【论文泛读】NeRF: Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis

简介: 【论文泛读】NeRF: Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis

NeRF: Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis | NeRF: 用于视图合成的神经辐射场的场景表示 | 2020年

出自文献:Mildenhall B, Srinivasan P P, Tancik M, et al. Nerf: Representing scenes as neural radiance fields for view synthesis[C]//European Conference on Computer Vision. Springer, Cham, 2020: 405-421.

Fig. 1:通过场景的一些图片作为输入,我们提出一种优化连续的 5D 神经辐射场表示的方法

摘要

  • 我们提出一种方法,使用较少的视图(view)作为输入,对一个连续、隐含的体积场景函数(volumetric scene function)进行优化,从而实现了关于复杂场景的新视图合成的最先进的结果。
  • 我们的算法用全连接深度网络来表示场景,其输入是 5D 坐标:空间位置( x , y , z ) (x,y,z)(x,y,z) 和视角方向(viewing direction)$ (θ,ϕ)$;其输出是体积密度(volume density)和该空间位置上发射出来的辐射亮度(radiance,与视角相关)。
  • 通过沿着相机光线(camera rays)获取 5D 坐标,使用经典的立体渲染(volume rendering)技术,我们将输出的颜色和密度投影到图像上,从而实现视图合成
  • 由于立体渲染是可导的,神经网络的优化,只需要提供一系列确定相机位姿的图像

1 介绍

  • 我们的工作,用新的方法解决了在
    视图合成(view synthesis)
    中长期以来的问题。
  • 我们直接优化一个连续的 5D 场景表示(scene representation)参数(网络权重),根据捕获到图像,最小化渲染误差。
  • 我们把静态场景表示为连续的 5D 函数(指输入是 5D ),输出在各个空间点 ( x , y , z ) (x,y,z)(x,y,z) 和各个方向 ( θ , ϕ ) (θ,ϕ)(θ,ϕ) 发射出来的辐射亮度和密度(就像可导的透明度,控制穿过 ( x , y , z ) (x,y,z)(x,y,z) 的射线,可以累加多少辐射亮度)。
  • 我们的方法是优化一个深度全连接的神经网络,没有用到卷积层,全连接神经网络又称多层感知器(MLP);我们用这个 MLP 来表示这样的函数:根据一个 5D 坐标 ( x , y , z , θ , ϕ ) (x,y,z,θ,ϕ)(x,y,z,θ,ϕ),回归输出一个体积密度和视角相关的 RGB 颜色。
  • 整个流水线如下图所示:


Fig. 2: 神经辐射场场景表示 和 可导的渲染流程 的概述。我们的图像合成,通过(图 a)沿着相机光线采样出 5D 坐标(位置和视角方向);(图 b)把位置喂给 MLP,生成颜色和体积密度;(图 c)使用立体渲染技术,利用这些值得到一张图像。由于这个渲染函数是可导的,因此我们可以最小化 合成图像 和 真实观察图像 的残差,进行场景表示的优化。

  • 为了根据某一视角(viewpoint),渲染出这个神经辐射场(Neural Radiance Field, NeRF),我们:
  1. 使相机光线穿过场景,生成一组 3D 采样点
  1. 让这些 3D 点和对应的 3D 视角方向作为神经网络的输入,生成一组颜色密度
  2. 使用经典的立体渲染技术,累加这些颜色和密度,得到 2D 图像

由于以上过程是可导的,我们可以使用梯度下降来优化模型,最小化 观测图像模型回归计算的图像之间的误差。

  • 这可以鼓励神经网络学习的场景模型具有一致性(coherent),即在包含场景内容的位置,可以得到较大的体积密度,和准确的颜色。
  • 我们发现对于复杂的场景,用简单的方法优化 NeRF 效果不理想:
  • 很难得到高分辨率的收敛结果;
  • 也不能高效利用相机光线所需的采样点。

于是,我们这样解决以上问题:

  • 用一个位置编码(positional encoding)对输入 5D 坐标进行变换,使得 MLP 可以表示高频函数;
  • 提出层次化的采样流程(hierarchical sampling procedure),减少所需的采样点。
  • 我们的方法保留了体积表示的优点:
  • 可以表示复杂的几何和外观;
  • 可以通过投影图像进行梯度下降的优化。
  • 重要的是,我们的方法克服了体积表示的一个关键问题:在表示高分辨率的复杂场景时,离散的体素网格的存储空间成本非常高

总结下来,本文的贡献如下:

包含复杂几何和材质的连续场景的表示方法:使用参数化为 MLP 的 5D 神经辐射场;

基于立体渲染技术的可导的渲染流程,用于网络的优化。其中还包括层次化的采样策略,专注于可见的场景内容(visible scene content),充分利用了 MLP 的容量。

  • 使用位置编码,将输入 5D 坐标映射到更高维的空间,让 NeRF 可以学习表示高频的场景内容

2 相关工作

3 神经辐射场的场景表示

我们把一个连续的场景表示为一个 5D 向量值函数(vector-valued function)

image.png

在实际中,我们把视角方向表示为 3D 笛卡尔单位向量 d dd。我们用一个 MLP 网络来近似这个连续的 5D 场景表示:

image.png

我们优化该网络的权重,使之对于每个输入 5D 坐标,都会得到对应的密度和有方向的发射颜色。

我们约束了预测体积密度 σ 的网络的输入仅仅是位置 X,而预测 RGB 颜色 C 的网络的输入是位置和视角方向,通过这种方式可以鼓励网络学习到多视角连续的表示

在具体实现上,MLP F Θ

 首先用 8 层的全连接层(使用 ReLU 激活函数,每层有 256 个通道),处理 3D 坐标 x xx,得到 σ σσ 和一个 256 维的特征向量。

  • 这个 256 维的特征向量,与视角方向一起拼接起来,喂给另一个全连接层(使用 ReLU 激活函数,每层有 128 个通道),输出方向相关的 RGB 颜色。

图 3 可以观察到,我们的方法可以表示出非朗伯体效应(non-Lambertian effects)。从图 4 可以观察到,如果训练模型时没有视角的依赖(只有 X 一个输入),那么模型会很难表示出高光(specularity)

Fig. 3:视角相关的发射辐射亮度。在(a)和(b),我们从不同视角定位相同位置的两个点。我们的方法可以预测两个 3D 点变化的高光现象。在图(c)中我们可以看到这个性质,在视角方向的半球上连续地呈现。

Fig. 4:展示我们的整个模型如何受益于视角相关的辐射亮度,以及如何受益于把输入坐标传入高频率位置编码的方法。如果去除视角相关性(view dependence),会导致模型失去镜面(高光)反射;如果移除位置编码,会大大降低模型表征高频几何和纹理信息的能力,导致过度平滑的外观。

4 辐射场的立体渲染

我们的 5D 神经辐射场把场景表示为:任意空间点上的体积密度和有方向的辐射亮度。使用经典的立体渲染的原理,我们可以渲染出任意射线穿过场景的颜色。体积密度 σ ( x ) σ(x)σ(x) 可以解释为:光线停留在位置 X� 处的无穷小粒子的可导概率。在最近和最远边界为 t n t_nt

 的条件下,相机光线 r ( t ) = o + t d r(t)=o+tdr(t)=o+td 的颜色 C ( r ) C(r)C(r)为:

image.png

函数 $T(t) $表示沿着光线从 t n t_nt

 到 t tt 所累积的透明度(accumulated transmittance) ,即 光线从 t n t_nt

 出发到 t tt,穿过该路径的概率。视图的渲染需要求这个积分 C ( r ) C(r)C(r),它是就是虚拟相机穿过每个像素的相机光线,所得到的颜色。我们使用求积法(quadrature)进行积分的数值求解。确定性的求积分不太适合 MLP,我们采用的是**分层抽样(stratified sampling)**的方法。我们把 [ t n , t f ] [t_n,t_f][t

]分成均匀分布的小区段,接着对每个小区段进行均匀采样:

image.png

5 神经辐射场的优化

前面所述的核心算法,还不够实现最先进的效果。因此我们还引入了两项优化措施,帮助模型能够表征高分辨率的复杂场景:

  1. 输入坐标的位置编码(positional encoding):帮助 MLP 能够表示高频函数;
  2. 层次化的采样方案(hierarchical sampling procedure),可以有效地采样模型的高频表示。

5.1 位置编码(positional encoding)

尽管神经网络理论上可以逼近任意函数,但我们发现,用网络 F Θ

 直接处理输入坐标 x y z θ ϕ xyzθϕxyzθϕ,很难表示出高频的细节。这符合 Rahaman 等人最近的工作,他们证明了深度网络倾向于学习到频率较低的函数。他们还证明,使用高频函数,把输入映射到更高维的空间中,再喂给神经网络,可以更好地拟合具有高频变化的数据。我们把这部分理论应用到了神经场景表示,重新构建函数 F Θ F_{\Theta}F

,作为两个函数的组合函数:F Θ = F Θ ′ ∘ γ F_{\Theta}=F_{\Theta}^{\prime} \circ \gammaF

∘γ,该方法可以明显提高性能。

在这里,γ 表示一个从 R \mathbb{R}R 到更高维空间 R 2 L \mathbb{R}^{2L}R

 的映射,F Θ ′ F_{\Theta}^{\prime}F

是普通的 MLP。

我们使用的编码函数为:

image.png

该函数分别应用于 X XX 的三个坐标,以及视角方向单位向量 d dd 的三个坐标。

在本文示例中,对于 γ ( x ) γ(x)γ(x)设 L = 10 L=10L=10;对于 γ ( d ) γ(d)γ(d) 设 L = 4 L=4L=4。

与 Transformer 架构中使用的位置编码不同,我们这里的编码函数,是为了把连续的输入坐标映射到更高维的空间,好让 MLP 能够更好地近似高频的函数

5.2 分层体积采样(Hierachical volume sampling)

我们的渲染策略,会沿着相机光线的 N 个查询点(query points),密集地计算神经辐射场。这种策略并不高效:空闲空间和遮挡的区域,并没有对渲染图像起作用,但是依然会进行重复地采样。我们借鉴了立体渲染的早起工作,提出了层次化表示来提升渲染效率:根据期望的渲染效果,来按比例地分配采样点。于是我们并没有使用单个网络来表示场景,我们会同时优化两个网络:粗糙网络和精细网络。我们首先使用分层抽样,来采样第一个集合,包含 N c N_cN

 个位置点,用方程(2)和(3)来计算粗糙网络。根据粗糙网络的输出,我们可以沿着光线生成更明智的采样点。

重写式子(3)中的粗糙网络 C ^ c ( r ) \hat{C}_{c}(\mathbf{r})

image.png

使用这种方法,可以分配更多的样本点在包含场景内容的区域内。它解决了与**重要性抽样(importance sampling)**相同的目标。

5.3 实现细节

6 结果

6.1 数据集

6.2 对比

6.3 讨论

6.4 Ablation studies

7 结论

关于使用 MLP 作为连续函数,用来表示物体和场景的研究,我们克服了过去工作的不足。与过去基于 CNN 的常用方法相比,我们用 5D 神经辐射场(用 MLP 表示的函数,其输入是 3D 位置和 2D 视角方向,输出体积密度和视角相关的辐射亮度)来表示场景,生成了更好的渲染效果。

未来方向

尽管我们提出了分层体积采样的策略,实现用于渲染的高效采样,但未来仍然有很多研究工作的空间,来更高效地实现神经辐射场的优化和渲染。

后期工作的另一个方向是可解释性:诸如体素和网格的表示方法,可以很容易地推断渲染质量和失效模式(failure modes),但是当我们以深度神经网络的权重,对场景进行编码时,就不清楚如何分析这些问题。

我们希望本文的工作,可以推动基于真实世界图像的图形学流水线的发展,通过真实物体和场景的图像,复杂的场景都可以由神经辐射场来组成。


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