你能freetyle一段舞蹈吗？DanceNet3D：我可以！
会 freestyle 的 AI 来了，给定起始动作与音乐，新方法 DanceNet3D 就可以生成一段与音乐合拍且流畅优美的舞蹈。
近来，AI 舞蹈生成技术的擂台大有你方唱罢我登场之势。谷歌团队的 AI Choreographer 刚推出不久，就迎来了强劲的对手——DanceNet3D。
先来看段 Demo ：
DanceNet3D 是由来自慧夜科技、北航以及港中文 MMLab 的学者联合推出的高质量三维舞蹈动作生成算法。给定起始动作与一段音乐，该算法可以生成一段与音乐合拍且流畅优美的舞蹈。该算法结合了慧夜科技在动画产业界的技术经验，采用了人体运动的关键动作 - 中间运动参数曲线的表达形式，为运动生成的建模提供了一种全新的思路。
相比于其他运动生成方法，该方法的生成效果具有显著优势：
此外，该工作还提出了首个由专业动画师团队打造的高质量舞蹈数据集 PhantomDance。该数据集搜集了 Niconico、YouTube 上的 300 个热门舞蹈，包含宅舞、嘻哈、爵士、Old School 等多种风格，由专业动画团队在职业舞者指导下，历时 18 个月完成。对比目前学术界来自运动捕捉或真人舞蹈视频的三维重建算法，PhantomDance 在音乐匹配程度、动作优雅程度、艺术表现力上都具有绝对优势。目前该团队公开了其中的 100 个舞蹈 - 音乐数据对，这些数据对组成了 PhantomDance100。
两阶段舞蹈生成框架
由于数据基本都来源于动作捕捉、三维重建，舞蹈合成、乃至更广泛的运动合成研究领域，因此往往会把问题建模成逐帧的骨骼参数（位移、旋转）的输出。然而在实际的 3D 动画产业中，无论是动画制作软件 Maya、Blender，还是游戏引擎 Unity3D、Unreal，角色运动都是用曲线来编辑和表示的。这里的曲线指的是位移的 (t_x, t_y, t_z)，旋转的(r_x, r_y, r_z) 等参数中的每一维作为纵轴，以时间为横轴的函数曲线。动画师一般会先制作一系列的关键帧来确定动作的主体形式，然后通过曲线编辑器调节特定参数的曲线形状来完善动作细节。受此启发，DanceNet3D 提出了关键姿势 (key pose) - 中间曲线 (inbetween motion curve) 的两阶段舞蹈生成框架，如下图所示。
每个阶段都采用相似的编码器 - 解码器（encoder-decoder）结构，并使用对抗训练（adversarial training）的训练模式，如下图所示。
其中编码器部分采用常见的 Transformer 模型，而解码器部分则是该研究提出的 MoTrans 模型。MoTrans 是对 NLP 领域传统 Transformer 针对运动合成的精心改造，其核心由运动链网络（Kinematic Chain Networks，图中的 KCN）和可学习局部注意力机制（Learned Local Attention，LLA）构成。接下来我们分别看一下 KCN 和 LLA。
KCN 是一种以 SMPL 模型的 24 个关节点为运算结点的图神经网络（GNN）变体。区别于常规 GNN 的操作，KCN 采用了模拟机器人控制理论中的正向运动学（Forward Kinematics）和反向运动学（Inverse Kinematics）的网络操作方式，通过线性层把结点特征映射到运动学控制空间后，先从根结点向叶结点传播特征参数，并沿路径进行特征融合，然后再自叶结点向根结点做一遍相似操作，如下图所示。
常规 transformer 中的注意力属于全局注意力，即一个 query 对所有的 key 做内积，对所有 value 进行加权求和。然而人体运动是有显著局部性的，一个时刻的姿态和它临近时间内的姿态动作强相关，但是和距离较远的时间几乎没有关系，例如十秒前角色举起了双手，在当前时刻既可能是举起双手，也可能是放下双手，甚至可能处于坐下的状态。根据这个性质，DanceNet3D 在解码器中引入了带有可学习核函数的 LLA 模块，如下图所示。
值得一提的是，由于注意力的输入来自 KCN 的输出，以关节点的形式排布，天然符合原始 transformer 中多头（multi-head）的理念，于是 DanceNet3D 中把每个 KCN 输出的节点作为一个 head，采用线性投影（linear projection）进行并行操作，由于注意力之后的前馈（fead-forward）操作仍然使用 KCN 模型，所以省去了原始多头注意力中最后的 concat 操作和线性操作，在 head 数量相同的情况下减少了计算量。研究者将其称为结构化多头注意力（structured multi-head attention），其将节点作为 head 的定义，相比于原始的多头机制更具物理意义。
实验及结果
该研究首先进行了消融实验，验证了曲线建模、KCN 和 LLA 各自的有效性：
之后该研究在 AIST++ 和 PhantomDance 两个数据集上进行的对比实验表明，DanceNet3D 与包括谷歌的 AI Choreographer 在内的其他工作相比，都具有显著优势。
