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论文学术研究重点自监督学习视觉预训练下一帧预测统一编码器

Learning from Next-Frame Prediction: Towards Unified and Scalable Visual Representation Learning

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自监督新范式:embedding 空间预测下一帧取代掩码补全,EK100 预判超 V-JEPA 2.1 7.1 分

针对masked video pretraining主要恢复遮挡内容、autoregressive next-token预测在表征质量上仍不及joint-embedding的问题,VANE把视觉自监督预训练改成在嵌入空间预测未来帧,将学习信号从补全当前片段转向时间演化:该预测以整帧语义嵌入为目标,避免像素级外观建模;causal encoder以frame-causal attention汇总过去帧,state predictor在隔离上下文与目标注意力的约束下推断整帧表征,冻结DINOv2提供固定语义目标,轻量flow-matching解码器重建未来patch以补充细粒度空间信息;图像则组织为local-to-global crop序列,使图像与视频共用该目标。作者在VISTA语料训练ViT-g编码器,评测时冻结编码器,仅训练轻量探针,报告该模型在多数图像视频统一编码器基准中领先,其中EPIC-KITCHENS-100动作预期得分45.5,比V-JEPA 2.1高7.1个点。消融显示帧级预测优于next-token,next-crop图像目标优于masked completion,生成解码器主要提升稠密感知;模型与数据扩展、长视频后训练和高分辨率cooldown仍继续收益。

  1. 1EK100 动作预判 45.5,超 V-JEPA 2.1 达 7.1 分
  2. 2静态图拆成局部到全局 crop 序列,与视频共用同一目标
  3. 3四阶段训练:16 帧 → 64 帧长视频 → 384×384 cooldown

为什么重要 把「预测未来」本身做成主监督信号,统一图像与视频预训练;四阶段训练配方与消融对具身/驾驶视觉 backbone 与世界模型训练有直接参考价值。适合 视觉预训练、世界模型与具身感知方向的算法/数据工程师

来源
arxiv.org

中文(AI 翻译)

视频提供自然的监督来源:接下来发生什么可作为视觉世界建模的学习信号。然而,掩码视频预训练侧重于从周围上下文中恢复缺失内容,而不是从过去预测未来。自回归方法则一次一个 token 地向前预测,但在表示质量上尚未匹敌联合嵌入方法。

这一差距促使我们重新审视未来预测的粒度和空间。在这项工作中,我们引入 VANE,一个基于嵌入空间中下一帧预测的自监督视觉预训练框架。因果编码器总结过去观测,供状态预测器推断整个下一帧的表示,使时间演化成为主要学习信号。该预测在由冻结语义 tokenizer 提供的固定嵌入空间中进行,强调场景内容和结构。

为在语义内容之外保留细粒度空间细节,一个轻量级辅助生成解码器以预测表示为条件重建未来帧 patch。为统一图像和视频的视觉建模,我们为静态图像构建从局部到全局的 crop 序列,使同一编码器在同一目标下从早期 crop 预测新揭示的区域。实验表明,VANE 随模型和数据扩展而改进,在统一编码器中大多数预期、识别和稠密感知基准上达到 SOTA。尤其是在 EPIC-KITCHENS-100 动作预期上,它在 mean-class recall@5 上超过 V-JEPA 2.1 7.1 点。这些结果证明,嵌入空间中的下一帧预测对视觉世界建模是有效且可扩展的。

原文

Video provides a natural source of supervision: what happens next serves as a learning signal for visual world modeling.

Yet masked video pretraining focuses on recovering missing content from surrounding context rather than predicting the future from the past.

Autoregressive methods instead predict forward one token at a time, but have yet to match joint-embedding methods in representation quality.

This gap motivates us to revisit the granularity and space of future prediction.

In this work, we introduce VANE, a self-supervised visual pretraining framework built on next-frame prediction in embedding space.

A causal encoder summarizes past observations for a state predictor that infers the representation of the entire next frame, making temporal evolution the primary learning signal.

This prediction is carried out in a fixed embedding space provided by a frozen semantic tokenizer, emphasizing scene content and structure.

To retain fine-grained spatial detail alongside semantic content, a lightweight auxiliary generative decoder reconstructs future-frame patches conditioned on the predicted representations.

To unify visual modeling across images and videos, we construct a local-to-global crop sequence for still images, allowing the same encoder to predict newly revealed regions from earlier crops under the same objective.

Experiments show that VANE improves with model and data scaling, achieving SOTA on most anticipation, recognition, and dense perception benchmarks among unified encoders.

Especially on EPIC-KITCHENS-100 action anticipation, it surpasses V-JEPA 2.1 by 7.1 points in mean-class recall@5.

These results demonstrate that next-frame prediction in embedding space is effective and scalable for visual world modeling.

7.81

Ego4D mAP

V-JEPA 2.1 为 6.75

57.9

Ego4D 框 AP

较 V-JEPA 2.1 提 10.6 分

51.0

ADE20K

mIoU;V-JEPA 2.1 为 47.8

2.431

KITTI RMSE

V-JEPA 2.1 为 2.601

26.6k+30.7k

训练算力

单位 GPU 时,分四阶段

注释 · 全部评测基于冻结特征+轻量 probe;数值均为作者自报。出自 §4.1–4.3

  • InAViT 160M
    25.8
  • PlausiVL 8B
    27.6
  • V-JEPA 2 1B
    39.7
  • V-JEPA 2.1 1B
    38.4
  • VANE 1B
    45.5

注释 · mean-class recall@5,验证集,1 秒预判间隙;VANE verb 65.7 / noun 67.6。出自 表 1

VANE 总览:因果编码器产出上下文状态,与预测 token 拼接送 state predictor;projector 对齐冻结 tokenizer 空间做 L1 监督,解码器从加噪下一帧预测流速度;底部图像 crop 与视频帧共用同一目
动机对照图:V-JEPA 用 EMA 编码器监督掩码补全,VANE 改为冻结 tokenizer 监督整帧预测并加辅助生成解码器——理解范式差异的关键。
注意力掩码细节:左为编码器帧内双向、跨帧单向;右为 predictor 的 context-isolated causal attention,上下文只供 K/V。
图像语料
ImageNet-21K、SA-1B
视频语料
SSv2、K710、HowTo100M + 检索数据
训练阶段
16帧 256×256 → 64帧 → 384×384
总损失
Lsem​+λflow​⋅Lflow​,均为 L1
图像观察
K=3 局部到全局 crop

深度总结

1 / 8
85.4
全局分类四基准 top-1· 表格

四任务平均 83.6 → 85.4;Diving-48 上 V-JEPA 2 仍以 90.1 领先

方法IN1KK400SSv2Diving-48
V-JEPA 2 1B84.686.575.590.1
V-JEPA 2.1 1B83.786.275.389.0
VANE 1B87.588.675.989.7
DINOv3 ViT-H+ 0.8B88.286.663.185.3

注释 · attentive probe + 冻结特征,输入 256×256;Toto 文献值 IN1K 75.3、K400 74.4。出自 表 3