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前沿 Recent ECCV 2026 · 2026 arXiv:2606.31734 ↗

MemLearner: Learning to Query Context Memory for Video World ModelsMemLearner:为视频世界模型学习如何查询上下文记忆

让视频世界模型自己学会查询历史上下文记忆,长视频生成下保持场景一致。

作者:Jiwen Yu, Jianxiong Gao, Jianhong Bai, Yiran Qin, Kaiyi Huang, Quande Liu, Xintao Wang, Pengfei Wan, Kun Gai, Xihui Liu
机构:The University of Hong Kong / Fudan University / Zhejiang University / Kuaishou Technology
发布:ECCV 2026
时间:2026-06-30
视频世界模型记忆机制上下文查询长视频视频扩散模型时序建模
原文摘要 · English Abstract

Video World Models are interactive video generation models that predict future world states based on user actions and history video frames. A critical challenge in video world models is the lack of memory, causing inconsistent generated scenes over extended durations. Previous methods explored rule-based context frame retrieval as memory, but they fail to generalize in scenarios with scene occlusions and dynamic objects. We propose MemLearner, a learning-based adaptive context query method using query tokens to bridge context and predicted tokens. By leveraging the video generation model itself for context querying, MemLearner exploits pre-trained visual priors without training additional modules from scratch, and incorporates efficient strategies for training and inference. We collect a dataset of long videos with scene occlusions and dynamic objects, paired with camera pose annotations, and propose a multi-dataset training strategy leveraging both annotated rendered and unannotated real-world videos. Extensive experiments demonstrate that MemLearner significantly outperforms prior video world models in terms of scene consistency and memory, particularly under challenging occlusion and dynamic scenarios.

概要

视频世界模型要在用户控制下预测未来画面,但长时间生成时场景会逐渐失真,本质是缺一套记忆机制。已有做法靠规则从历史帧里挑上下文,比如按视场角重叠或点云估计,可一旦出现遮挡或运动物体就失效。MemLearner 把检索换成学习:插入一组查询 token,让它们从历史上下文 token 里自适应抽取信息,再交给预测 token 作为生成条件。关键设计是把查询交给视频生成模型本身完成,而非新建模块,从而复用预训练视觉先验。作者还收集了带遮挡、动态对象与相机位姿的长视频数据,并提出多数据集训练策略联合利用渲染与真实视频。

视频世界模型把历史状态与交互动作映射成未来画面,长视频生成中场景一致性下降,根因是上下文窗口有限、模型没有记忆。现有记忆手段分三类:3D 重建代价高且易出错、特征压缩对细粒度场景不够、上下文检索最直接但需先挑相关历史帧。检索类方法沿用 FOV 重叠或点云+面片匹配等硬编码规则,面对遮挡墙壁、运动物体与动态环境的状态变化都难以泛化。作者由此转向:与其手工设计检索规则,不如让网络通过端到端训练自己学会从历史帧中自适应查询信息。

关键贡献

  • 提出 MemLearner,一种基于学习的自适应上下文查询方法,用查询 token 从上下文 token 中提取有效记忆,使视频世界模型具备记忆并提升一致性与泛化能力。
  • 关键设计是让视频生成模型自身承担上下文查询,而非额外训练一个从零初始化的查询模块,从而复用预训练视觉先验、无需专门监督。
  • 提出两项高效训练与推理策略:仅在浅层查询层做上下文查询,以及剔除冗余注意力计算,降低长序列上下文查询开销。
  • 收集基于 Unreal Engine 的渲染长视频数据集,含定制遮挡、动态对象、相机位姿标注与充分的回访场景,满足现有数据集缺失的条件。
  • 提出多数据集训练策略,为不同位姿标注质量的数据分配独立相机编码器,使渲染与真实视频的互补优势可以同时利用。
  • 实验表明 MemLearner 在遮挡与动态场景下显著优于既有视频世界模型,并验证其架构无关性与真实世界迁移能力。

方法详解(完整做法)

总体思路

MemLearner 把长视频生成建模成「给定历史上下文帧 C,预测未来帧 P」。它在 C 与 P 之间插入一组可学习查询 token Q,让 Q 先做「查询者」:Q 作为 query 去 attend 上下文 C(必要时也看 P),自适应抽出对当前生成有用的历史信息;再让 P 作为 query 去 attend Q,把抽出的信息当作生成条件。整个交互由视频生成模型自身的 3D 注意力完成,Q 不设专门监督,仅靠 P 上的扩散损失做端到端间接监督。

输入表示与 token 构成

基于带因果 3D VAE 与 DiT 的潜空间扩散模型,一个视频生成被切成块逐块自回归推进。第 t 步输入记为 Zt = {C, Q, Pt}:上下文 token 与查询 token 保持无扰动,只有预测 token 被随机高斯噪声扰动。每块 P 对应 77 帧(20 帧视频潜变量),Q 数量与 P 相同,且用随机采样噪声而非可学习参数初始化,以贴合扩散模型的输入分布;C 长度最多可到 P 的 9 倍,其最后一帧与 P 的第一帧对齐以保证连续性。

训练损失

扩散损失只施加在预测 token 上。记 ϵP ∼ N(0, I) 为施加在 P 上的噪声,模型预测 ϵθ,则: L(θ)=E[∥ϵθ(Zt,cam,p,t)−ϵP]\mathcal{L}(\theta)=\mathbb{E}\big[\|\epsilon_\theta(Z_t,\mathrm{cam},p,t)-\epsilon_P\big] 由于监督只落在 P,Q 的「如何查询」是由反向传播通过中间注意力隐式学出来的,不需要给查询模块单独配损失。

用生成模型自身做查询

一个直观但失败的设计是新增一个从零初始化的上下文查询模块(Fig. 2(b))。实验发现它与预训练生成器联合训练时学不到东西:注意力相似度几乎为零,生成器随即忽略其输出,退化成纯文生视频模型。因此作者改用设计 (c):所有 C、Q、P 一并送入视频生成模型,靠它已有的视觉先验完成查询。好处有二:一是复用先验知识、省数据和算力;二是端到端训练自然习得查询能力,不依赖为额外模块设计的输入输出与监督。这一取舍是本文区别于规则检索与旁路模块的核心。

标准 3D 注意力

把注意力块里的线性运算记为 q(·)、k(·)、v(·)、o(·),对应 query/key/value/output,softmax 记为 sm(·),用 g(·,·,·) 简记 query/key/value 三个输入,则一个标准 3D 注意力层为: Fout=Fin+o(sm(q(Fin)k(Fin)⊤)v(Fin))=Fin+g(Fin,Fin,Fin)F_{\mathrm{out}}=F_{\mathrm{in}}+o\big(\mathrm{sm}(q(F_{\mathrm{in}})k(F_{\mathrm{in}})^{\top})v(F_{\mathrm{in}})\big)=F_{\mathrm{in}}+g(F_{\mathrm{in}},F_{\mathrm{in}},F_{\mathrm{in}}) 当上下文很长时,每个位置都全局 attend 所有 token 开销很大,这正是两条效率策略要压缩的对象。

为什么只在浅层查询

信息查询在本质上接近「编码」:编码器通常远小于生成器,所需参数与计算也少得多。于是把 n+m 层的 DiT 切成 n 个浅层 Query Layers 和 m 个深层 Generative Layers,n≪m。交互只发生在 Query Layers;生成层只保留 Q 与 P。这样短上下文交互只占用模型的一小部分,既保留生成能力,又令成本近似与上下文长度解耦。

效率策略与汇总公式

策略一让 C、Q、P 只在浅层查询层交互: Query: Cout=C,Qout=Q+g(Q,{C,P},{C,P}),Pout=P+g(P,{P,Q},{P,Q})\text{Query: } C_{\mathrm{out}}=C,\quad Q_{\mathrm{out}}=Q+g(Q,\{C,P\},\{C,P\}),\quad P_{\mathrm{out}}=P+g(P,\{P,Q\},\{P,Q\}) Generative: Qout=Q+g(Q,P,P),Pout=P+g(P,{P,Q},{P,Q})\text{Generative: } Q_{\mathrm{out}}=Q+g(Q,P,P),\quad P_{\mathrm{out}}=P+g(P,\{P,Q\},\{P,Q\}) 策略二只保留三种必要注意力模式——Q 查 P(让 Q 知道该依据预测目标去提什么)、Q 查 C(真正提取上下文)、P 查 P 与 Q(P 从中提取信息),其余(尤其是 C 作为 query)全部剔除。消融显示去掉「Q 查 P」会显著恶化性能,说明 Q 必须从 P 获得「要提什么」的指引。

小结

MemLearner 的关键不是「加了 Q」本身,而是重新分配了注意力角色并借生成器自己完成查询,从而在遮挡与动态场景下实现真正可推广的记忆。

实验与关键数据

在自建遮挡动态数据集、无遮挡动态的 CaM 及真实世界 SpatialVID 上,与 DFoT、FramePack、VMem、Context-as-Memory、Separate Module 对比,评估 GT 与回访下的 PSNR/LPIPS 与 FID/FVD。MemLearner 在自建数据上全部指标最优。

关键数据

自建数据集 GT Comp PSNR
21.23
vs CaM 19.85(+1.38)
自建数据集 GT Comp LPIPS
0.2904
vs CaM 0.3475(-0.0571)
自建数据集 Revisit Comp PSNR
18.57
vs CaM 17.61(+0.96)
自建数据集 GT Comp FVD
835.98
vs CaM 848.61(-12.63)
CaM 数据集 GT Comp PSNR
20.35
vs CaM 基线 20.22(+0.13)

影响与局限

既有方法把「记忆」固化为规则检索,MemLearner 把这一步换成端到端可学习,代表记忆机制从硬编码检索转向学习式查询的范式转折。其「复用生成模型本身而非新增模块」避免了从零查询模块与预训练生成器联合训练难收敛的问题,为在生成骨架中直接注入记忆提供范例。其多数据集训练与「单独编码器隔离不同位姿质量」的做法,为混合渲染与真实数据训练提供参考。

局限与不足

数据与模型规模仍是瓶颈。当前基于 1B 参数量模型,当同一场景里超过约五个运动角色同时交互时,生成质量明显下降,出现外观不一致或回访时物体缺失,说明模型容量不足以同时追踪大量动态实体,需要更大模型与含更丰富动态交互的长视频数据支撑。其次,工作聚焦于「完整保存上下文并高效检索/查询」,记忆开销仍随生成时长线性增长,尚不构成真正可扩展的智能记忆;作者也指出上下文压缩与本文亮点正交,可先压缩表示再套用学习式查询,而压缩、摘要、更新、编辑与选择性遗忘仍是后续方向。此外,相机位姿估计依赖专门编码器,端到端训练以中等规模基座为实验主体,跨更大基座的整体收益仍需验证。