Kąt Andersona

Czy modele AI World Models naprawdę mogą zrozumieć prawa fizyki?

mm
Dodaj Unite.AI do preferowanych ÅšrÃģdeł w Google
Image produced by ChatGPT-4o, depicting diverse objects exhibiting aberrant physical properties. The prompt was developed conversationally

Wielką nadzieją dla modeli AI jest to, Åže pewnego dnia staną się bardziej autonomiczne i wszechstronne, włączając zasady praw fizyki w sposÃģb podobny do tego, jak rozwijamy wrodzone zrozumienie tych zasad poprzez wczesne doświadczenia.

Na przykład, gry z piłką u dzieci tendencję do rozwijania zrozumienia kinetyki ruchu, oraz wpływu wagi i tekstury powierzchni na trajektorię. Podobnie, interakcje z rÃģÅžnymi sytuacjami, takimi jak kąpiele, rozlane napoje, ocean, baseny i inne rÃģÅžne cieczy, wpajają nam wszechstronne i skalowalne zrozumienie zachowania się cieczy pod wpływem grawitacji.

Nawet załoÅženia mniej powszechnych zjawisk – takich jak spalanie, wybuchy i rozkład cięŞaru w budynkach – są nieświadomie wchłaniane poprzez ekspozycję na programy telewizyjne i filmy, lub filmy wideo na portalach społecznościowych.

W momencie, gdy studiujemy zasady za tymi systemami, na poziomie akademickim, po prostu “dopasowujemy” nasze intuicyjne (ale niepoinformowane) modele mentalne –

Mistrzowie jednego

Obecnie, większość modeli AI jest, w przeciwieństwie, bardziej “specjalistyczna”, a wiele z nich jest albo dostosowana lub szkolona od podstaw na zestawach danych obrazÃģw lub wideo, ktÃģre są dość specyficzne dla określonych przypadkÃģw uÅžycia, zamiast zaprojektowane do rozwoju takiego ogÃģlnego zrozumienia rządzących praw.

Inne mogą wykazywać wygląd zrozumienia praw fizyki; ale mogą one tak naprawdę odtwarzać prÃģbki ze swoich danych szkoleniowych, zamiast naprawdę rozumieć podstawy obszarÃģw takich jak fizyka ruchu w sposÃģb, ktÃģry mÃģgłby wytworzyć naprawdę nowe (i naukowo prawdopodobne) przedstawienia z podpowiedziami uÅžytkownikÃģw.

W tym delikatnym momencie komercjalizacji systemÃģw AI generatywnych, jest to nasza, i inwestorÃģw, rola, aby odrÃģÅžnić wytworzone marketing nowych modeli AI od rzeczywistości ich ograniczeń.

Jeden z najciekawszych artykułÃģw z listopada, prowadzony przez Bytedance Research, zajmował się tym problemem, badając lukę między pozornymi i rzeczywistymi moÅžliwościami “wszechstronnych” modeli generatywnych, takich jak Sora.

Praca ta doszła do wniosku, Åže w obecnym stanie sztuki, wygenerowane dane wyjściowe z modeli tego typu są bardziej prawdopodobne do naśladownictwa przykładÃģw ze swoich danych szkoleniowych niÅž do rzeczywistego wykazania pełnego zrozumienia podstawowych ograniczeń fizycznych, ktÃģre działają w świecie rzeczywistym.

Artykuł stwierdza*:

‘[Te] modele mogą być łatwo wprowadzane w błąd przez “wprowadzające w błąd” przykłady ze zbioru danych szkoleniowych, co prowadzi je do uogÃģlniania w “opartym na przypadku” sposÃģb w określonych warunkach. To zjawisko, rÃģwnieÅž obserwowane w duÅžych modelach językowych, opisuje tendencję modelu do odniesienia się do podobnych przypadkÃģw szkoleniowych przy rozwiązywaniu nowych zadań.

‘Na przykład, rozwaÅžmy model wideo szkolony na danych o ruchu piłki w jednostajnym ruchu liniowym. Jeśli augmentacja danych jest wykonywana przez odwrÃģcenie poziome wideo, wprowadzając ruch wsteczny, model moÅže wygenerować scenariusz, w ktÃģrym piłka o niskiej prędkości odwraca kierunek po początkowych klatkach, nawet jeśli takie zachowanie nie jest fizycznie poprawne.’

Zajmiemy się tym artykułem – zatytułowanym Evaluating World Models with LLM for Decision Making – niebawem. Ale najpierw, przyjrzyjmy się tłu tych pozornych ograniczeń.

Pamięć przeszłości

Bez uogÃģlnienia, wytrenowany model AI jest niewiele więcej niÅž drogi arkusz kalkulacyjny odniesień do sekcji swoich danych szkoleniowych: znajdÅš odpowiednią frazę wyszukiwania, i moÅžesz wywołać przykład tej danych.

W tym scenariuszu, model działa skutecznie jako “neuralny silnik wyszukiwania”, poniewaÅž nie moÅže wytworzyć abstrakcyjnych lub “kreatywnych” interpretacji poŞądanego wyjścia, ale raczej powiela nieznacznie rÃģÅžniące się wersje danych, ktÃģre widział podczas procesu szkolenia.

To jest znane jako pamięć – kontrowersyjny problem, ktÃģry wynika z faktu, Åže prawdziwie giętkie i interpretatywne modele AI tendencję do braku szczegÃģłÃģw, podczas gdy prawdziwie szczegÃģłowe modele tendencję do braku oryginalności i elastyczności.

MoÅžliwość modeli dotkniętych pamięcią do odtwarzania danych szkoleniowych jest potencjalnym problemem prawnym, w przypadkach, gdy twÃģrcy modelu nie mieli nieograniczonych praw do korzystania z tych danych; oraz w przypadkach, gdy korzyści z tych danych mogą być wykazane poprzez rosnącą liczbę metod ekstrakcji.

PoniewaÅž pamięć, ślady nieautoryzowanych danych mogą przetrwać, łańcuchowo, przez wiele systemÃģw szkoleniowych, jak niezamierzony i nieusuwalny znak wodny – nawet w projektach, w ktÃģrych praktyk machine learningu zadbał o to, aby “bezpieczne” dane były uÅžywane.

Modele świata

JednakÅže, głÃģwny problem z pamięcią jest taki, Åže tendencję do wytworzenia iluzji inteligencji, lub sugeruje, Åže model AI ma uogÃģlnione fundamentalne prawa lub dziedziny, podczas gdy w rzeczywistości jest to duÅžy volumen zapamiętanych danych, ktÃģry wytworzył tę iluzję (tj. model ma tak wiele potencjalnych przykładÃģw danych do wyboru, Åže trudno dla człowieka powiedzieć, czy odtwarza nauczonych treści czy ma prawdziwie abstrakcyjne zrozumienie pojęć zaangaÅžowanych w generowaniu).

Problem ten ma konsekwencje dla rosnącego zainteresowania modelami świata – perspektywą wysoko zrÃģÅžnicowanych i drogo wytrenowanych systemÃģw AI, ktÃģre włączają wiele znanych praw i są bogato eksplorowalne.

Modele świata są szczegÃģlnie interesujące w przestrzeni generatywnych obrazÃģw i wideo. W 2023 roku RunwayML rozpoczął inicjatywę badawczą dotyczącą rozwoju i wykonalności takich modeli; DeepMind niedawno zatrudnił jednego z twÃģrcÃģw słynnego modelu Sora do pracy nad modelem tego typu; i startupy takie jak Higgsfield inwestują znacznie w modele świata do syntezy obrazÃģw i wideo.

Trudne kombinacje

Jednym z obietnic nowych rozwojÃģw w systemach AI generatywnych wideo jest perspektywa, Åže mogą one nauczyć się fundamentalnych praw fizyki, takich jak ruch, kinematyka ludzka (taka jak charakterystyka chodu), dynamika płynÃģw, i inne znane zjawiska fizyczne, ktÃģre są, co najmniej, wizualnie znajome ludziom.

Jeśli systemy AI generatywne mogą osiągnąć ten kamień milowy, mogą stać się zdolne do produkcji hiperrealistycznych efektÃģw wizualnych, ktÃģre przedstawiają wybuchy, powodzie i prawdopodobne zdarzenia kolizyjne na rÃģÅžnych obiektach.

Jeśli jednak system AI został po prostu wytrenowany na tysiącach (lub setkach tysięcy) wideo przedstawiających takie zdarzenia, moÅže być w stanie odtworzyć dane szkoleniowe w przekonywujący sposÃģb, gdy został wytrenowany na podobnym punkcie danych do zapytania uÅžytkownika; jednak niepowodzenie, jeśli zapytanie łączy zbyt wiele pojęć, ktÃģre w takim połączeniu nie są reprezentowane w danych.

Dalej, te ograniczenia nie będą natychmiast widoczne, aÅž do momentu, gdy system zostanie poddany wyzwaniom.

To oznacza, Åže nowy system generatywny moÅže być w stanie wygenerować treści wideo, ktÃģre, choć imponujące, mogą stworzyć fałszywe wraÅženie moÅžliwości systemu i głębi zrozumienia, poniewaÅž zadanie, ktÃģre reprezentuje, nie jest prawdziwym wyzwaniem dla systemu.

Na przykład, dość powszechny i rozpowszechniony zdarzenie, taki jak ‘budynek jest wyburzany’, moÅže być obecny w wielu wideo w zbiorze danych uÅžywanym do szkolenia modelu, ktÃģry ma mieć pewne zrozumienie fizyki. Dlatego model moÅže przypuszczalnie uogÃģlnić ten koncept dobrze i nawet wytworzyć prawdziwie nowe dane wyjściowe w ramach parametrÃģw nauczonych z obfitych wideo.

To jest przykład wewnątrz-zbioru, gdzie zestaw danych zawiera wiele przydatnych przykładÃģw dla systemu AI do nauki.

JednakÅže, jeśli ktoś poprosi o bardziej dziwne lub podejrzane przykłady, takie jak ‘WieÅža Eiffla jest wysadzana w powietrze przez obcych najeÅšdÅšcÃģw’, model musi połączyć rÃģÅžne dziedziny, takie jak “właściwości metalurgiczne”, “charakterystyka wybuchÃģw”, “grawitacja”, “opÃģr wiatru” – i “obcy statek kosmiczny”.

To jest przykład poza-zbioru (OOD), ktÃģry łączy tak wiele splątanych pojęć, Åže system prawdopodobnie albo nie wygeneruje przekonywującego przykładu, albo spowoduje, Åže wygeneruje najbliÅžszy semantyczny przykład, na ktÃģry został wytrenowany – nawet jeśli ten przykład nie odpowiada podpowiedzi uÅžytkownika.

Wyjąwszy, Åže modelowy zbiÃģr danych zawiera hollywoodzkie CGI-oparte efekty specjalne przedstawiające to samo lub podobne zdarzenie, takie przedstawienie wymagałoby, aby osiągnął dobrze uogÃģlnione i giętkie zrozumienie praw fizyki.

Ograniczenia fizyczne

Nowy artykuł – wspÃģłpraca między Bytedance, Uniwersytetem Tsinghua i Technion – sugeruje, Åže nie tylko modele takie jak Sora nie naprawdę wewnętrznie internalizują deterministyczne prawa fizyki w ten sposÃģb, ale Åže zwiększanie ilości danych (powszechny podejście w ciągu ostatnich 18 miesięcy) wydaje się, w większości przypadkÃģw, nie wykazuje Åžadnej realnej poprawy w tym zakresie.

Artykuł bada nie tylko ograniczenia ekstrapolacji konkretnych praw fizyki – takich jak zachowanie się obiektÃģw w ruchu, gdy zderzają się lub gdy ich ścieÅžka jest przeszkodzona – ale takÅže zdolność modelu do kombinatorycznego uogÃģlnienia – przypadkÃģw, w ktÃģrych reprezentacje dwÃģch rÃģÅžnych zasad fizycznych są scalone w jedną generatywną odpowiedÅš.

Podsumowanie wideo nowego artykułu. ÅđrÃģdło: https://x.com/bingyikang/status/1853635009611219019

Trzy prawa fizyki wybrane do badania przez badaczy były ruchem parabolicznym; ruchem liniowym jednostajnym; i zderzeniem doskonale spręŞystym.

Jak widać w powyÅžszym wideo, wyniki wskazują, Åže modele takie jak Sora nie naprawdę internalizują prawa fizyki, ale tendencję do odtwarzania danych szkoleniowych.

Dalej, autorzy stwierdzili, Åže takie aspekty, jak kolor i kształt, stają się tak splątane w czasie inferencji, Åže wygenerowana piłka moÅže się zmienić w kwadrat, wydaje się, Åže dlatego, iÅž podobny ruch w przykładzie danych zawierał kwadrat, a nie piłkę (zobacz przykład w powyÅžszym wideo).

Artykuł, ktÃģry znacząco zaangaÅžował sektor badawczy w mediach społecznościowych, stwierdza:

‘Nasze badanie sugeruje, Åže samą skalę jest niewystarczające dla modeli generatywnych wideo do odkrycia fundamentalnych praw fizyki, pomimo jej roli w szerszym sukcesie Soryâ€Ķ

‘â€Ķ[Wyniki] wskazują, Åže samą skalę nie moÅžna rozwiązać problemu poza-zbioru, chociaÅž zwiększa wydajność w innych scenariuszach.

‘Nasza dogłębna analiza sugeruje, Åže uogÃģlnienie modelu wideo opiera się bardziej na odniesieniu do podobnych przykładÃģw szkoleniowych niÅž nauczeniu się uniwersalnych reguł. Zaobserwowaliśmy priorytetowy porządek koloru > rozmiaru > prędkości > kształtu w tym “opartym na przypadku” zachowaniu.

‘[Nasze] badanie sugeruje, Åže naiwne skalowanie jest niewystarczające dla modeli generatywnych wideo do odkrycia fundamentalnych praw fizyki.’

Zapytany, czy zespÃģł badawczy znalazł rozwiązanie problemu, jeden z autorÃģw artykułu skomentował:

‘Niestety, nie. Tak naprawdę, to jest prawdopodobnie misja całej społeczności AI.’

Metoda i dane

Badacze uÅžyli Variational Autoencoder (VAE) i DiT architektury do generowania prÃģbek wideo. W tym zestawie, skompresowane latentne reprezentacje wytworzone przez VAE wspÃģłpracują z modelem DiT denoising.

Wideo były szkolone na stabilnym dyfuzyjnym VAE 1.5. Schemat pozostał fundamentalnie niezmieniony, z tylko końcowymi ulepszeniami architektonicznymi:

‘[Zachowujemy] większość oryginalnej 2D konwolucji, normalizacji grupowej i mechanizmÃģw uwagi na wymiarach przestrzennych.

‘Aby napompować tę strukturę w autoenkoder przestrzenny-czasowy, konwertujemy ostatnie bloki 2D downsampling encoder i pierwsze bloki 2D upsampling decoder na 3D, i zatrudniamy wiele dodatkowych warstw 1D, aby wzmocnić modelowanie czasowe.’

Aby umoÅžliwić modelowanie wideo, zmodyfikowany VAE został wspÃģlnie wytrenowany z danymi obrazÃģw HQ i wideo, z 2D Generative Adversarial Network (GAN) składnikiem rodzimego architektury SD1.5 uzupełnionym o 3D.

Zestaw danych obrazÃģw uÅžyty był oryginalnym ÅšrÃģdłem Stable Diffusion, LAION-Aesthetics, z filtrowaniem, dodatkowo DataComp. Dla danych wideo, podzbiÃģr został wybrany z Vimeo-90K, Panda-70m i HDVG zestawÃģw danych.

Dane zostały wytrenowane przez milion krokÃģw, z losowym przycięciem i losowym odwrÃģceniem poziomym zastosowanym jako procesy augmentacji danych.

Odwrotny ruch

Jak wspomniano powyÅžej, losowy proces odwrÃģcenia poziomego augmentacji moÅže być wadą w szkoleniu systemu zaprojektowanego do produkcji autentycznego ruchu. Jest to spowodowane tym, Åže dane wyjściowe z wytrenowanego modelu mogą brać pod uwagę oba kierunki obiektu i powodować losowe odwrÃģcenia, gdy prÃģbuje negocjować te sprzeczne dane (zobacz powyÅžsze wideo).

Z drugiej strony, jeśli się wyłączy odwrÃģcenie poziome, model jest bardziej prawdopodobny do wytworzenia danych wyjściowych, ktÃģre przestrzegają tylko jeden kierunek nauczony z danych szkoleniowych.

Więc nie ma łatwego rozwiązania problemu, poza tym, Åže system naprawdę wchłania całość moÅžliwości ruchu z zarÃģwno rodzimej, jak i odwrÃģconej wersji – zdolność, ktÃģrą dzieci rozwijają łatwo, ale ktÃģra jest bardziej wyzwaniem, wydaje się, dla modeli AI.

Testy

Dla pierwszego zestawu eksperymentÃģw, badacze sformułowali symulator 2D, aby wytworzyć wideo ruchu obiektÃģw i zderzeń, ktÃģre są zgodne z prawami mechaniki klasycznej, co dostarczyło duÅžy i kontrolowany zbiÃģr danych, ktÃģry wykluczał niejasności wideo rzeczywistego świata, do oceny modeli. Silnik gry fizycznej Box2D został uÅžyty do stworzenia tych wideo.

Trzy podstawowe scenariusze wymienione powyÅžej były celem testÃģw: ruch liniowy jednostajny, zderzenie doskonale spręŞyste i ruch paraboliczny.

Zestawy danych o rosnącej wielkości (od 30 000 do trzech milionÃģw wideo) zostały uÅžyte do szkolenia modeli rÃģÅžnej wielkości i złoÅžoności (DiT-S do DiT-L), z pierwszymi trzema klatkami kaÅždego wideo uÅžywanymi do warunkowania.

SzczegÃģły rÃģÅžnych modeli wytrenowanych w pierwszym zestawie eksperymentÃģw. ÅđrÃģdło: https://arxiv.org/pdf/2411.02385

SzczegÃģły rÃģÅžnych modeli wytrenowanych w pierwszym zestawie eksperymentÃģw. ÅđrÃģdło: https://arxiv.org/pdf/2411.02385

Badacze stwierdzili, Åže wyniki wewnątrz-zbioru (ID) skalują się dobrze z rosnącą ilością danych, podczas gdy generacje poza-zbioru (OOD) nie poprawiają się, co wskazuje na braki w uogÃģlnieniu.

Wyniki pierwszej rundy testÃģw.

Wyniki pierwszej rundy testÃģw.

Autorzy zauwaÅžają:

‘Te wyniki sugerują niemoÅžność skalowania do wykonywania wnioskowania w scenariuszach poza-zbioru.’

Następnie, badacze przetestowali i wytrenowali systemy zaprojektowane do wykazania biegłości w kombinatorycznym uogÃģlnieniu, w ktÃģrym dwa sprzeczne ruchy są łączone w celu (nadziei) wytworzenia spÃģjnego ruchu, ktÃģry jest wierny prawu fizycznemu za kaÅždym z oddzielnych ruchÃģw.

Dla tej fazy testÃģw, autorzy uÅžyli PHYRE symulatora, tworząc środowisko 2D, ktÃģre przedstawia wiele i rÃģÅžnorodnie ukształtowanych obiektÃģw w swobodnym upadku, zderzających się z sobą w rÃģÅžnorodnych złoÅžonych interakcjach.

WskaÅšniki oceny dla tego drugiego testu były FrÃĐchet Video Distance (FVD); Structural Similarity Index (SSIM); Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR); Learned Perceptual Similarity Metrics (LPIPS); i badanie ludzkie (oznaczone jako “abnormal” w wynikach).

Trzy skale zestawÃģw danych szkoleniowych zostały utworzone, przy 100 000 wideo, 0,6 milionach wideo i 3-6 milionach wideo. Modele DiT-B i DiT-XL zostały uÅžyte, ze względu na zwiększoną złoÅžoność wideo, z pierwszą klatką uÅžywaną do warunkowania.

Modele zostały wytrenowane przez milion krokÃģw przy rozdzielczości 256×256, z 32 klatkami na wideo.

Wyniki drugiej rundy testÃģw.

Wyniki drugiej rundy testÃģw.

Wynik tego testu sugeruje, Åže proste zwiększanie objętości danych jest niewystarczające:

Artykuł stwierdza:

‘Te wyniki sugerują, Åže zarÃģwno pojemność modelu, jak i pokrycie przestrzeni kombinacji są kluczowe dla kombinatorycznego uogÃģlnienia. To spostrzeÅženie sugeruje, Åže prawa skalowania dla generacji wideo powinny koncentrować się na zwiększaniu rÃģÅžnorodności kombinacji, a nie tylko na zwiększaniu objętości danych.’

Wreszcie, badacze przeprowadzili dalsze testy, aby sprÃģbować określić, czy model generatywny wideo moÅže naprawdę wchłonąć prawa fizyki, czy po prostu pamięta i odtwarza dane szkoleniowe w czasie inferencji.

Oto badali pojęcie “opartego na przypadku” uogÃģlnienia, gdzie modele tendencję do naśladownictwa konkretnych przykładÃģw szkoleniowych, gdy spotykają nowe sytuacje, a takÅže badali przykłady ruchu jednostajnego – w szczegÃģlności, jak kierunek ruchu w danych szkoleniowych wpływa na przewidywania wytrenowanego modelu.

Dwa zestawy danych szkoleniowych, dla ruchu jednostajnego i zderzenia, zostały wybrane, kaÅždy składający się z wideo ruchu jednostajnego, przedstawiające prędkości między 2,5 a 4 jednostek, z pierwszymi trzema klatkami uÅžywanymi jako warunkowanie. Wartości latentne, takie jak prędkość, zostały pominięte, a po szkoleniu testy zostały przeprowadzone na zarÃģwno widzianych, jak i niewidzianych scenariuszach.

PoniÅžej widzimy wyniki testu dla generacji ruchu jednostajnego:

Wyniki testu dla generacji ruchu jednostajnego, gdzie zmienna “prędkość” jest pomijana podczas szkolenia.

Autorzy stwierdzają:

‘[Z] duŞą luką w zestawie danych szkoleniowych, model tendencję do generowania wideo, w ktÃģrych prędkość jest albo wysoka, albo niska, aby przypominać dane szkoleniowe, gdy pierwsze klatki pokazują prędkości w średnim zakresie.’

Dla testÃģw zderzeń, wiele więcej zmiennych jest zaangaÅžowanych, a model musi nauczyć się dwuwymiarową funkcję nieliniową.

Zderzenie: wyniki trzeciej i ostatniej rundy testÃģw.

Zderzenie: wyniki trzeciej i ostatniej rundy testÃģw.

Autorzy obserwują, Åže obecność “wprowadzających w błąd” przykładÃģw, takich jak odwrÃģcony ruch (tj. piłka, ktÃģra odbija się od powierzchni i odwraca swÃģj kierunek), moÅže wprowadzić model w błąd i spowodować, Åže wygeneruje fizycznie niepoprawne przewidywania.

Wnioski

Jeśli nie-AI-algoritmy (tj. “upieczony”, proceduralny sposÃģb) zawierają prawa matematyczne dla zachowania się zjawisk fizycznych, takich jak ciecze, obiekty pod wpływem grawitacji lub ciśnienia, istnieje zestaw niezmiennych stałych dostępnych do dokładnego renderowania.

JednakÅže, nowy artykuł wskazuje, Åže nie ma rÃģwnowaÅžnego związku lub wewnętrznego zrozumienia klasycznych praw fizyki, ktÃģre rozwijają się podczas szkolenia modeli generatywnych, i Åže zwiększanie ilości danych nie rozwiązuje problemu, ale raczej go zakrywa – poniewaÅž większa ilość danych szkoleniowych jest dostępna dla systemu do naśladownictwa w czasie inferencji.

 

* Moja konwersja cytowań wewnętrznych autorÃģw do łączy.

Pierwotnie opublikowane we wtorek, 26 listopada 2024

Pisarz specjalizujący się w dziedzinie machine learning, specjalista w dziedzinie syntezowania obrazÃģw ludzi. Były szef działu treści badawczych w Metaphysic.ai, do czasu jego rozwiązania i połączenia z DNEG's Brahma.ai.
Portfolio site: martinanderson.ai
Contact: [email protected]