港大联合字节跳动提出JoVA: 一种基于联合自注意力的视频-音频联合生成模型

视频 - 音频联合生成的研究近期在开源与闭源社区都备受关注，其中，如何生成音视频对齐的内容是研究的重点。

近日，来自香港大学和字节跳动的研究团队提出了一种简单有效的框架 ——JoVA，它支持视频和音频的 Token 在一个 Transformer 的注意力模块中直接进行跨模态交互。为了解决人物说话时的 “口型 - 语音同步” 问题，JoVA 引入了一个基于面部关键点检测的嘴部区域特定损失 (Mouth-area specific loss)。

实验表明，JoVA 只采用了约 190 万条训练数据，便在口型同步准确率、语音质量和整体生成保真度上，达到了先进水平。

• 项目主页： https://visual-ai.github.io/jova/
• 论文地址：https://arxiv.org/abs/2512.13677

一、研究背景与动机

目前的开源解决方案通常分为两大类别：一类是 “级联式”，即先生成视频再配音，或者先生成语音再驱动视频生成，这种方式在一定程度上会导致音频和画面的割裂；另一类是 “端到端的联合生成”，试图同时输出视频和音频。

如下图 a, 现有的端到端方法（如 OVi 和 Universe 等），为了实现双模态对齐，需要在自注意力层 (self-attention) 之外，额外设计融合模块或跨注意力层 (Cross-attention)。这不仅破坏了 Transformer 架构的简洁性，还可能阻碍进一步的数据和模态扩展。

相比之下，JoVA 采用了更加简洁的设计（如图 b），直接使用联合自注意力层 (joint self-attention) 进行两种模态特征的融合与对齐。它同时承担了单模态内的建模以及跨模态的融合任务，无需引入任何新的模块。

二、方法设计

1. 架构描述

JoVA 采用 Waver 作为基础模型。为了实现音频生成，JoVA 首先通过复制预训练视频主干网络 (Backbone) 的参数来初始化音频扩散模型。在特征提取方面，采用了 MMAudio VAE 将原始音频转换为声谱图潜在表示 (Latent Representation)。

音频分支的训练沿用了与视频分支相同的流匹配 (Flow Matching) 目标函数。在预训练阶段，视频和音频模态是独立训练的；而在后续阶段，两者被统一整合进同一个架构中进行并行处理。此外，对于视频生成，模型支持参考图像 (Reference Image) 作为条件输入。该图像经由视频 VAE 编码后，在通道维度上与噪声视频潜特征进行拼接。

2. 音频 - 视频 - 文本联合自注意力层

为了实现模态间的融合，JoVA 在 Transformer 块内部采用联合自注意力机制（Joint Self-Attention）。具体而言，视频 Token、音频 Token 以及对应的文本 Token 被拼接在一起，输入到共享的自注意力层中进行处理。这种设计允许不同模态的 Token 在每一层都进行直接的信息交换，既保留了各自的预训练知识，又实现了特征融合。为了确保视频与音频在时间维度上的精确同步，模型采用了源自 MMAudio 的时间对齐旋转位置编码（Temporal-aligned RoPE），在时间维度上同步了两种模态的位置编码。

3. 潜空间嘴部区域感知监督（Mouth-Aware Supervision）

为了解决人像生成中的唇形同步问题，JoVA 引入了一种针对嘴部区域的增强监督策略。该过程包含三个步骤：

1. 区域定位：首先在原始视频帧上进行面部关键点检测，计算出覆盖嘴部区域的像素级边界框。

2. 潜空间映射：将像素空间的边界框映射到 VAE 的潜空间。这包括空间上的缩放（除以空间下采样因子 s）和时间上的滑动窗口聚合（根据时间下采样因子 t 合并窗口内的边界框），以精确定位潜特征中的嘴部区域。

3. 加权损失：在训练目标函数中引入了专门的嘴部损失项。该损失仅对视频潜特征中的嘴部掩码区域计算流匹配损失，并通过权重系数进行调节。最终的总损失函数由视频损失、音频损失和嘴部区域损失共同构成，从而在不增加推理阶段架构复杂度的前提下，强制模型学习细粒度的唇形 - 语音对齐。

如下图，我们可以发现，这种映射方式可以很好地在潜空间定位到嘴部区域：

三、训练数据集构建

作者构建了包含三个部分的训练数据集：Text2Audio（环境音）、Text2Video-Audio（自然场景视听对）以及 Text2Avatar-Speech（数字人 / 说话人视频），总共约 1.9M 的训练样本。数据标注采用了一套自动化流水线：使用 Tarsier2 生成视频描述，Audio-flamingo3 生成音频描述，并利用 Whisper 进行自动语音识别（ASR）以获取语音文本。

在实施细节上，采用两阶段训练策略：先进行语音单模态独立训练（80K 步），再进行联合视听训练（50K 步），并在推理时使用了分类器无关引导（Classifier-Free Guidance）以提升生成质量。

四、实验结果

1. SOTA 方法对比

在 UniAvatar-Bench（作者精选的 100 个样本）和 Verse-Bench（600 个多样化样本）两个基准上进行了评估。对比对象包括两类：一是使用真实音频驱动的视频生成模型（如 Wan-S2V, Fantasy-Talking），二是联合视听生成模型（如 Universe-1, OVI）。

UniAvatar-Bench 表现：JoVA 在整体性能上表现最佳。

• 唇形同步（LSE-C）：得分为 6.64，不仅优于联合生成模型 OVI (6.41) 和 Universe-1 (1.62)，甚至超过了使用真实音频驱动的 Wan-S2V (6.43)，证明了嘴部监督策略的有效性。
• 语音与音频质量：在文本转语音准确性上，JoVA 取得了最低的词错误率（WER 0.18）；在音频生成指标（FD, KL, CE, CU, PQ）上均取得最佳分数。
• 视频质量：在动态程度（MS 0.98）和美学评分（AS 0.47）上均领先。虽然身份一致性（ID 0.78）低于音频驱动模型，但在联合生成任务中处于合理范围。

Verse-Bench 表现：JoVA 展现了在多样化场景下的鲁棒性。

• 语音准确性：WER 低至 0.11，验证了其稳健的语音合成能力。
• 视听对齐：LSE-C 得分为 6.51，略低于 OVI (6.61) 但远高于 Universe (1.62)。
• 综合质量：在保持最高视频动态（MS 0.80）和美学质量（AS 0.48）的同时，音频生成的一致性（CS, CE）也达到了最优水平。

模型扩展性与效率分析

研究进一步对比了基于 Waver-1.6B（总参数量 3.2B）和 Waver-12B（总参数量 24B）主干网络的 JoVA 模型性能：

• 小模型的高效性：仅使用 3.2B 参数和 1.9M 训练数据的 JoVA 模型，其 LSE-C 得分达到 6.20，显著优于参数量更大（7.1B）且训练数据更多（6.4M）的 Universe-1 模型（LSE-C 1.62），并与 10.9B 参数的 OVI 模型具备竞争力。
• 大模型的性能上限：随着参数量增加至 24B，JoVA 在各项指标上均达到最佳水平（LSE-C 提升至 6.64，WER 降至 0.18）。

2. 融合实验对比

为了验证各模块的有效性，作者进行了多项消融实验：

嘴部感知损失（Mouth-Aware Loss）的影响：

• 当权重为 0.0 时，模型无法学习细粒度的唇形对齐（LSE-C 仅为 1.39）。
• 增加权重至 5.0 时，LSE-C 显著提升至 6.64，且未损害其他音频或视频质量指标。这表明针对嘴部区域的显式监督对于实现精确同步至关重要。

时间对齐 RoPE 的影响：

• 采用时间对齐的 RoPE（视频和音频共享时间维度的位置编码）相比未对齐版本，LSE-C 从 6.58 提升至 6.64。
• 尽管在音频分布相似度（FD）上存在轻微折损（0.58 vs 0.69），但该设计显著增强了帧级的时间对应关系，更利于人像视频生成。

联合自注意力 vs. 交叉注意力：

• 对比结果显示，联合自注意力（Joint Self-Attention） 机制在唇形同步（LSE-C 6.64）和语音准确性（WER 0.18）上均优于交叉注意力变体。
• 特别是带线性适配层的交叉注意力方案表现最差（LSE-C 1.63）。这证实了在统一的注意力空间内直接处理多模态 Token，比通过独立的交叉注意力模块更能促进特征的有效对齐。

文章来自于“机器之心”，作者 “黄小虎”。