生成式 AI 已经风靡了人工智能社区，无论是个人还是企业，都开始热衷于创建相关的模态转换应用，比如文生图、文生视频、文生音乐等等。
最近呢，来自 ServiceNow Research、LIVIA 等科研机构的几位研究者尝试基于文本描述生成论文中的图表。为此，他们提出了一种 FigGen 的新方法，相关论文还被 ICLR 2023 收录为了 Tiny Paper。
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论文地址：https://arxiv.org/pdf/2306.00800.pdf
也许有人会问了，生成论文中的图表有什么难的呢？这样做对于科研又有哪些帮助呢？
科研图表生成有助于以简洁易懂的方式传播研究结果，而自动生成图表可以为研究者带来很多优势，比如节省时间和精力，不用花大力气从头开始设计图表。此外设计出具有视觉吸引力且易理解的图表能使更多的人访问论文。
然而生成图表也面临一些挑战，它需要表示框、箭头、文本等离散组件之间的复杂关系。与生成自然图像不同，论文图表中的概念可能有不同的表示形式，需要细粒度的理解，例如生成一个神经网络图会涉及到高方差的不适定问题。
因此，本文研究者在一个论文图表对数据集上训练了一个生成式模型，捕获图表组件与论文中对应文本之间的关系。这就需要处理不同长度和高技术性文本描述、不同图表样式、图像长宽比以及文本渲染字体、大小和方向问题。
在具体实现过程中，研究者受到了最近文本到图像成果的启发，利用扩散模型来生成图表，提出了一种从文本描述生成科研图表的潜在扩散模型 ——FigGen。
这个扩散模型有哪些独到之处呢？我们接着往下看细节。
模型与方法
研究者从头开始训练了一个潜在扩散模型。
首先学习一个图像自动编码器，用来将图像映射为压缩的潜在表示。图像编码器使用 KL 损失和 OCR 感知损失。调节所用的文本编码器在该扩散模型的训练中端到端进行学习。下表 3 为图像自动编码器架构的详细参数。
然后，该扩散模型直接在潜在空间中进行交互，执行数据损坏的前向调度，同时学习利用时间和文本条件去噪 U-Net 来恢复该过程。
至于数据集，研究者使用了 Paper2Fig100k，它由论文中的图表文本对组成，包含了 81,194 个训练样本和 21,259 个验证样本。下图 1 为 Paper2Fig100k 测试集中使用文本描述生成的图表示例。
模型细节
首先是图像编码器。第一阶段，图像自动编码器学习一个从像素空间到压缩潜在表示的映射，使扩散模型训练更快。图像编码器还需要学习将潜在图像映射回像素空间，同时不丢失图表重要细节（如文本渲染质量）。
为此，研究者定义了一个具有瓶颈的卷积编解码器，在因子 f=8 时对图像进行下采样。编码器经过训练可以最小化具有高斯分布的 KL 损失、VGG 感知损失和 OCR 感知损失。
其次是文本编码器。研究者发现通用文本编码器不太适合生成图表任务。因此他们定义了一个在扩散过程中从头开始训练的 Bert transformer，其中使用大小为 512 的嵌入通道，这也是调节 U-Net 的跨注意力层的嵌入大小。研究者还探索了不同设置下（8、32 和 128）的 transformer 层数量的变化。
最后是潜在扩散模型。下表 2 展示了 U-Net 的网络架构。研究者在感知上等效的图像潜在表示中执行扩散过程，其中该图像的输入大小被压缩到了 64x64x4，使扩散模型更快。他们定义了 1,000 个扩散步骤和线性噪声调度。
训练细节
为了训练图像自动编码器，研究者使用了一个 Adam 优化器，它的有效批大小为 4 个样本、学习率为 4.5e−6，期间使用了 4 个 12GB 的英伟达 V100 显卡。为了实现训练稳定性，他们在 50k 次迭代中 warmup 模型，而不使用判别器。
对于训练潜在扩散模型，研究者也使用 Adam 优化器，它的有效批大小为 32，学习率为 1e−4。在 Paper2Fig100k 数据集上训练该模型时，他们用到了 8 块 80GB 的英伟达 A100 显卡。
实验结果
在生成过程中，研究者采用了具有 200 步的 DDIM 采样器，并且为每个模型生成了 12,000 个样本来计算 FID, IS, KID 以及 OCR-SIM1。稳重使用无分类器指导（CFG）来测试超调节。
下表 1 展示了不同文本编码器的结果。可见，大型文本编码器产生了最好的定性结果，并且可以通过增加 CFG 的规模来改进条件生成。虽然定性样本没有足够的质量来解决问题，但 FigGen 已经掌握了文本和图像之间的关系。
下图 2 展示了调整无分类器指导（CFG）参数时生成的额外 FigGen 样本。研究者观察到增加 CFG 的规模（这在定量上也得到了体现）可以带来图像质量的改善。
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下图 3 展示了 FigGen 的更多生成示例。要注意样本之间长度的变化，以及文本描述的技术水平，这会密切影响到模型正确生成可理解图像的难度。
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不过研究者也承认，尽管现在这些生成的图表不能为论文作者提供实际帮助，但仍不失为一个有前景的探索方向。
更多研究细节请参阅原论文。
