TPAMI 2025 OccScene:联合扩散框架，同时推进感知与生成进步，3D场景生成新突破！

• 论文标题: OccScene: Semantic Occupancy-based Cross-task Mutual Learning for 3D Scene Generation

• 作者: Bohan Li, Xin Jin, Jianan Wang, Yukai Shi, Yasheng Sun, Xiaofeng Wang, Zhuang Ma, Baao Xie, Chao Ma, Xiaokang Yang, Wenjun Zeng

• 机构: 上海交通大学, 宁波东方理工大学，Astribot, PhiGent Robotics

• 论文地址: https://arxiv.org/abs/2412.11183

• 录用期刊: IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence (TPAMI)

🎯 研究背景：当生成模型遇上自动驾驶

在自动驾驶系统的研发中，高质量、大规模的标注数据是训练感知模型的“燃料”。但获取这些数据费时费力，成本高昂。因此，学界和业界开始将目光投向生成模型，希望用AI来创造合成数据，从而“喂饱”感知模型。

然而，传统的做法通常将“生成”和“感知”作为两个独立的环节。生成模型只管“画画”，画出来的场景虽然好看，但可能不符合真实世界的物理规律和几何结构，对于下游的感知任务来说，这些“华而不实”的数据价值有限。OccScene要解决的正是这个“学用脱节”的问题。

🌟 核心亮点与贡献

OccScene 首次实现了 3D 场景生成与语义Occupancy感知的深度融合，通过创新的联合扩散框架，让生成与感知任务“互惠互利”，实现“1+1>2”的效果。

1. 范式创新 (联合学习框架) ：提出了一个统一的感知-生成框架，感知模型为生成提供精细的几何与语义先验，生成的合成数据反哺感知模型，形成良性循环。

2. 技术突破 (Mamba对齐模块) ：设计了新颖的基于Mamba的双重对齐模块 (MDA) ，高效地对齐了相机轨迹、语义Occupancy与扩散特征，确保了生成内容（尤其是视频）的跨视角一致性和几何精确性。

3. 实用价值 (SOTA性能) ：仅需文本提示，即可同时生成高质量的图像/视频以及对应的3D语义占据信息。作为一种即插即用的训练策略，它还能显著提升现有SOTA感知模型的性能。

4. 理论支撑 (协同进化) ：通过互学习机制推动模型找到更宽、更稳定的损失谷底，避免了独立学习中可能出现的局部极小值停滞问题，实现了生成与感知的协同进化。

🎯 与传统方法的本质区别

🏗️ 核心技术解析

一、联合感知-生成扩散框架 (Joint Perception-Generation Diffusion)

OccScene 的核心在于将语义Occupancy预测与文本驱动生成统一到单个扩散过程中。感知模型不再是独立的下游任务，而是作为“指导者”深度参与到生成环节。

🔄 两阶段训练策略

阶段一：生成器调优

• 目标：让生成器学会理解Occupancy的几何约束。

• 做法：冻结一个预训练好的感知模型权重，仅训练扩散UNet，使其学会在语义Occupancy条件的引导下生成真实场景。

阶段二：联合优化 (Mutual Learning)

• 目标：实现生成与感知的双向促进。

• 做法：同时解冻并训练扩散UNet和感知模型。生成器在感知器的指导下创造更多样、更困难的合成数据，这些高质量数据反过来提升感知器的性能，尤其是在处理罕见场景（corner case）时。

📊 联合损失函数

为了在联合优化阶段平衡两个任务，设计了动态加权的损失函数：

其中， 是标准的扩散模型损失。感知损失 包含语义、几何和类别加权损失：

关键洞察：通过噪声水平 进行动态加权。在去噪早期（较大，噪声多），感知模型的监督权重较低；随着图像变清晰（变小，噪声少），其监督权重逐渐增强，确保了训练的稳定性。

二、基于 Mamba 的双重对齐模块 (MDA)

为了让语义Occupancy这个“3D地图”和生成过程中的特征（diffusion latent）完美对齐，研究者们引入了 Mamba-based Dual Alignment (MDA) 模块，这也是性能超越传统Attention架构的关键。

MDA模块巧妙地利用Mamba线性复杂度和长序列建模的优势，实现了两大对齐：

1. 跨视角相机编码与对齐：通过可变形3D卷积和相机参数编码，为每个视角的生成过程提供与之匹配的、视角感知的Occupancy特征，从而保证了视频生成时序上的一致性。

2. 序列特征编码与融合：利用双向Mamba块并行扫描深度维度的Occupancy特征和时序维度的潜在特征，高效地融合空间几何与时间上下文信息。最后通过一个零卷积层将增强后的特征注入扩散UNet，既保留了原始生成能力，又引入了精确的几何语义指导。

MDA模块的可视化热力图证明，它能有效地从时间和语义占据中高亮并对齐相关的上下文信息。

三、推理过程的自我优化

OccScene的推理过程是一个独特的闭环：

1. 从纯高斯噪声开始迭代去噪。

2. 在每一步，解码出的（含噪）图像都会被送入感知模型。

3. 感知模型预测出当前的语义Occupancy。

4. 这个预测出的Occupancy立即作为条件，反馈给生成器的同一步，指导下一步的去噪。

这个“边生成、边感知、边校正”的自我优化过程，确保了最终生成结果的几何一致性和语义准确性，实现了“图像越清晰 → Occupancy越准确 → 生成质量越高”的正向循环。

📊 实验结果与分析

1. 3D场景生成质量

OccScene在室内、室外、单图和视频生成任务上均取得了SOTA性能。

定性分析：相比传统方法，OccScene生成的场景在几何上更合理（如车辆形状正常），细节更清晰（如远处景物），并且在跨视角视频中保持了高度的逻辑一致性。

与基线模型相比，OccScene生成的几何形状更合理，细节更清晰。

OccScene在不同视角下生成的结果更一致、更合理。

在3D语义场景生成上，OccScene能生成更完整的场景和更精细的物体结构。

2. 对下游感知任务的提升

将OccScene作为数据增强策略，可以显著提升现有SOTA感知模型的性能。

结论：这证明了OccScene生成的合成数据质量高、信息量大，能有效帮助感知模型学习更鲁棒的特征。

3. 消融实验

关键发现：

1. 联合学习至关重要：相比离线生成数据再训练的模式，联合学习策略在生成质量（FID）和感知性能（mIoU）上都取得了压倒性胜利。

2. Mamba架构高效卓越：MDA模块不仅效果最好（FID最低），而且推理速度最快，相比Attention架构节省了32.5% 的时间。

联合学习（红色）的损失曲线更平滑，最终性能也更高，证明了“1+1>2”的效果。

🎯 总结与应用价值

OccScene通过一个设计优雅的“感知-生成”互学习框架，成功地将3D场景的生成与感知两个任务从彼此割裂推向了深度融合。这种“感知驱动生成，生成反哺感知”的闭环模式，不仅解决了生成模型“心中无数”的几何难题，也为感知模型提供了源源不断的高质量“养料”。

核心应用价值：

• 自动驾驶仿真：生成高保真、多样化的驾驶场景，特别是各种极端（corner case）场景，以低成本增强系统的鲁棒性。

• 机器人与AR/VR：为室内外场景的导航、交互提供可控、可编辑的虚拟环境。

• 通用数据增强：作为一种即插即用的数据生成器，为各类下游3D视觉任务提供高质量的训练数据，有效解决数据稀缺问题。