✍🏻 本文作者：云芑、因尘、岁星、也鹿
1. 背景
随着AI生成内容（AIGC）技术如Diffusion的飞速进展，现如今，大家已能够轻易地使用Stable Diffusion（SD）[1]等文生图的模型或工具，将心中所想仅凭语言描述（prompt）即转化为具体图像。基于此，我们不禁思考：是否有可能进一步发展该技术，允许用户通过描述来为商品定制特定背景，从而协助商家快速且轻松地打造理想的商品图像？例如，为一个包生成一个室内桌面摆放的背景，或是为某款连衣裙创造出站在海边的、气质甜美的模特形象等。
正是出于这样的设想，我们基于SD和一些图像控制模型（如controlNet[2]）成功实现了这一功能，并推出了AI创意生产工具——万相实验室（https://agi.taobao.com/），生成效果如下图所示，页面上轻松点选，短短几分钟，同一个商品便可以轻松拥有千变万化的背景场景，服装模特也可以调整各种肤色发型。
同前景不同背景生成图然而在这一过程中，我们在商品/元素控制、模特控制、背景控制上也遇到了一系列挑战。如商品特征不准确、控制局部元素和背景虚化间存在trade off、模特属性与描述不匹配、模特手部畸形、指定颜色的纯色背景生成困难等问题。为了达到更好的效果，我们进行了一番探索并总结出了若干有效的控制方法。在接下来的文章中，我们将围绕各个问题进行详细阐述。
2. 商品/元素控制
为了实现商品换背景这一功能，最直接的方法是采用图像修复（inpainting）技术。具体来说，我们可以结合使用SD模型与inpainting controlNet，将抠出的商品视作图像的前景部分，而将其余区域视为待处理的背景。然后通过prompt精准地指导背景的修复内容。然而，直接应用开源模型容易导致商品的过度补全问题，商品特征难以正确保持。如下图展示的例子，一瓶精华液上长出了一个多余的盖子，这显然是难以接受的。为了解决这个问题，我们提出了两种方法：一是进行实例掩模（instance mask）训练，二是在推理时引入基于掩码的Canny边缘控制网络（Masked Canny ControlNet，详见论文>>https://arxiv.org/abs/2404.14768）。
2.1 Instance Mask训练
从普通inpainting模型的训练过程中，可以分析出商品过度补全的主要原因在于，在数据构造过程中，会在图像上随机圈出一个区域生成mask（如下图所示），以该mask划分前背景来训练，图上的物体很容易被这个mask给截断，因此训出的模型倾向于对物体外观形状进行联想补全。为了减少这种现象，更好地生成商品图，我们收集了一批淘宝商品图像，通过牛皮廯过滤、美观度打分等操作过滤出较为优质的数据，再通过分割模型得到商品前景的mask（如下图所示），以这种instance mask构建数据集并训练inpainting模型。
图像 | 随机区域mask | instance mask2.2 Masked Canny ControlNet推理
在使用了Instance Mask训练后，商品过度补全的现象有明显缓解，但还是有一定概率出现，于是我们在推理时加入了Canny ControlNet来帮助控制商品形状。但由于Canny ControlNet在训练时是以全图canny为条件控制训练的，直接叠加Canny ControlNet，背景区域会因为Canny图中无梯度而在生成图中虚化严重，与prompt描述不符。为此，我们提出了一种training-free的策略，如下图所示（Text Encoder和Inpainting ControlNet省略），在Canny ControlNet与U-net结合时，我们增加了一个商品前景的mask，并对该mask进行膨胀，与ControlNet的输出进行点乘，得到的结果再输入到U-net的decoder中。这一操作利用了latent与像素空间的位置一致性和controlNet训练模式的特殊性，有效地控制了商品的边缘轮廓，且排除了canny图背景区域对prompt控制的干扰。
Masked Canny ControlNet流程图2.3 效果
使用上述两个方法后，商品过度补全的现象有明显缓解，对比如下所示。
此外，Masked Canny ControlNet还能作用到"自由元素"构图上，即为了增强画图的控制准确性，用户可以拖动一些元素（如展台、蛋糕等）的canny图到画布中，该策略将mask由前景其余扩展到前景+元素区域，可保证前景和元素的正确生成，同时避免其余背景区域过于虚化或简单，能够按promopt生成，效果如下图所示。
3. 模特属性控制
为了准确地控制视觉效果，大家经常会在prompt中给要生成的模特或者背景物体加上一些属性约束，例如红色的头发、白色的桌面等，但结果往往不尽如意，模型并不能生成指定的属性（下文简称为属性绑定问题）。如下图所示，输入prompt “a blue bowl, a white cup, and yellow flowers in a grassy park”和视觉控制条件Canny Edge， 结果如右上角所示，prompt中相关部分为“a white cup”，但SD+ControlNet错误地将杯子的颜色生成了蓝色。
目前已有文章[3]分析属性绑定问题主要是在于属性和物体的attention map重合度不高，于是有了许多training-free方法[4-6]在text-to-image文生图场景来解决这个问题。但将这些方法应用到我们的场景中时，发现图像控制图像导致其效果大打折扣，要么属性绑定失败率较高，方法失效；要么容易违背视觉条件的控制，产生用户不想要的结果或者artifacts。为此，我们提出了一种新的training-free的方法“Mask-guided Attribute Binding”（MGAB，详见论文>>https://arxiv.org/abs/2404.14768），在有图像控制的条件下实现精准的属性绑定。
图像控制条件下的属性绑定效果3.1 解决方案
首先，我们可以通过语法分析得到物体及要绑定的属性。然后，在生图过程中，我们引入了object mask来代表视觉控制中需要绑定属性的物体区域，同时设计了简单而有效的目标函数，在视觉控制条件和object mask的双重约束下，在隐空间拉近属性词与物体词attention map分布的距离。具体来说，如下图所示，文本提示和图像条件作为图像控制生成的基本输入，其中表示提示的长度。此外，还提供了相关的object mask集合 ，其中表示与和中描述的第个对象相关联的mask。我们用设计的损失函数，在去噪过程中的每个时间步迭代地去噪并更新噪声的latent变量。
Mask-guided Attribute Binding（MGAB）方法示意图我们使用依存关系解析器spaCy来分析文本prompt，并提取出所有的属性词-物体词组合。中包含对组合，和分别表示物体词和对应属性词索引。和分别代表prompt中与视觉控制条件匹配/不匹配两部分的关系集合。在前向降噪过程中，我们可以分别从SD和ControlNet中获得与promopt的cross attention map，分别命名为和，代表了文本prompt中的词与视觉像素之间的相关程度。对于prompt提示词，attention map的计算公式如下：
其中，和分别来自于和的embedding变形后表示。我们的主要目标是，在视觉控制和object mask的条件下，最小化中属性词-物体词组合 的attention map的分布距离。为此，我们设计了一个损失函数，Language-guided loss。
image其中，是一个计算attention maps之间距离的函数，代表和之间的KL散度。这个loss将在每一步降噪中，不断拉近物体词在中的attention map与属性词在中的attention map的距离，同时将，的attention map与跟它们不相关的提示词对应的attention map拉远。
更进一步的，我们还提出了另一个Mask-guided loss ，将目标物体和它对应的属性词的attention map的关注的区域都最大程度的限制在object mask区域内：
其中，等式右侧括号的两个对象，前者代表提示词对应的里attention map在object mask 里的权重，后者则代表在object mask 外的权重。显然，在迭代过程中，前者将越来越大，后者反之。
最终，Language-guided loss和Mask-guided loss将结合起来，在前向降噪的每一步通过更新zt来拉近物体词和对应属性词attention map的分布。
3.2 效果展示
我们分别结合四种不同类型的ControlNet，复现了各种提升属性绑定准确度的方法，并与我们的方法在coco上进行实验和对比。可以看到我们的方法在属性绑定、与prompt的匹配程度等方面均有比较明显的提升，且并不会对成图质量产生明显的负面影响。
在coco数据集上的各方法对比在业务场景，我们提出的这个方法也有较好的表现。如下图所示，第一列为商品前景，第二列为优化前效果，第三列为属性绑定优化后效果。
4. 模特手部控制
在生成模特的过程中，手部畸形也是常见的一个问题。我们关注到社区中现有的几种优化方案，包括Negative Prompt、Negative Embedding[7]、LoRA[8]等轻量级方案。如下图所示，我们尝试了以上方法，发现相比于直接生成手部图像，使用这些方法只能带来极其有限的改进效果。
仅依赖扩散模型自身的能力并不能保证手部区域的稳定正确生成，这可能是因为手部结构精细、手势变化万千但又具有特定的物理规律。借鉴脸部修复的思路，我们考虑采用后处理的方式，先生成图像，再检测畸形手，将畸形手区域进行局部放大和重绘。但手势比脸部五官的模式更为复杂，直接重绘容易出现手腕、手势和原图对应不上等问题，且畸形率仍然很高，因此我们引入了额外的结构控制来保持一致性。
4.1 解决方案
为了引入手部结构的控制，我们对可控制结构的各种controlNet进行了分析。
如下图所示，我们从原始的模特图像中提取或预估出五种结构控制图像。可以发现，softedge、canny包含边界信息但无手指前后位置关系信息，depth与normal包含深度信息但边界不明显，同时从图像中提取的手部区域控制信息噪声较大，较难实现对结构的精准控制。pose预估模型由于包含手部结构的先验，使得pose中的手部结构是预估出的五种控制图像中最为清晰完整的，但它仅包含二维的手部结构骨架，难以表示如手指粗细、前后关系等信息，用于结构控制时效果不佳。且从原图直接提取的这些控制条件，因为原图手部畸形，难免都会陷入控制准确度和手部结构正确度之间的trade off。
原始图像（左）从原图预估的控制图像及对应生成结果（右）那么我们能否找到这样的理想控制图像呢？它即能利用手部结构的先验，从原图提取出位置和手势与原手基本一致且正确的手部结构，又能表示出如手指粗细、前后关系等精准关键信息以加强控制。为实现这一目标，如下图所示，我们首先对畸形手部图像使用了三维手部重建，即在手部结构先验的约束下，从二维RGB图像中预估出三维参数化手部模型，手部结构的一致性和正确性得到较好保证；接着，我们将三维重建结果渲染并转换为depth与canny图，以形成对手形状、深度等各维度的强控制，配合ControlNet利用扩散模型的局部重绘能力修复手部结构。
畸形手修复流程4.2 效果
通过以上方法，畸形手修复的成功率大幅提高，下面是一些修复结果。
5. 纯色背景控制
在万相实验室服务过程中，我们观测到服饰类商家对纯色背景的需求很大，且希望能够指定纯色背景的色系。但对sd而言，生成指定颜色的纯色背景是比较困难的[9]，容易产生如下图所示的背景颜色不均匀、人物头发被"染色"等现象。
为了解决模型难以生成指定的纯色背景的问题，我们提出先 Shuffle Controlnet 结合 local mask 的方式 及 基于LoRA的方式 进行控制以生成白底背景，并引入后处理操作以生成指定颜色的纯色背景。
5.1 白底背景生成
为了生成具有较好光影感的白底图，我们采用对图像的风格参考较强的Shuffle ControlNet 进行控制，输入为一张纯白色的参考图；同时为了避免影响前景部分的生成效果，我们同上文所述的Masked Canny ControlNet一样，引入mask 来控制 Shuffle ControlNet 仅作用于背景区域。此外，我们优化了生图时的 prompt，使得结果图在白底的基础上具有一定的光影效果。
为了提高白底图的效果稳定性，我们还使用了一种基于LoRA的方案。我们收集了大量高视觉美观度的纯色棚拍图，为提高LoRA与Inpainting ControlNet的兼容性，我们对图像进行分割处理，获得人物前景与背景，配合Inpainting ControlNet训练一个LoRA来生成纯色背景。
5.2 指定颜色后处理
在此基础上，为了生成指定颜色的背景，我们首先对白底图进行前景分割，然后以color matcher[10]的方式对背景进行颜色变换，具体来说，color matcher会接受一张颜色参考图和白底图的背景，并通过线性变换的方式将白底图背景映射为参考图的颜色。最后我们将前景和变换后的背景结合起来得到最终的结果图。
5.3 效果
基于这种两步法，我们能比较稳定地实现指定颜色的纯色背景生成，效果如下所示：
6. 总结与展望
我们通过SD和一些图像控制模型实现了商品换背景换模特功能，并通过一些方法加强了商品/元素控制、模特控制、纯色背景控制，使得生成控制更精准、视觉效果更好，目前这一功能已上线了万相实验室供广大商家使用。但在商品图生成上仍有很多值得去探索优化的地方，比如diffusion模型生图速度慢、前背景光线融合感不够强等，我们将持续优化模型能力和产品使用体验，为广大商家提供更方便更高效的智能创意制作能力。
▐ 关于我们
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▐ 参考文献
团队论文：
Hongyu Chen, Yiqi Gao, Min Zhou, Peng Wang, Xubin Li, Tiezheng Ge, Bo Zheng. Enhancing Prompt Following with Visual Control Through Training-Free Mask-Guided Diffusion, arXiv preprint arXiv:2404.14768, 2024.
其他论文：
[1] https://stability.ai/news/stable-diffusion-public-release
[2] Lvmin Zhang, Anyi Rao, Maneesh Agrawala. Adding Conditional Control to Text-to-Image Diffusion Models. ICCV2023: 3813-3824
[3] aphael Tang, Linqing Liu, Akshat Pandey, Zhiying Jiang, Gefei Yang, Karun Kumar, Pontus Stenetorp, Jimmy Lin, and Ferhan Ture. What the daam: Interpreting stable diffusion using cross attention. ACL 2023: 5644-5659
[4] Hila Chefer, Yuval Alaluf, Yael Vinker, Lior Wolf, and Daniel Cohen-Or.Attend-and-excite:Attention-based semantic guidance for text-to-image diffusion models.ACM Transactions on Graphics (TOG), 42(4):1–10, 2023.
[5] Royi Rassin, Eran Hirsch, Daniel Glickman, Shauli Ravfogel, Yoav Goldberg, and Gal Chechik. Linguistic binding in diffusion models: Enhancing attribute correspondence through attention map alignment. NeurIPS 2023.
[6] Weixi Feng, Xuehai He, Tsu-Jui Fu, Varun Jampani, Arjun Akula, Pradyumna Narayana, Sugato Basu, Xin Eric Wang, and William Yang Wang. Training-free structured diffusion guidance for compositional text-to-image synthesis. arXiv preprint arXiv:2212.05032, 2022.
[7] https://civitai.com/models/56519/negativehand-negative-embedding
[8] https://civitai.com/models/200255/hands-xl-sd-15
[9] Shanchuan Lin, Bingchen Liu, Jiashi Li, Xiao Yang. Common Diffusion Noise Schedules and Sample Steps are Flawed. WACV2024: 5392-5399
[10] F. Pitie and A. Kokaram, "The linear Monge-Kantorovitch linear colour mapping for example-based colour transfer," 4th European Conference on Visual Media Production, London, 2007, pp. 1-9, doi: 10.1049/cp:20070055.
END
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总结
**文章总结**：本文由阿里妈妈智能创作与AI应用团队专家撰写，详细探讨了如何利用AI生成内容(AIGC)技术，尤其是Stable Diffusion模型及其扩展，助力商家快速高效地为商品定制理想图像。核心成果在于推出了名为“万相实验室”的AI创意生产工具，该工具不仅能够为商品替换各种背景，还能根据用户需求微调和优化商品、模特、背景元素等细节，实现精准控制。
**重点内容提炼**：
1. **技术背景与需求**： 介绍了AIGC技术尤其是文本到图像生成模型的快速发展，进而提出了商品背景定制的技术设想和实际应用需求。
2. **工具与解决方案**：
- 推出了AI创意生产工具“万相实验室”，实现商品背景定制功能。
- 深入探讨了商品/元素控制、模特属性控制、模特手部控制、纯色背景控制等关键技术点，并提出了相应的解决方案和优化方法。
3. **关键问题与挑战**：
- 商品特征不准确与过度补全问题。
- 模特属性与描述不匹配问题。
- 模特手部畸形与背景生成中的颜色控制问题。
- 提出了instance mask训练、Masked Canny ControlNet、Mask-guided Attribute Binding、三维手部重建和结构控制等创新方法，有效解决上述问题。
4. **业务效果与未来展望**：
- 通过实例展示了工具在实际业务中的效果和提升，如商品背景的丰富性和准确性、模特属性的精确控制、手部结构的改善、以及纯色背景的生成效果。
- 提出了对生成速度和光线融合感等方面持续优化和改进的预期，以不断提高模型能力和用户体验。
5. **团队介绍与招聘信息**：
- 介绍了阿里妈妈智能创作与AI应用团队的专业领域和业绩成就。
- 欢迎致力于计算机视觉与自然语言处理领域的研究人员加入，共同拥抱AIGC时代的挑战和机遇。
**结论**：
本文不仅展示了AIGC技术在商品图像定制方面的强大功能和潜在价值，还通过详细的技术分析和解决方案展现了团队的专业能力和创新精神。未来，这一技术将在电商、广告创意等领域发挥更加重要的作用，为消费者和商家带来更高效、更便捷的视觉创作和展示体验。