集成部分。這些方法利用多個算法的優勢，以潛在地減少由不平衡數據引發的偏差，從而提高最終模型輸出的魯棒性和準確性。通過根據機器學習的基礎過程對方法進行分類，這一分類不僅有助于全面的領域調查，還闡明了這些策略背后的動機，幫助實現特定目標。此調查還探討了不平衡在不同數據格式中的表現，包括圖像、文本和圖形，突出了每種格式的差異、獨特的挑戰和所需的適應性。這一探索至關重要，因為它加深了對每種數據格式的理解，并有助于為復雜數據格式場景制定針對性的機器學習策略。 本調查的貢獻總結如下：

• 我們提供了關于不平衡數據學習的全面文獻綜述，系統地概述了基于機器學習基礎過程的方法。
• 我們對不平衡在各種數據格式中的表現進行了深入分析，包括圖像、文本和圖形，提供了每種格式特有的挑戰和方法的詳細探索。
• 我們突出了可用于解決不平衡數據問題的資源，并探討了當前面臨的挑戰和未來的研究方向。這一討論旨在幫助那些在應對不平衡問題時掙扎的研究人員，幫助他們有效和高效地開發策略。

本調查的結構安排如下：第二節對處理不平衡問題的方法進行了詳細調查，并按我們的分類法進行組織；第三節廣泛討論了不平衡在各種數據格式中的表現；第四節對不平衡數據方法的評估指標進行了詳細研究；第五節介紹了可用于學習不平衡數據的資源；最后，第六節總結了該領域的挑戰與未來發展方向。

摘要——根據規模預測，大型模型在許多領域取得了突破性進展，特別是在自然語言生成任務中，它們的表現已接近甚至超越人類水平。然而，前所未有的參數規模帶來了顯著的計算和存儲成本。這些大型模型需要大量的計算資源和GPU內存來運行。在將大型模型適應于特定下游任務時，其龐大的參數規模在計算能力和GPU內存有限的硬件平臺上微調時面臨重大挑戰。為了解決這個問題，參數高效微調（PEFT）通過有效調整大型預訓練模型的參數以適應各種下游任務，提供了一種實用的解決方案。具體而言，PEFT調整預訓練大型模型的參數，以適應特定任務或領域，最小化額外參數的引入和所需的計算資源。本文主要介紹PEFT的基礎知識、各種PEFT算法的核心思想和原理、PEFT的應用以及未來研究方向。通過閱讀本綜述，我們相信感興趣的讀者能夠迅速掌握PEFT方法論，從而加速其發展和創新。 關鍵詞——微調、參數高效、大型語言模型、深度學習、人工智能。

最近幾年，大型預訓練模型（通常稱為“大模型”）作為人工智能領域的一項重要進展，逐漸受到廣泛關注。由于其在各種應用場景中的卓越表現和多樣性，這些模型引發了大量討論。這些模型具有強大的計算能力和豐富的數據資源，使其能夠在處理復雜任務時表現出色。在自然語言處理（NLP）領域，大型語言模型（LLMs）備受關注。這些模型在文本生成、機器翻譯、個性化聊天機器人、文本摘要、情感分析和問答系統等任務中展現出卓越的創造力。 然而，大模型的發展面臨著重大挑戰和爭議。這些模型需要大量的計算資源和數據支持，這可能對環境造成威脅并影響隱私保護。盡管在特定任務中表現出色，但這些模型仍然存在局限性和錯誤率，需要不斷優化和改進。在直接使用大模型處理特定任務時，其性能往往低于預期。因此，微調大模型已成為提高模型性能的關鍵方法。 PEFT（參數高效微調）是一種轉移學習方法，專門用于調整大型預訓練模型的參數，以適應新的任務和場景。這種方法涉及動態調整模型，以增強其在執行特定任務時的有效性，考慮到目標任務的獨特特征和要求。微調過程通常包括改進模型架構、優化參數和調整學習策略等多個方面，以在新任務中實現更好的性能。隨著深度學習領域的不斷發展，優化和微調大模型的技術也取得了顯著進展。值得注意的PEFT方法包括LoRA、適配器調優、前綴調優、提示調優、P-tuning、BitFit等。 然而，盡管在多個領域中，大模型微調技術取得了顯著成就，但仍然存在許多需要解決的挑戰和困難。例如，過擬合的緩解、微調效率的優化，以及在預訓練與微調任務之間找到學習平衡等問題都需要更多的研究。 近年來，關于PEFT的文章層出不窮，其中一些研究提供了對最流行方法的有益概述。以下是對這些研究的比較分析。丁寧等人引入了一種理論抽象，用于Delta Tuning，從優化和最優控制的角度進行分析。這一抽象提供了一種統一的方法，描述當前的參數高效微調方法，為未來的研究提供了獨特的視角。然而，盡管該研究主要集中在NLP應用上，但這些方法在不同領域的通用性和有效性仍需進一步探討。Lialin等人提供了全面的分析和分類，涵蓋了廣泛的方法，并比較了約30種方法在存儲效率、內存效率、計算效率、準確性和推理開銷等五個維度上的表現。然而，雖然文章主要關注于對數十億參數規模語言模型進行有效微調的詳細方法，但對真實應用場景的探討相對有限。徐玲玲等人對當前PEFT方法進行了全面的評估和分析，評估了它們在一系列NLP任務中的性能、參數效率和內存利用率。然而，該論文并未充分闡述這些方法在實際操作環境中的應用，也未深入探討它們的適應性及可能遇到的領域特定挑戰。辛怡等人提供了視覺PEFT的全面概述和未來方向，系統地回顧了最新的進展。盡管文章涵蓋了多種視覺任務，但實驗主要集中在幾個常見任務上，并未完全涵蓋更廣泛的潛在應用場景。韓澤宇等人詳細分類了PEFT方法，探討了PEFT技術在各種模型架構和下游任務中的應用，以及參數高效微調方法的系統設計挑戰。該研究為研究人員和工程師提供了PEFT方法的全面概述，但在實際應用覆蓋方面仍有改進空間。 我們的貢獻如下：

• 我們提供了與現有綜述論文相比，更全面和詳細的關于大模型和一般微調方法論的基礎知識概述。這部分內容不僅涵蓋了大模型的基本原理、結構和技術，還提供了它們在自然語言處理、多模態活動和其他領域的實際應用的深入概述。
• 我們的調查涵蓋了最新的研究方法論，突出展示了大模型領域的最新進展。這確保了我們的綜述內容全面且詳盡。我們的綜述范圍廣泛，涵蓋了自然語言處理、多模態任務和計算機視覺等多個場景，使讀者能夠全面理解大模型技術的現狀和未來前景。
• 在回顧和分析當前方法后，我們提出了一些創新和面向未來的研究方向。這些領域考慮到了先進模型技術的增長潛力，并結合了實際應用中行業需求和障礙，提出了可行和創新的研究途徑。

本調查旨在全面回顧大模型微調技術的最新進展。通過對現有研究的深入審查，我們的目標是識別并填補當前知識體系中的空白，從而開發出一個全面和系統的知識框架，為研究人員提供清晰的視角，并指導他們未來的研究。總之，我們的工作為相關領域提供了有價值的資源和視角，供學術和實踐用途。調查的剩余部分結構如下： 在第二部分中，我們提供大型語言模型基本組成部分的簡要總結，包括其過去的發展、新興能力以及支配其規模的擴展規律。隨后，我們簡要概述了全面語言模型的主要分類，并介紹了多模態綜合模型的基本原理和框架。此外，我們還探討了在大型語言模型微調領域采用的主要方法，包括指令微調、對齊和基于人類反饋的強化學習（RLHF）。最后，我們簡要總結了在大模型微調領域最常用的基準和評估數據集。 在第三部分中，我們提供了對PEFT方法的全面分析和總結，展示了當前PEFT方法的分類框架，涵蓋了2019年6月至2024年7月發布的100多篇研究文章。我們在傳統的加法、重新參數化和減法PEFT分類基礎上，納入了混合、量化和多任務分類PEFT方法的總結。 在第四部分中，我們對多模態、視覺和擴散模型領域的PEFT方法進行全面分析和描述。我們的目標是提供深刻的理解和針對不同應用場景的PEFT選擇和改進建議。 在第五部分中，我們總結了我們的廣泛調查，并提出了多個有前景的未來發展方向，包括算法改進和任務場景，旨在為這一蓬勃發展的領域的進一步研究和發展提供有價值的見解。

摘要—近年來，三維視覺已成為計算機視覺領域的關鍵方向，推動了自動駕駛、機器人技術、增強現實（AR）和醫學成像等廣泛應用。該領域依賴于從圖像和視頻等二維數據源中準確感知、理解和重建三維場景。擴散模型最初設計用于二維生成任務，但它們提供了更靈活的概率方法，更好地捕捉了真實世界三維數據中的多樣性和不確定性。然而，傳統方法往往在效率和可擴展性方面面臨挑戰。本文綜述了當前最先進的擴散模型在三維視覺任務中的應用，包括但不限于三維物體生成、形狀補全、點云重建和場景理解。我們深入討論了擴散模型的基本數學原理，概述了其前向和反向過程，并介紹了支持這些模型處理三維數據集的各種架構進展。我們還探討了擴散模型在三維視覺中應用所面臨的主要挑戰，如處理遮擋和點密度變化，以及高維數據的計算需求。最后，我們討論了包括提升計算效率、增強多模態融合、探索大規模預訓練以改善三維任務泛化能力在內的潛在解決方案。本文為這一快速發展的領域的未來探索和開發奠定了基礎。

關鍵詞—擴散模型，三維視覺，生成模型。

I. 引言

近年來，三維視覺已成為計算機視覺領域中的重要方向，推動了自動駕駛、機器人、增強現實和醫學成像等各種應用。這些應用依賴于從圖像和視頻等二維數據源中對三維場景的準確感知、理解和重建。隨著三維視覺任務的日益復雜，傳統方法常常在效率和可擴展性方面遇到挑戰。 擴散模型[1]–[5]最初在生成建模領域提出，并迅速發展，展現出在許多計算機視覺領域的顯著潛力。基于通過一系列隨機步驟轉換數據的理念，這些模型在圖像生成[6]–[9]、去噪[10]和修復任務[11]中取得了成功。尤其是，擴散模型在生成高質量、多樣化輸出方面表現出強大的生成能力，同時對噪聲具備魯棒性。 近年來，擴散模型的發展已從二維拓展到更具挑戰性的三維任務[12]–[14]，如三維物體生成[15]–[17]、形狀補全[18]、點云重建[20]等，標志著擴散建模與三維視覺的新時代的到來。 將擴散模型應用于三維視覺任務展現出前景，主要原因在于它們能夠建模復雜的數據分布，并且在噪聲處理上具備固有的魯棒性。擴散模型為需要三維數據合成、補全或增強的任務（如形狀生成[21]或深度估計[22]）提供了強大的框架。與依賴確定性算法的傳統三維建模技術不同，擴散模型提供了更靈活的概率方法，可以更好地捕捉真實三維數據中的多樣性和不確定性。 對擴散模型的日益關注源于它們在二維任務中生成精細高質量結果的能力，這促使研究人員探索其在三維中的應用。本文綜述了將擴散模型用于三維視覺的最新方法，討論了其潛在的優勢，如在三維重建中提升精度、更好地處理遮擋和稀疏數據等。 盡管將擴散模型應用于三維視覺前景廣闊，但其并非沒有挑戰。其中一個主要技術障礙是三維數據的復雜性增加，它可以以多種形式表示，如網格、體素或點云，每種形式都有其特定的處理需求。將擴散模型與這些異構數據結構集成仍然是一個挑戰，同時三維任務的計算需求常常遠遠高于二維任務，導致可擴展性問題。 另一個挑戰在于建模三維數據中的長距離依賴關系，擴散模型并非原生具備該能力。此外，許多三維視覺任務缺乏大規模標注數據集，這進一步增加了擴散模型的訓練難度，要求大量高質量數據以實現有效泛化。 本綜述聚焦于擴散模型在廣泛三維視覺任務中的應用，包括但不限于三維物體生成、點云去噪、三維重建及場景理解[23]。我們回顧了多種擴散模型架構及其在三維視覺中的適應性，涵蓋了過去五年的早期階段和最新進展。特別關注于這些模型如何應對三維數據的特定挑戰以及大規模三維視覺問題的計算限制。本文的主要貢獻如下： * 對現有將擴散模型應用于三維視覺任務的研究進行了全面分類和總結，分析其優缺點。 * 深入分析和比較了用于三維數據的關鍵技術、框架和方法。 * 詳細討論了該領域當前的挑戰和開放問題，以及未來研究方向，以改進三維視覺應用中的擴散模型。 * 對用于評估三維視覺任務中擴散模型的相關數據集和基準進行了廣泛的回顧。

為完成本綜述，我們采用了全面的文獻檢索策略，以確保深入探索該領域。首先確定了與主題相關的關鍵詞和短語，如“擴散模型”、“三維視覺”以及相關概念（如“生成模型”和“三維數據的神經網絡”）。我們在多個學術數據庫（包括IEEE Xplore、arXiv和Google Scholar）中進行檢索，重點關注過去五年的出版物，以捕捉最新進展。此外，我們優先選擇經過同行評審的期刊文章、會議論文和預印本，確保包含高質量的前沿研究。通過此策略，我們旨在提供關于三維視覺中擴散模型的全面、最新的綜述。 本文其余部分的組織結構如下：第二節概述擴散模型的理論基礎及其在二維和三維視覺任務中的關鍵發展。第三節深入探討三維視覺的核心概念，討論不同數據表示及其挑戰。第四節對擴散模型在不同三維視覺任務中的應用進行了詳細回顧。第五節總結了用于評估的可用數據集和基準。最后，第六節討論了未來方向和開放問題。

第七節為結論。

**擴散模型基礎

A. 擴散模型簡介 擴散模型（Diffusion Models）是一類生成模型，通過逐步將隨機噪聲轉換為結構化數據來學習生成數據的分布。該過程包括前向擴散過程，在此過程中噪聲逐步添加到數據中，以及反向過程，利用去噪算法從噪聲中重建數據。這種方法旨在通過迭代去噪來建模數據分布，已證明能夠在多個領域（包括三維視覺）生成高質量的樣本。 擴散模型最早作為一種受非平衡熱力學啟發的隨機過程被引入，發展迅速。尤其是在Ho等人提出去噪擴散概率模型（DDPMs）之后，擴散模型在可擴展性和采樣效率方面有了顯著提升。擴散模型的關鍵特性在于其迭代生成過程，主要包括： * 前向過程：逐步向數據添加高斯噪聲。 * 反向過程：通過去噪還原數據，生成新樣本。

這種框架允許擴散模型避免模式崩潰，與生成對抗網絡（GANs）相比，生成出多樣性更高的樣本。B. 擴散模型的數學基礎

 C. 擴散模型的變體 1. 去噪擴散概率模型（DDPMs）：在DDPM中，前向過程逐步將高斯噪聲添加到數據中，使原始數據分布轉變為已知先驗（通常為標準高斯分布）。反向過程則由神經網絡參數化，并訓練為逐步去噪。DDPM通過優化變分下界，實現高保真度圖像生成(Diffusion Models in 3D …)。 1. 基于得分的生成模型（Score-Based Generative Models）：這種變體使用得分匹配技術，以更直接地估計數據分布的梯度(Diffusion Models in 3D …)。 1. 隨機微分方程（SDE）：此類擴散模型的連續時間公式使其在三維生成任務中更具靈活性，例如生成點云和體素網格(Diffusion Models in 3D …)。 D. 三維視覺中的生成過程 與生成對抗網絡（GANs）和變分自編碼器（VAEs）相比，擴散模型在三維視覺任務中具有更強的生成能力，能夠生成光滑的連續表面，并處理復雜的高維數據。這對于需要詳細幾何結構的應用（如三維形狀重建）特別有利。

三維視覺基礎

三維視覺領域是現代計算機視覺中不可或缺的一部分，涉及各種數據表示方法及深度學習技術，以理解和處理三維信息。三維視覺廣泛應用于增強現實、虛擬現實以及自動駕駛等領域，這些應用都依賴于準確的三維場景感知與分析。

**A. 三維表示

三維數據表示是三維視覺的核心，提供了建模、分析和交互的手段。不同的表示方式各有其特點、優缺點，通常用于不同的三維任務。 二維表示

二維表示使用平面圖像推斷三維信息，適用于渲染與理解三維場景。通過多視圖圖像或深度圖，可以從多個角度獲取場景或物體的三維結構。

深度圖：深度圖表示從特定視角到場景中物體的距離，將深度信息編碼成圖像。它在三維重建、場景理解等應用中十分重要，因為它提供了一種整合二維圖像處理技術的有效方式。 顯式表示

顯式表示直接定義了三維模型的幾何形狀，如點云、體素網格和網格。它們直觀易操作，但存儲復雜形狀時空間需求較大。

點云：點云通過三維坐標表示物體或場景的形狀。其主要優勢在于對幾何數據的直接捕獲。然而，由于缺乏拓撲信息，點云通常需要進一步處理，以實現渲染或仿真。 1. 隱式表示 隱式表示通過數學函數定義三維幾何，例如有符號距離場（SDF）和占用場。它們通常用于生成平滑、連續的表面，并能處理復雜的幾何形狀。

**B. 三維視覺中的深度學習方法

深度學習的進步推動了三維視覺的發展，使得自動駕駛、機器人導航等領域能夠高效地分析和解釋三維數據。

基于卷積的神經網絡 三維卷積神經網絡（3D CNN）將二維卷積擴展到體素數據，捕捉三維空間的關系，適用于體素網格處理任務。然而，三維CNN計算需求高，因此多視圖CNN和球面CNN等變體在實際應用中被廣泛采用。

直接點云處理方法 點云數據的處理逐步由PointNet等方法引領，這些方法通過直接操作點云數據而無需將其轉換為其他形式，從而保留了數據的稀疏性與不規則性。

圖神經網絡 在點云上應用圖神經網絡（GNN）通過捕獲非歐幾里得結構中的關系，適合于對拓撲信息的建模。

占用網絡與深度有符號距離場 占用網絡和深度有符號距離場（DeepSDF）模型能有效地在復雜場景中生成詳細的三維形狀，在物體重建和場景理解中具有優勢。

基于Transformer的架構 Transformer的引入使得長距離依賴關系的建模成為可能，尤其在三維點云數據上，表現出在自適應分割和語義理解方面的能力。

**C. 三維視覺中的挑戰

遮擋 遮擋問題在三維視覺中普遍存在，尤其在物體間相互重疊的場景中。這會導致數據缺失或失真，影響物體識別和場景重建。多視圖聚合和深度完成是應對此問題的常用技術。

點密度變化 由于掃描設備距離和角度的不同，點云密度可能不均勻，導致重建和特征提取的復雜度增加。點云上采樣和表面插值技術被用來處理這些問題。

噪聲與離群值 三維數據采集過程中常伴有噪聲和離群值，影響數據的準確性。去噪濾波和離群值去除是常見的應對手段，但在精度和計算需求之間的平衡仍具挑戰性。

三維視覺的復雜性及其數據的高維特性使得這一領域充滿了挑戰，但隨著深度學習技術的不斷進步，三維視覺的準確性和效率正在顯著提高，為實際應用帶來了新的突破。

三維擴散生成任務

擴散模型在三維數據生成任務中表現出極大的潛力，能夠生成高質量的三維模型及其相關內容。這些任務涵蓋了各種生成和處理三維數據的方式，使擴散模型成為三維視覺研究的重要工具。

**A. 無條件生成

無條件生成指的是不依賴于任何輸入或條件（如類標簽、圖像或文本提示）生成三維形狀或物體。在這種生成模式下，模型從隨機噪聲或潛在變量出發，基于學習到的數據模式生成多樣化的三維結構。無條件生成常用于三維設計、虛擬環境和游戲等應用，其目的是在沒有外部指導的情況下捕捉數據的底層分布，生成逼真且多樣的三維輸出。

Zhou等人提出的Point-Voxel Diffusion框架，是最早利用擴散模型生成三維物體的工作之一。該方法將去噪擴散模型與三維形狀的概率生成模型結合，使用點-體素混合表示進行生成。模型通過一系列去噪步驟，將觀察到的點云數據逆擴散回到高斯噪聲狀態，從而生成新的三維形狀。

**B. 條件生成

在條件生成任務中，擴散模型會根據特定輸入（例如圖像或文本提示）生成對應的三維數據。該方法通常用于圖像到三維、文本到三維轉換等場景。這類任務對于三維數據合成的控制性較強，允許模型根據輸入生成具有特定特征的三維結構。例如，Ren等人提出的模型結合卷積和Transformer架構，生成動態掩模以在生成過程中實現特征融合，從而在不同階段優化全局和局部特征的平衡(Diffusion Models in 3D …)。

**C. 三維編輯與操作

三維編輯任務涉及對已有的三維數據進行修改或增強。擴散模型在這一領域展示了顯著的靈活性，允許對三維場景進行細致的控制。Zheng等人開發的PointDif方法，應用擴散模型進行點云預訓練，有助于在分類、分割和檢測等任務中提高性能。該方法將點云預訓練任務視為條件點對點生成問題，通過循環均勻采樣優化策略，使模型在不同噪聲水平下實現一致的恢復(Diffusion Models in 3D …)。

**D. 新視角合成

新視角合成任務主要集中于從給定的視角生成不同角度的三維圖像。擴散模型能夠有效處理三維數據的長距離依賴關系，并生成新的視角。Shue等人提出的Triplane Diffusion模型將三維訓練場景轉換為一組二維特征平面（稱為triplanes），然后利用現有的二維擴散模型對這些表示進行訓練，從而生成高質量的三維神經場。

**E. 深度估計

擴散模型在深度估計任務中的應用表現在通過噪聲抑制的方式改善深度信息提取質量。在復雜的場景中，模型可以利用擴散過程生成連續的深度數據，有效應對噪聲和不完整信息的問題。擴散模型通過生成更為平滑和準確的深度圖，為三維視覺系統在動態場景中的應用提供了新的解決方案。 綜上所述，擴散模型為三維視覺中的多項任務提供了有效的生成和增強工具。模型的應用不僅在無條件生成和條件生成方面取得了顯著成果，還在三維數據的編輯、合成和估計等任務中展現了出色的性能。這一領域的研究仍在不斷發展，未來可通過結合物理約束和多模態數據進一步提升模型的表現，為復雜和動態場景中的三維任務提供更強大的支持。

結論

本文對擴散模型在三維視覺任務中的應用進行了全面綜述。擴散模型最初是為二維生成任務設計的，但隨著三維數據（如點云、網格和體素網格）的處理需求增長，這些模型逐步適應了三維數據的復雜性。我們詳細回顧了將擴散模型應用于三維對象生成、形狀補全、點云重建和場景生成等任務的關鍵方法，并深入討論了擴散模型的數學基礎，包括其前向和反向過程及架構改進，使之能夠處理三維數據。

此外，本文分類和分析了擴散模型在不同三維任務中的顯著影響，包括從文本生成三維數據、網格生成以及新視角合成等。我們還探討了擴散模型在三維視覺中面臨的主要挑戰，如遮擋處理、點密度變化以及高維數據的計算需求。針對這些挑戰，我們提出了一些潛在解決方案，包括提升計算效率、增強多模態融合，以及探索使用大規模預訓練以更好地在三維任務中實現泛化。

通過整合當前擴散模型在三維視覺領域的研究現狀，并識別出其中的不足與機遇，本文為未來在這一快速發展的領域進行更深入的探索和開發奠定了基礎。擴散模型在三維視覺中的應用還在不斷進步，未來的研究有望繼續優化模型的計算效率和多任務處理能力，為三維數據的生成、重建和理解開拓新的可能性。

摘要——基于用戶指定要求的條件圖像生成是創建復雜視覺內容的關鍵組件。近年來，基于擴散的生成模型已成為條件圖像生成的一個非常有效的方法，導致了相關文獻的爆炸式增長。然而，擴散模型的復雜性、圖像生成任務的廣泛性以及條件機制的多樣性，為研究人員跟上快速發展的步伐并理解該主題的核心概念帶來了巨大挑戰。在本綜述中，我們根據條件如何融入擴散模型的兩個基本組件（即去噪網絡和采樣過程）對現有工作進行分類。我們特別強調了在訓練、重用和專門化階段構建理想去噪網絡時，各種條件方法的基本原理、優點和潛在挑戰。我們還總結了在核心采樣過程中使用的六種主流條件機制。所有討論都圍繞流行的應用展開。最后，我們指出了一些關鍵但仍未解決的未來問題，并提出了一些可能的解決方案。我們審閱的相關工作列在 //github.com/zju-pi/Awesome-Conditional-Diffusion-Models。

關鍵詞——生成模型，擴散模型，條件圖像生成，條件集成。

I. 引言

圖像生成是生成式人工智能的一個重要任務。當結合用戶提供的條件來生成符合不同用戶需求的圖像時，它的實用性會更大。早期的研究在各種條件圖像生成任務中取得了重大突破，如文本到圖像生成 [37, 41, 156, 159, 239]、圖像修復 [87, 88, 125, 210] 和圖像編輯 [1, 10, 107]。然而，早期基于深度學習的生成模型（如生成對抗網絡 (GANs) [49, 131]、變分自編碼器 (VAEs) [81, 185] 和自回歸模型 (ARMs) [199, 200]）在條件圖像生成中的表現并不令人滿意，這是由于它們的內在局限性：GANs 容易出現模式崩潰和訓練不穩定的問題 [49]；VAEs 通常生成模糊的圖像 [81]；而 ARMs 則存在順序誤差積累和耗時巨大的問題 [200]。

近年來，擴散模型 (DMs) 作為最先進的圖像生成模型嶄露頭角，憑借其強大的生成能力和多功能性，得到了廣泛認可 [20, 57, 71, 184, 191]。在擴散模型中，圖像是通過引導去噪網絡預測的迭代去噪步驟從高斯噪聲中生成的。這種獨特的多步采樣過程使得擴散模型能夠實現出色的生成性能，表現為穩定的訓練、豐富的輸出和卓越的樣本質量。此外，與一步生成模型相比，擴散模型在促進條件集成方面具有獨特優勢。這些優點使得擴散模型成為條件圖像生成的首選工具，近年來基于擴散的條件圖像生成 (DCIS) 研究得到了迅速發展 [25, 45, 56, 75, 118, 160, 167, 168, 209, 242, 247]。圖1展示了使用多種輸入模態的七個流行的 DCIS 任務。

隨著相關研究的快速擴展，模型架構、訓練方法和采樣技術的眾多變化，以及潛在的條件生成任務的廣泛性，研究人員很難全面掌握 DCIS 的全貌。這種復雜性對該領域的新手來說尤為具有挑戰性。當前需要的是一項系統性的綜述，提供對這一快速發展的研究領域的全面且結構化的概述。

已有一些關于特定條件圖像生成任務的綜述，如圖像修復 [238]、文本到圖像生成 [103] 和圖像編輯 [64]，或根據目標條件生成任務對計算機視覺領域的相關工作進行分類的研究 [32, 149]。雖然這些面向任務的綜述為其各自目標任務的方法提供了寶貴的見解，但它們并未涵蓋不同條件生成任務在模型框架中的共同特征，特別是在模型架構和條件機制方面。最近的兩篇綜述 [14, 182] 提供了基于擴散模型的廣泛任務的概述，但它們的范圍有限，主要集中于構建在文本到圖像 (T2I) 框架上的 DCIS 工作，忽略了早期將條件集成到無條件去噪網絡中的工作，或涉及從頭開始訓練特定任務的條件去噪網絡的工作。這些早期工作為當前使用 T2I 框架的 DCIS 進展奠定了基礎，并且在低級任務如圖像修復中仍然廣泛應用。此外，[182] 主要關注基于擴散模型的圖像編輯框架，缺乏對該領域其他任務統一框架的系統分析，而 [14] 并未深入探討模型架構的設計選擇和采樣過程中詳細的條件機制。因此，它們的分類方法缺乏系統性，并遺漏了 DCIS 領域中的一些關鍵相關工作。

相較之下，本綜述旨在提供一個全面且結構化的框架，涵蓋當前廣泛的 DCIS 研究工作，基于 DCIS 框架中條件集成的主流技術提供分類方法。我們對構建具有條件集成的 DCIS 框架所涉及的組件和設計選擇進行了清晰而系統的分解。具體來說，我們通過審查和總結現有的 DCIS 方法，探討條件如何集成到擴散建模的兩個基本組件中：去噪網絡和采樣過程。在去噪網絡方面，我們將構建條件去噪網絡的過程分為三個階段。在采樣過程中，我們將六種主流的采樣中條件機制進行分類，詳細說明控制信號如何集成到采樣過程的各個組件中。我們的目標是為讀者提供跨不同任務的現有 DCIS 工作的高層次和易于理解的概述，使他們能夠設計適用于其所需任務的條件生成框架，包括尚未探索的新任務。

本綜述的其余部分組織如下：首先在第二部分介紹擴散模型的背景和條件圖像生成任務。接下來，我們在第三部分總結去噪網絡中的條件集成方法，并在第四部分總結采樣過程中的方法。最后，我們在第五部分探討未來的潛在方向。圖2展示了本文提出的 DCIS 分類體系。

摘要——從演示中學習（Learning from Demonstrations），即通過數據學習機器人行為模型的領域，隨著深度生成模型的出現，正在越來越受到關注。盡管這一問題在“模仿學習”、“行為克隆”或“逆強化學習”等名稱下已經被研究了多年，但傳統方法依賴的模型往往難以有效捕捉復雜的數據分布，或者無法很好地擴展至大量演示數據。近年來，機器人學習社區對于使用深度生成模型來捕捉大數據集的復雜性表現出了越來越濃厚的興趣。在本綜述中，我們旨在提供對去年機器人領域中使用深度生成模型的進展的統一且全面的回顧。我們介紹了社區探索的不同類型的模型，如基于能量的模型、擴散模型、動作值圖、生成對抗網絡等。我們還展示了深度生成模型在不同應用中的使用情況，從抓取生成到軌跡生成或成本學習等。生成模型的一個重要元素是分布外的泛化能力。在我們的綜述中，我們回顧了社區為改善所學模型的泛化能力而做出的不同決策。最后，我們強調了研究中的挑戰，并提出了未來在機器人領域學習深度生成模型的一些研究方向。關鍵詞——機器人，生成模型，決策制定，控制，模仿學習，行為克隆，從演示中學習

I. 引言**

從演示中學習（Learning from Demonstration, LfD）[1], [2]，也稱為模仿學習（Imitation Learning）[3], [4]，是通過觀察和模仿一組專家演示來學習期望的機器人行為模型的領域**。基于場景的觀察和所需任務的條件，模型（通常稱為策略）被訓練生成與專家演示中行為相似的動作。根據任務的不同，這些動作可能代表期望的末端執行器姿態 [5], [6]、機器人軌跡 [7], [8] 或期望的場景安排 [9], [10] 等。LfD 包括幾種解決這一問題的方法。行為克隆（Behavioral Cloning, BC）方法 [1] 將條件生成模型擬合到基于觀察的動作上。盡管在序列決策問題中存在一些缺點（例如，錯誤累積導致的協變量偏移 [11]），但在實踐中，由于其穩定且高效的訓練算法，它已經展示了一些最為令人印象深刻的結果 [6], [12], [7], [13]。另一種方法是逆強化學習（Inverse Reinforcement Learning, IRL）[14], [15], [16] 或其變體 [17], [18], [19]，結合了演示數據與環境中的試錯（即強化學習（Reinforcement Learning, RL）），生成的策略比 BC 更具魯棒性，但受到訓練算法穩定性較差的限制。與直接模仿演示動作的 BC 不同，IRL 側重于推斷演示行為所優化的潛在獎勵函數，并應用 RL 來推斷策略。IRL 的一個關鍵優勢在于它能夠僅通過觀察進行學習 [20], [21]，而無需明確的演示動作信息。在 LfD 中，演示的固有特性帶來了重大挑戰。通常，收集的數據是次優的、噪聲較大的、基于高維觀察條件的，并且包含多種行為模式 [22], [23], [24]。這種多樣性可以在對給定物體的多種抓取方式、專家提供演示的偏好或專家之間的分歧中體現出來。數據的這些固有屬性促使研究人員尋找能夠恰當地捕捉其分布的模型。傳統上，在深度學習成為主流之前，LfD 方法通常使用高斯過程（Gaussian Process, GP）[25], [26]、隱馬爾可夫模型（Hidden Markov Model, HMM）[27], [28] 或高斯混合模型（Gaussian Mixture Models, GMM）[29] 來表示生成模型。然而，這些模型無法擴展至大數據集，也無法在圖像等高維上下文中表示條件分布。基于神經網絡的模型允許在圖像 [30], [31] 或文本 [32], [33] 等高維變量上進行條件設定，但它們通常被訓練為單峰模型。這些模型與收集的演示數據的多模式特性相沖突。這些模型無法捕捉數據中的固有多樣性和多模式，導致研究人員不得不將自己局限于較小的 [34] 或高度策劃的數據集，以確保單峰性，從而簡化建模過程。

近年來，深度生成模型（Deep Generative Models, DGM）在圖像 [35] 和文本生成 [36] 中的成功展示了其捕捉高度多模態數據分布的能力。近年來，這些表現力強的模型在機器人領域的模仿學習應用中引起了廣泛關注（見圖2）。例如，擴散模型（Diffusion Models, DM）[37], [35] 已被有效用于學習高維軌跡分布 [38], [7], [8]；基于語言和圖像的策略使用類似GPT的模型來表示動作空間中的類別分布 [39]；變分自編碼器（Variational Autoencoders, VAE）[40] 被應用于生成任意物體的六自由度（6-DoF）抓取姿態 [5]。本文統一且全面地回顧了機器人領域中為捕捉數據固有的多模態性而從演示中學習 DGM 的各種方法。盡管其中一些模型借鑒了其他機器學習領域的成果，如 DM，但我們也重點介紹了在機器人動作分布表示中特別有影響力的方法，如動作價值圖（Action Value Maps）[41], [42], [43]。本綜述主要關注使用離線數據的方法，即不收集額外的在線或交互數據，以及離線監督，即除了專家動作外不使用額外的監督。盡管在從視覺到文本生成的各個領域中，從離線數據集中學習 DGM 已被廣泛研究，但機器人領域有其固有的挑戰，需要謹慎的設計選擇。為了激發機器人應用中的具體設計選擇，我們將在 I-A 節中介紹從演示中學習策略的基本挑戰。我們將綜述分為六個部分（見圖1）： 在第二部分中，我們將形式化問題并提供整個綜述中使用的術語。 在第三部分中，我們介紹了機器人領域中最常用的 DGM，展示了它們的固有屬性，簡要列出了應用這些方法的各種工作，并介紹了每種模型的訓練和采樣算法。 在第四部分中，我們展示了深度生成模型應用的不同類型，重點介紹了模型生成的數據類型以及考慮的條件變量類型。 在第五部分中，我們提出了一系列設計和算法歸納偏差，以提高從學習模型的數據分布中的泛化能力。我們如何保證在上下文觀察中生成有用的動作，而這些動作在演示中沒有出現？我們提出的選項包括生成模型的模塊化組合、從觀察中提取有用特征以及利用觀察與動作之間的對稱性。 最后，在第六部分中，我們強調了該領域當前的研究挑戰，并提出了未來的研究方向。

A. 從離線演示中學習的挑戰從離線演示中學習機器人策略面臨著若干挑戰。盡管其中許多挑戰（例如演示中的多模態）與其他研究領域（如圖像生成或文本生成）共享，但在機器人領域中，我們還需要考慮一些特有的挑戰。以下是從離線數據中學習機器人策略的主要挑戰。演示的多樣性。主要挑戰之一是演示本身的固有變化。不同的演示者可能具有不同的技能水平、偏好和完成相同任務的策略，導致數據集中包含廣泛的方法。單峰分布缺乏表達能力，無法捕捉演示中的這種變化，從而導致性能不佳。DGM 是解決這一挑戰的有前景的方法。通過捕捉復雜的多模態分布，這些模型可以學習表示演示中展現的不同策略和行為。異質的動作和狀態空間。與數據空間定義明確的計算機視覺不同，在機器人領域中，沒有單一的狀態-動作空間。機器人動作可以包括從力矩命令到期望的目標位置或期望的軌跡。此外，機器人行為可以在機器人的配置空間和任務空間中建模。這種多樣性導致了異質的數據集和用于學習機器人策略的異質解決方案。部分可觀察的演示。當人類執行演示時，其動作不僅基于可觀察到的元素，還受到任務知識和觀察歷史影響的內部狀態驅動。此外，人類可以整合環境中的信息，這些信息可能無法被機器人的傳感器輕易獲得或觀察到，例如人類視覺捕捉到的外圍細節但被機器人的攝像頭遺漏。這種不匹配往往導致演示僅部分代表任務的上下文，從而導致機器人學習的策略中出現歧義。關于部分可觀測性的問題已經在文獻中得到了廣泛研究 [44]。一種常見的實際方法是將觀察歷史編碼為上下文，而不是單一的觀察，允許模型提取內部狀態，從而減少歧義 [45]。時間依賴性和長視距規劃。機器人任務通常涉及序列決策，其中動作在時間上是相互關聯的。這種序列性可能導致錯誤的累積，將機器人引向訓練演示中未遇到的情況。為解決此問題，已有多種方法提出。一些工作建議學習短視距技能，然后與高層規劃器連接。另一方向是，許多工作 [38], [13] 提出學習生成動作軌跡而不是單步動作的策略，從而減少序列累積錯誤。此外，其他選項包括在生成演示時注入噪聲 [46] 或交互式擴展數據集 [11]。訓練和評估目標之間的不匹配。從離線演示中學習通常被定義為密度估計問題。學習的模型經過訓練以生成類似于訓練數據集的樣本。然而，學習的模型用于解決特定任務，最大化的度量是任務成功率。這種訓練目標與評估目標之間的不匹配可能導致在機器人用于解決特定任務時表現不佳。解決這一問題的一個可能方向是將行為克隆階段與后續強化學習微調相結合 [47]。分布偏移和泛化。從離線演示中學習的一個基本挑戰是演示數據與實際場景之間的分布偏移，在這些場景中，學習的策略被部署。演示通常在受控環境或特定上下文中收集，但機器人必須在演示未覆蓋的潛在新環境中運行。這種不匹配可能導致泛化失敗和性能下降。解決這一挑戰需要能夠從給定演示中推斷并適應新環境的技術。我們將在第五部分中探討提高機器人應用中泛化能力的不同方法。

B. 相關綜述

LfD 領域有著悠久的歷史，已有多篇綜述對此進行了探討。在基于深度學習的方法成為主流之前，已有幾篇綜述 [50], [51], [52], [53] 探討了模仿學習的基本問題。這些綜述回答了諸如我們應該如何獲取數據？我們應該學習什么模型？或我們應該如何學習策略？等問題。近年來，一些最新的研究 [54], [3], [55] 更新了基于深度學習模型在 LfD 問題中的應用的綜述。特別是 [3] 從算法的角度審視了模仿學習，使得不同算法的比較可以從信息論的角度進行。機器人學習社區的當前階段，隨著大規模機器人演示數據集的增加（無論是在模擬中還是在現實中），模仿學習方法的重要性日益增加，以及廉價機器人硬件的日益普及，當前適時提供一個涵蓋過去幾年研究進展并專注于該領域當前面臨挑戰（多模態性、泛化、異質數據集等）的綜述。最近，幾篇綜述 [56], [57] 探討了學習機器人基礎模型的問題，主要集中在將互聯網規模的視覺和語言基礎模型整合到機器人問題中。盡管將視覺-語言基礎模型應用于機器人問題具有潛力，但我們的綜述關注于不同的問題。本綜述的興趣在于探索如何直接從具體現體機器人的數據中學習策略（部分原因是大規模數據集的日益豐富 [24], [58]），而不是將視覺-語言模型適應于機器人。

在不斷發展的深度學習領域，數據的數量和質量問題一直是一個長期存在的難題。最近大語言模型（LLMs）的出現為合成數據生成提供了一種以數據為中心的解決方案，緩解了現實世界數據的限制。然而，目前對這一領域的研究缺乏統一的框架，大多停留在表面。因此，本文基于合成數據生成的一般工作流程，整理了相關研究。通過這樣做，我們突出了現有研究中的空白，并概述了未來研究的潛在方向。本研究旨在引導學術界和工業界向更深入、更系統地探究LLMs驅動的合成數據生成的能力和應用。

在深度學習領域不斷演變的背景下，數據數量和質量的問題一直是一個長期存在的困境。大語言模型（LLMs）的革命性出現引發了深度學習領域的顯著范式轉變（Zhang et al., 2023a; Guo et al., 2023; Bang et al., 2023）。盡管有這些進展，大量高質量數據仍然是構建穩健自然語言處理（NLP）模型的基礎（Gandhi et al., 2024）。具體來說，這里的高質量數據通常指的是包含豐富監督信號（通常以標簽形式）并與人類意圖緊密對齊的多樣化數據。然而，由于高成本、數據稀缺、隱私問題等原因，依賴于人類數據來滿足這些需求有時是具有挑戰性甚至是不現實的（Kurakin et al., 2023）。此外，多項研究（Hosking et al., 2023; Singh et al., 2023; Gilardi et al., 2023）表明，人類生成的數據由于其固有的偏見和錯誤，可能并不是模型訓練或評估的最佳選擇。這些考慮促使我們更深入地探討一個問題：是否有其他更有效和可擴展的數據收集方法可以克服當前的限制？

鑒于LLMs的最新進展，它們展示了生成與人類輸出相當的流暢文本的能力（Hartvigsen et al., 2022; Sahu et al., 2022; Ye et al., 2022a; Tang et al., 2023; Gao et al., 2023a），由LLMs生成的合成數據成為了人類生成數據的一種可行替代品或補充。具體來說，合成數據旨在模仿真實世界數據的特征和模式（Liu et al., 2024）。一方面，LLMs通過廣泛的預訓練，積累了豐富的知識庫，并展現出卓越的語言理解能力（Kim et al., 2022; Ding et al., 2023a），這為生成真實的數據奠定了基礎。另一方面，LLMs深厚的指令遵循能力允許在生成過程中實現更好的可控性和適應性，從而能夠為特定應用創建定制的數據集，并設計更靈活的流程（Eldan and Li, 2023）。這兩個優勢使LLMs成為極具前景的合成數據生成器。

作為LLMs的一項關鍵應用，合成數據生成對于深度學習的發展具有重要意義。如圖1所示，LLMs驅動的合成數據生成（Li et al., 2023c; Wang et al., 2021; Seedat et al., 2023）使整個模型訓練和評估過程實現自動化，最小化了人類參與的需求（Huang et al., 2023），從而使深度學習模型的優勢可以應用于更廣泛的領域。除了提供可擴展的訓練和測試數據供應之外，LLMs驅動的合成數據生成還可能為開發下一代LLMs鋪平道路。來自TinyStories（Eldan and Li, 2023）和Phi系列（Gunasekar et al., 2023; Li et al., 2023b）的見解強調了數據質量對于有效模型學習的重要性，而LLMs賦予我們主動“設計”模型學習內容的能力，通過數據操作顯著提高了模型訓練的效率和可控性。截至2024年6月，Hugging Face上已有超過300個被標記為“合成”的數據集，許多主流LLMs利用高質量的合成數據進行訓練，包括Alpaca（Taori et al., 2023）、Vicuna（Zheng et al., 2023）、OpenHermes 2.5和Openchat 3.5（Wang et al., 2023a）。

盡管看似簡單，但生成同時具有高正確性和足夠多樣性的合成數據集需要精心設計過程，并涉及許多技巧（Gandhi et al., 2024），使得LLMs驅動的合成數據生成成為一個非平凡的問題。雖然大多數現有工作通常針對各種任務（如預訓練（Gunasekar et al., 2023; Li et al., 2023b; Eldan and Li, 2023）、微調（Mukherjee et al., 2023; Mitra et al., 2023; Xu et al., 2023a）、評估（Feng et al., 2023; Wei et al., 2024））和不同領域（如數學（Yu et al., 2023a; Luo et al., 2023a）、代碼（Luo et al., 2023b; Wei et al., 2023b）、指令（Honovich et al., 2023a; Wang et al., 2023d））進行數據生成，但它們共享許多共同的理念。為了應對LLMs驅動的合成數據生成這一新興領域中缺乏統一框架的問題，并開發通用工作流程，本綜述調查了最近的研究，并根據生成、策展和評估三個密切相關的主題進行組織，如圖2所示。我們的主要目的是提供該領域的全面概述，確定關鍵關注領域，并突出需要解決的空白。我們希望為學術界和工業界帶來見解，并推動LLMs驅動的合成數據生成的進一步發展。

摘要

遷移學習是指從源領域提取可遷移知識并將其重用到目標領域的行為，已成為人工智能領域的研究熱點。概率圖模型(PGMs)作為一種建模復雜系統的強大工具，具有處理不確定性的能力和良好的可解釋性。考慮到上述兩個研究領域的成功，將PGMs應用于遷移學習似乎是很自然的。然而，盡管在文獻中已經有一些優秀的遷移學習特異性PGMs，但PGMs在這一問題上的潛力仍然被嚴重低估。本文旨在通過以下幾個方面促進遷移學習的知識遷移模型的發展:1)考察遷移學習的知識遷移模型的試點研究，即分析和總結現有的專門設計的知識遷移機制;2)討論現有PGM成功應用于實際遷移問題的例子;3)利用PGM探討遷移學習的幾個潛在研究方向。

引言

遷移學習是從源領域中提取可遷移的知識，并在目標領域中重用該知識的行為，這是一種自然的人類現象，即使對于非常小的兒童(Brown & Kane, 1988)。形式定義如下(Pan & Yang, 2010):“給定源域DS = {XS, PS(X)}和目標域DT = {XT, PT (X)}，遷移學習的目的是借助DS改進DT中的學習任務，其中X為特征空間，P(X)為數據分布。”當XS = XT時，為同質遷移學習;當XS= XT時，為異質遷移學習。需要注意的是，遷移學習可以被看作是前面提到的問題，也可以看作是解決這個問題的方法。一個經典的激勵例子是產品評論的跨領域(如電影和計算機領域) 情感預測: 1) 在電影領域有大量的標簽產品評論，因此可以訓練一個分類器，并應用于該領域的預測; 2)新計算機的評論標簽不足以訓練分類器進行進一步的情感預測; 3) 一個簡單的想法是直接來自電影領域的分類器應用到新電腦領域考慮兩個域之間的相似之處(例如,人們傾向于使用類似的詞語來表達他們的喜歡或不喜歡在不同的產品), 但它并不總是工作很可能導致負遷移(Weiss, Khoshgoftaar, & Wang, 2016). 因為它們在不同的上下文中存在差異(例如，在電影領域中，“觸摸我的心”是褒義詞，而在計算機領域中，“觸摸板”是中義詞)。如何結合源域和目標域提取可遷移知識是遷移學習的藝術。在文獻中，有幾個與遷移學習密切相關的概念誤導了讀者，如樣本選擇偏差、協變量轉移、類別不平衡、領域適應和多任務學習。(Pan & Yang, 2010)的研究試圖根據源域和目標域的設置來區分和組織它們，例如目標域中是否有標記數據。本文并沒有明確區分它們，但我們認為它們都是遷移學習。對這些概念及其區別的進一步討論可以在(Pan & Yang, 2010;Weiss et al.， 2016)。識別、建模和利用兩個領域之間可遷移的知識的能力不僅提高了具體現實問題的性能，而且在促進機器人在沒有任何人類干預的情況下的自學習(像人類)方面邁出了重要的一步。想象一下這樣的場景:一個智能機器人面臨一個自己沒有知識的新問題，它向其他類似領域的機器人尋求幫助，并向他們學習，問題就解決了。因此，我們認為遷移學習不僅在統計機器學習領域，而且在機器人甚至一般人工智能領域都有很好的前景。

概率圖模型(PGM) (Wainwright, Jordan等，2008;Koller & Friedman, 2009)是統計機器學習的一個重要分支，它是一個豐富的框架，用于通過概率分布或隨機過程來建模(表達)來自領域的有限或無限個(可觀察或潛在)變量之間的復雜交互作用。它的名字來自于它的結構——一個以隨機變量為節點，以概率相關性為邊的圖，如圖1所示。根據節點/變量之間的邊緣類型(即有向或無向)，概率圖模型分為有向和無向兩類。例如，隱馬爾可夫模型(Rabiner, 1989)是一種有向圖模型; 條件隨機場(Lafferty, McCallum， & Pereira, 2001)是無向圖模型的一個例子。將概率圖模型應用于目標任務包括以下兩個步驟: 1)模型設計和 2)模型推理。給定一個任務，第一步是分析問題的本質，然后設計一些變量及其關系來捕捉這種本質。換句話說，這一步是設計PGM的圖結構，該結構應共同考慮觀測數據和目標任務的附加知識。請注意，這個步驟沒有確切的過程，因為它嚴重依賴于處理同一問題的不同人員的視圖/理解。例如，在Latent Dirichlet Allocation模型(Blei, Ng， & Jordan, 2003)中，文檔由滿足Dirichlet或多項分布的隨機變量建模，變量之間通過Dirichlet-多項關系連接;在Gamma-Poisson模型(Ogura, Amano， & Kondo, 2013)中，文檔由滿足Gamma或Poisson分布的隨機變量建模，變量之間通過Gamma-Poisson關系連接。在不考慮具體任務的情況下，討論優點和缺點通常是困難和毫無意義的。PGM的輸出是給定觀測數據的圖模型定義的感興趣的邊際或關節后驗分布。另外，從第一步開始的PGM實際上是一組模型，因為所設計的概率分布通常帶有未知的參數，不同的參數設置會導致不同的模型。有了觀測數據(圖模型中的一些變量/節點的值是已知的)，第二步是推斷潛在變量的后驗分布，并估計模型參數。對于一些稀疏圖，有一個精確的算法來學習PGM: 結點樹算法(Paskin & Lawrence, 2003; Wainwright et al., 2008)。但該算法不適用于任務復雜的復雜圖模型。因此，一些近似算法被發展來解決這個問題:期望最大化(Dempster, Laird， & Rubin, 1977)，拉普拉斯近似，期望傳播(Minka, 2001)，蒙特卡洛馬爾可夫鏈(Neal, 1993)，變分推理(Blei, Kucukelbir， & McAuliffe, 2017)。此外，設計的變量之間的概率相關性也可能不是固定的，而是從數據中學習的(所謂結構學習)。一個例子是貝葉斯網絡，其中的網絡結構(即變量之間的依賴關系)可以從數據中學習。由于其強大的建模能力和堅實的理論基礎，概率圖模型受到了分子生物學(Friedman, 2004)、文本挖掘(Blei et al.， 2003)、自然語言處理(Sultan, Boyd-Graber， & Sumner, 2016) 和 計算機視覺(Gupta, Phung， & Venkatesh, 2012) 等多個領域研究者的關注。

與機器學習中的其他模型(如支持向量機)相比，概率圖模型具有以下優點，這些優點可能有利于遷移學習: 1) 處理不確定性。不確定性幾乎出現在任何現實世界的問題中，當然也出現在他們的觀察(數據)中。例如，人們在編寫關于特定主題的文檔時可能會使用不同的詞匯，所以我們在構建模型以揭示隱藏的主題時需要考慮這種不確定性。PGMs能夠借助概率分布或隨機過程很好地處理(模型)這種不確定性; 2) 處理缺失數據。丟失數據的一個典型例子是來自推薦系統，用戶只對有限數量的項目進行評級，因此對其他項目的評級也會丟失。PGM可以通過潛在變量設計很好地處理這一問題(Mohan, Pearl， & Tian, 2013); 3) 可解釋性。PGM由定義的概率分布(或隨機過程)組成，因此人類專家可以評估其語義和屬性，甚至將他們的知識納入模型。通過PGM的結構，人們可以很容易地理解問題和領域; 4) 泛化能力。定向PGMs(也稱為生成模型)具有很好的泛化能力，可以比較鑒別模型，特別是在數據數量有限的情況下(Ng & Jordan, 2002)。盡管在文獻中已經發表了一些關于遷移學習的優秀研究，如: 綜合研究(Pan & Yang, 2010;Weiss et al.， 2016)，應用，如強化學習(Taylor & Stone, 2009)，協同過濾(Li, 2011)，視覺分類(Shao, Zhu， & Li, 2015)，人臉和物體識別(Patel, Gopalan, Li， & Chellappa, 2015)，語音和語言處理(Wang & Zheng, 2015)，活動識別(Cook, Feuz， & Krishnan, 2013)，和方法論，如計算智能(Lu, Behbood, Hao, Zuo, Xue， & Zhang, 2015)，在使用PGMs進行遷移學習方面沒有一個具體的工作。本文綜述了該領域的主要研究成果，總結了已有的遷移研究的基本方法，為今后在該領域的進一步研究奠定了基礎。本文對遷移學習領域的研究人員進行了綜述，并對遷移學習方法的應用進行了推廣。本文還綜述了已有的遷移學習理論在遷移學習中的成功應用，并促進了遷移學習理論的發展。本文假設讀者已經具備遷移學習的基本知識。

本文的其余部分結構如下。第2節討論了現有的最先進的方法使用的概率圖模型遷移學習。第3節介紹了現實世界中使用概率圖模型解決的遷移學習問題。最后，第四部分對本文進行了總結，并提出了進一步研究可能面臨的挑戰。