让3D编写像PS一样简单,新算法GaussianEditor在几分钟内完成3D场景增删改

3D 编写在游戏和虚拟现实等畛域中发挥着至关重要的作用,然而之前的 3D 编写苦于耗时间长以及可控性差等问题,很难应用到实际场景。近日,南洋理工大学联合清华和商汤提出了一种全新的 3D 编写算法 GaussianEditor,首次兑现了在 2-7 分钟完成对 3D 场景可控的多样化的编写,全面超越了之前的 3D 编写工作。近三年来,3D 编写畛域的工作普遍聚焦于 NeRF(神经辐射场),这是因为 NeRF 不仅能高保真地完成 3D 场景建模,而且其隐式特性极大地提高了可扩展性,相较点云、网格等传统方法有着显著的优势

让3D编写像PS一样简单,新算法GaussianEditor在几分钟内完成3D场景增删改3D 编写在游戏和虚拟现实等畛域中发挥着至关重要的作用,然而之前的 3D 编写苦于耗时间长以及可控性差等问题,很难应用到实际场景。近日,南洋理工大学联合清华和商汤提出了一种全新的 3D 编写算法 GaussianEditor,首次兑现了在 2-7 分钟完成对 3D 场景可控的多样化的编写,全面超越了之前的 3D 编写工作。

近三年来,3D 编写畛域的工作普遍聚焦于 NeRF(神经辐射场),这是因为 NeRF 不仅能高保真地完成 3D 场景建模,而且其隐式特性极大地提高了可扩展性,相较点云、网格等传统方法有着显著的优势。然而 NeRF 依赖高维多层感知网络(MLP)对场景数据进行编码,这也带来了一定限制。它难以直接修改场景的特定部分,同时在图象修复和场景组合等任务上增加了复杂性。这种复杂性不仅影响了训练历程,也制约了其在实际应用中的应用。

GaussianEditor 为了解决上述问题,另辟蹊径,选择了高斯溅射(Gaussian Splatting)作为其 3D 透露表现。Gaussian Splatting 是半年前提出的一种新型 3D 透露表现,该透露表现已经在 3D,4D 重建等多项 3D 任务上超越了 NeRF,刚面世就引发了 3D 畛域广泛的关注,是今年 3D 畛域最大的突破之一。Gaussian Splatting 透露表现具有极好的前景和潜力, GaussianEditor 更是首个兑现了对这种 3D 透露表现完成编写的工作。该项目已开源,并提供了 WebUI 界面,便于学习和使用。

让3D编写像PS一样简单,新算法GaussianEditor在几分钟内完成3D场景增删改

论文地址:https://arxiv.org/abs/2311.14521

主页地址:https://buaacyw.github.io/gaussian-editor/

Gaussian Splatting 虽然有着高效的渲染算法,但其作为显示透露表现,对其的编写存在着不小的挑战。一个主要问题是缺乏有效的方法准确辨认编写目的,这对于切确可控的编写至关重要。此外,已有研究表明,使用高度随机的生成指导(如 Stable Diffusion 等生成扩散模型)优化 Gaussian Splatting(GS)会遇到重大挑战。这可能是因为 GS 直接受到损失中随机性的影响,与神经网络缓冲的隐式透露表现不同。这种直接暴露导致更新不稳定,训练历程中高斯点的属性直接改变。此外,GS 的每个训练步骤可能涉及大量高斯点的更新,而这一历程没有神经网络风格的缓冲机制。这些问题会导致 GS 的过度流动性阻碍了其在训练中向隐式透露表现那样的精细结果收敛。

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为了解决上述问题,团队首先引入了高斯语义跟踪来完成对 Gaussian Splatting(GS)的切确控制。高斯语义跟踪在训练历程中始终能够辨认出需要编写的高斯点。这与传统的 3D 编写方法不同,后者通常依赖于静态的 2D 或 3D 掩码。随着 3D 模型的几何形状和外观在训练中的变化,这些掩码的会逐渐失效。高斯语义跟踪则是通过将 2D 分割掩码投影到 3D 高斯点上并为每个高斯点分配语义标签来兑现训练全程的跟踪。随着训练历程中高斯点的变化,这些语义标签使得能够跟踪到特定的目的高斯点。高斯语义跟踪算法能确保只有目的地区被修改,从而兑现切确和可控的编写。

下图中红色地区为被跟踪的目的地区,语义跟踪的地区会随着训练历程动态更新来确保其有效性。

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此外,为了应对 Gaussian Splatting(GS)在高度随机的生成指导下难以兑现精细结果的重大挑战,GaussinEditor 采用一种新的 GS 透露表现方式:层次化高斯溅射(Hierarchical Gaussian Splatting,HGS)。在 HGS 中,高斯点根据它们在训练历程中的稠密化的顺序被组织成不同的世代。在较早的稠密化历程中形成的高斯点被视为较老的世代,它们受到更严格的约束,目的是保持它们的原始状态,从而减少它们的流动性。相反,后期阶段形成的高斯点被视为较年轻的世代,受到较少或没有约束,以提高其适应性。HGS 的设计有效地调节了 GS 的流动性,通过对较老的世代施加限制的同时保持了较新世代的灵活性。这种方法使得持续优化朝向更好的结果成为可能,从而模拟了隐式透露表现中通过神经网络兑现的缓冲功能。

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GaussianEditor 在此基础上提出了高斯溅射透露表现的增、删算法。在删除目的方面,该团队开发了一种专门的局部修复算法,能有效地消除了对象与场景交界处的伪影。在增加目的方面,GaussianEditor 能根据用户提供一个的文本提示和 2D 掩码来为指定地区增加指定目的。GaussianEditor 先借助 2D 图象 Inpainting 算法生成要增加的对象的单视图图象。然后,通过 Image to 3D 的算法将该图象转换成一个 3D GS。最后将该目的并入到高斯场景中。

在对比实验上,GaussianEditor 在视觉质量,量化指标,可控性,生成速度上都大幅度超过了之前的工作。

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该团队还通过消融实验验证了其提出的高斯语义跟踪和层次化高斯透露表现的有效性。

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GaussianEditor 作为一种先进的 3D 编写算法,重点在于灵活和快速地编写 3D 场景,并首次兑现了对高斯溅射的编写。

该算法的关键特点包括:

Gaussian 语义跟踪:它能在训练历程中持续辨认需要编写的高斯点,确保只有目的地区被编写。 

层次化 Gaussian Splatting(HGS):这是一种新的 GS 透露表现方式,通过在不同训练阶段形成的高斯点之间建立层次结构,以有效管理 GS 场景的流动性,并模拟隐式透露表现中神经网络的缓冲功能。

3D 场景的增加和删除算法:GaussianEditor 专为 GS 开发设计了 3D 场景的增删算法,能够高效地从场景中移除或增加特定对象。

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