攻克图像「文本生成」难题，碾压同级扩散模型！两代TextDiffuser架构深度解析

解决扩散模型「不识字」的问题，Textdiffuser采用两阶段（布局+图像）生成框架，显著提升了相关性能的指标！

近年来，文本生成图像领域取得了显著进展，尤其是基于扩散（Diffusion）的图像生成模型在细节层面上展现出逼真的效果。

然而，一个挑战仍然存在：如何将文本准确地融入图像。

生活中存在大量的「含文本图像」，从广告海报到书籍封面，再到路牌指示，都包含了重要的信息。如果人工智能模型能够高效且准确地生成含有文本的图像，将极大推动设计和视觉艺术领域的发展。

例如现有的先进开源模型Stable Diffusion和闭源模型MidJourney都在文本渲染上存在巨大挑战。

Stable Diffusion：a bear holds a board saying ‘hello world’」

MidJourney：Color photo; diner billboard; headline “Jack Rabbit Slim’s”; vintage style (Leonardo AI prompted by Alan Truly)

为了应对这一挑战，微软亚洲研究院自然语言计算组联合香港科技大学和中山大学，提出了TextDiffuser和TextDiffuser-2模型。

这两款模型不仅提升了图像中文本渲染的准确性和清晰度，还提升了灵活度和实用性，能够执行文本到图像的生成、基于文本模板的图像生成，或是图像的文本补全等与文本渲染相关的任务。

论文标题：TextDiffuser: Diffusion Models as Text PAInters

项目主页：https://jingyechen.github.io/textdiffuser/

代码链接：https://github.com/microsoft/unilm/tree/master/textdiffuser

在线Demo：https://huggingface.co/spaces/JingyeChen22/TextDiffuser

TextDiffuser对于以上两个prompt生成的结果

TextDiffuser

模型通过两阶段的工作流程生成含有文本的图像。

第一阶段，模型通过用户的提示（prompt）确定关键词的文本布局。

它采用了Layout Transformer技术，自回归地生成每个关键词的坐标框，相当于得到了字符坐标框级别的遮罩（Box-Level Segmentation Mask），能为每个字符提供精确的控制。

第二阶段，作者改进了Stable Diffusion架构以结合字符的坐标框信息进行生成，使得TextDiffuser能够在指定位置生成清晰的字符。

具体来说，作者重新设计了输入的特征，维度由原先的4维变成了17维。其中包含4维加噪图像的特征，8维字符信息，1维图像掩码，还有4维未被mask图像的特征。通过mask图像的部分或全部，即可实现生成部分图像（称为Part-Image Generation或Text-inpainting）或是整张图像（称为Whole-Image Generation）。

TextDiffuser框架图，包含两个阶段：布局生成与图像生成

在Inference阶段，TextDiffuser非常灵活，有三种使用方式：

1. 根据用户给定的指令生成图像。并且，如果用户不满意第一步Layout Generation生成的布局，用户可以更改坐标也可以更改文本的内容，这增加了模型的可控性。

2. 直接从第二个阶段开始。根据模板图像生成最终结果，其中模板图像可以是印刷文本图像，手写文本图像，场景文本图像。作者训练了一个字符集分割网络用于从模板图像中提取Layout。

3. 同样也是从第二个阶段开始，用户给定图像并指定需要修改的区域与文本内容。该操作可以多次进行，直到用户对生成的结果感到满意为止。

为了支持TextDiffuser的训练，研究团队构建了一个包含1000万张文本图像的MARIO-10M数据集，包含三个子集：LAION-OCR，TMDB与OpenLibrary。

作者还基于MARIO设计了MARIO-Eval文本渲染任务的大规模基准。作者进行了实验，与DeepFloyd等先进模型对比。

例如下图所示，在Whole-Image Generation任务中，TextDiffuser生成的图像具有更加清晰可读的文本，并且文本区域与背景区域较为和谐。

与现有文本生成图像方法相比，TextDiffuser可以生成正确的文本，并且文本与背景融合度较高

定性的实验的评估指标有FID，CLIPScore与OCR。尤其是OCR指标，TextDiffuser相对于对比方法有很大的提升。

对于Part-Image Generation任务，下面是在给定的图像上增加或修改字符的例子，TextDiffuser生成的结果很自然。

TextDiffuser-2

TextDiffuser-2进一步释放了语言模型在视觉文本渲染方面的潜能，提升了文本渲染的多样性和灵活性。

论文标题：TextDiffuser-2: Unleashing the Power of Language Models for Text Rendering

项目主页：https://jingyechen.github.io/textdiffuser2/

代码链接：https://github.com/microsoft/unilm/tree/master/textdiffuser-2

在线Demo：https://huggingface.co/spaces/JingyeChen22/TextDiffuser-2

TextDiffuser-2继承并优化了其前身TextDiffuser的核心特性，主要创新在于其对语言模型的应用。现有研究成果显示，大型语言模型内含有对视觉布局有一定理解的能力，足以处理布局生成任务。

基于这一发现，研究团队用图像描述-文本布局数据集对vicuna-1.5-7B语言模型进行了微调，使TextDiffuser-2能够更有效地处理文本布局生成任务，生成协调且美观的布局。

此外，TextDiffuser-2采用了Stable Diffusion模型中现有的语言模型编码布局信息，通过引入坐标token和字符token，提高了在特定位置绘制相应文本内容的能力。

具体来说，第一阶段的目标是对一个预训练的大型语言模型M1进行微调，让它能够作为解码器，使用图片描述与OCR（光学字符识别）结果对进行训练。输入遵循这样的格式：“[描述] 提示: [提示] 关键词: [关键词]”。

输出方面，我们期望每一行都遵循“文本行x0, y0, x1, y1”的格式，其中(x0, y0)和(x1, y1)分别代表左上角和右下角的坐标。我们利用OCR结果中检测到的所有文本作为关键词来构造输入。

通过这样的方法，TextDiffuser-2模型不仅能够根据用户的需求灵活地生成图像布局，还能够通过对话交互的方式，进一步细化和调整布局，为图像生成提供更高的灵活性和个性化选项。

第二阶段引入了一种简单且无需额外参数的策略，即将提示（prompt）和布局结合到语言模型M2中，M2在潜在扩散模型中扮演文本编码器的角色。

与调节个别字符位置的字符级分割掩码不同，行级边界框在生成过程中提供了更大的灵活性，并且不会限制样式的多样性。之前的研究表明，细粒度的分词可以增强扩散模型的拼写能力。

受此启发，作者设计了一种混合粒度的分词方法，既提高了模型的拼写能力，又避免了序列变得过长。具体来说，一方面，作者保持了原始的BPE分词方法用于处理提示。

另一方面，作者引入了新的字符token，并将每个关键词分解为字符级表示。例如，单词“WILD”被分解为token “[W]”, “[I]”, “[L]”, “[D]”。此外，作者引入了新的坐标token来编码位置。例如，token “[x5]”和“[y70]”分别对应于x坐标5和y坐标70。

每个关键词信息由结束符token “⟨eos⟩”分隔，任何剩余的空间直到最大长度L将被填充token “⟨pad⟩”填充。作者对整个扩散模型进行训练，包括语言模型M2和U-Net，使用L2去噪损失。

作者进行了广泛的实验来验证TextDiffuser-2的有效性，在文本到图像生成的任务上，与当前最前沿的模型进行比较，TextDiffuser-2展示了卓越性能，不仅能准确渲染文字，而且展示了布局的自然性和逼真度。

在处理复杂和多样化的文本样式方面，例如手写体和艺术体，TextDiffuser-2 表现出色，证明了其在细节和样式多样性上的优势。

此外，在图像的文本补全（Text Inpainting）任务上，TextDiffuser-2同样展现了其优越性，能够在保持文本与背景匹配的同时，提升整体图像的质感和美观度。

在定量实验中，TextDiffuser-2在大多数指标上具有优异的性能。

研究团队还使用GPT-4V进行了用户评测。评测结果显示，GPT-4V具有优异的识图识字能力，并且其总结的理由也显得合理。TextDiffuser-2在GPT-4V的评测中也获得了比其他对比模型优异的结果。

TextDiffuser和TextDiffuser-2的推出及其持续发展，在图像中准确渲染文本这一任务上取得了显著的进步。

为了促进这一技术的广泛应用，研究团队已经公布了TextDiffuser和 TextDiffuser-2的代码、数据集和Demo，鼓励广大研究者和设计师进行探索和应用，进一步推动设计和视觉艺术领域的创新与发展。

参考资料：

https://jingyechen.github.io/textdiffuser/

https://jingyechen.github.io/textdiffuser2/

文章来自于微信公众号 “新智元”