We present HARP (HAnd Reconstruction and Personalization), a personalized hand avatar creation approach that takes a short monocular RGB video of a human hand as input and reconstructs a faithful hand avatar exhibiting a high-fidelity appearance and geometry. In contrast to the major trend of neural implicit representations, HARP models a hand with a mesh-based parametric hand model, a vertex displacement map, a normal map, and an albedo without any neural components. As validated by our experiments, the explicit nature of our representation enables a truly scalable, robust, and efficient approach to hand avatar creation. HARP is optimized via gradient descent from a short sequence captured by a hand-held mobile phone and can be directly used in AR/VR applications with real-time rendering capability. To enable this, we carefully design and implement a shadow-aware differentiable rendering scheme that is robust to high degree articulations and self-shadowing regularly present in hand motion sequences, as well as challenging lighting conditions. It also generalizes to unseen poses and novel viewpoints, producing photo-realistic renderings of hand animations performing highly-articulated motions. Furthermore, the learned HARP representation can be used for improving 3D hand pose estimation quality in challenging viewpoints. The key advantages of HARP are validated by the in-depth analyses on appearance reconstruction, novel-view and novel pose synthesis, and 3D hand pose refinement. It is an AR/VR-ready personalized hand representation that shows superior fidelity and scalability.

我们提出了神经头头像，这是一种新型神经表示，其明确地模拟了可动画的人体化身的表面几何形状和外观，可用于在依赖数字人类的电影或游戏行业中的AR / VR或其他应用中的电话会议。我们的代表可以从单眼RGB肖像视频中学到，该视频具有一系列不同的表达和视图。具体地，我们提出了一种混合表示，其由面部的粗糙形状和表达式和两个前馈网络组成的混合表示，以及预测底层网格的顶点偏移以及视图和表达依赖性纹理。我们证明，该表示能够准确地外推到看不见的姿势和观点，并在提供尖锐的纹理细节的同时产生自然表达。与先前的磁头头像上的作品相比，我们的方法提供了与标准图形管道兼容的完整人体头（包括头发）的分解形状和外观模型。此外，就重建质量和新型观看合成而定量和定性地优于现有技术的当前状态。

新兴的元应用需要人类手的可靠，准确和逼真的复制品，以便在物理世界中进行复杂的操作。虽然真实的人手代表了骨骼，肌肉，肌腱和皮肤之间最复杂的协调之一，但最先进的技术一致专注于仅建模手的骨架。在本文中，我们提出了Nimble，这是一种新型的参数手模型，其中包括缺少的密钥组件，将3D手模型带入了新的现实主义水平。我们首先在最近的磁共振成像手（MRI手）数据集上注释肌肉，骨骼和皮肤，然后在数据集中的单个姿势和受试者上注册一个体积模板手。敏捷由20个骨头组成，作为三角形网格，7个肌肉群作为四面体网眼和一个皮肤网。通过迭代形状的注册和参数学习，它进一步产生形状的混合形状，姿势混合形状和关节回归器。我们证明将敏捷性应用于建模，渲染和视觉推理任务。通过强制执行内部骨骼和肌肉以符合解剖学和运动学规则，Nimble可以使3D手动画为前所未有的现实主义。为了建模皮肤的外观，我们进一步构建了一个光度法，以获取高质量的纹理和正常地图，以模型皱纹和棕榈印刷。最后，敏捷还通过合成丰富的数据或直接作为推理网络中的可区分层来使基于学习的手姿势和形状估计受益。

一般照明条件中单眼图像的强大面部重建是具有挑战性的。用于使用微弱渲染的深度神经网络编码器结合的方法打开了几何，照明和反射的非常快速的单眼重建的路径。它们也可以通过自我监督的方式培训，以增加鲁棒性和更好的泛化。然而，基于光栅化的图像形成模型以及底层场景参数化，将它们限制在Lambertian的反射率和差的形状细节中。最近，在基于经典优化的框架内引入了用于单眼脸部重建的射线跟踪，并实现最先进的结果。然而，基于优化的方法本质上很慢，缺乏鲁棒性。在本文中，我们在上述方法上建立了我们的工作，并提出了一种新的方法，大大提高了一般场景中的重建质量和鲁棒性。我们通过将CNN编码器与可分散的射线示踪剂组合来实现这一点，这使得我们能够将重建基于更高级的个性化漫射和镜面，更复杂的照明模型和自阴影的合理表示。这使得即使在难以照明的场景中，也可以在重建的形状，外观和照明中进行大跃进。通过一致的面部属性重建，我们的方法导致实际应用，例如致密和自阴影去除。与最先进的方法相比，我们的结果表明了提高了方法的准确性和有效性。

我们向渲染和时间（4D）重建人类的渲染和时间（4D）重建的神经辐射场，通过稀疏的摄像机捕获或甚至来自单眼视频。我们的方法将思想与神经场景表示，新颖的综合合成和隐式统计几何人称的人类表示相结合，耦合使用新颖的损失功能。在先前使用符号距离功能表示的结构化隐式人体模型，而不是使用统一的占用率来学习具有统一占用的光域字段。这使我们能够从稀疏视图中稳健地融合信息，并概括超出在训练中观察到的姿势或视图。此外，我们应用几何限制以共同学习观察到的主题的结构 - 包括身体和衣服 - 并将辐射场正规化为几何合理的解决方案。在多个数据集上的广泛实验证明了我们方法的稳健性和准确性，其概括能力显着超出了一系列的姿势和视图，以及超出所观察到的形状的统计外推。

We introduce Structured 3D Features, a model based on a novel implicit 3D representation that pools pixel-aligned image features onto dense 3D points sampled from a parametric, statistical human mesh surface. The 3D points have associated semantics and can move freely in 3D space. This allows for optimal coverage of the person of interest, beyond just the body shape, which in turn, additionally helps modeling accessories, hair, and loose clothing. Owing to this, we present a complete 3D transformer-based attention framework which, given a single image of a person in an unconstrained pose, generates an animatable 3D reconstruction with albedo and illumination decomposition, as a result of a single end-to-end model, trained semi-supervised, and with no additional postprocessing. We show that our S3F model surpasses the previous state-of-the-art on various tasks, including monocular 3D reconstruction, as well as albedo and shading estimation. Moreover, we show that the proposed methodology allows novel view synthesis, relighting, and re-posing the reconstruction, and can naturally be extended to handle multiple input images (e.g. different views of a person, or the same view, in different poses, in video). Finally, we demonstrate the editing capabilities of our model for 3D virtual try-on applications.

综合照片 - 现实图像和视频是计算机图形的核心，并且是几十年的研究焦点。传统上，使用渲染算法（如光栅化或射线跟踪）生成场景的合成图像，其将几何形状和材料属性的表示为输入。统称，这些输入定义了实际场景和呈现的内容，并且被称为场景表示（其中场景由一个或多个对象组成）。示例场景表示是具有附带纹理的三角形网格（例如，由艺术家创建），点云（例如，来自深度传感器），体积网格（例如，来自CT扫描）或隐式曲面函数（例如，截短的符号距离）字段）。使用可分辨率渲染损耗的观察结果的这种场景表示的重建被称为逆图形或反向渲染。神经渲染密切相关，并将思想与经典计算机图形和机器学习中的思想相结合，以创建用于合成来自真实观察图像的图像的算法。神经渲染是朝向合成照片现实图像和视频内容的目标的跨越。近年来，我们通过数百个出版物显示了这一领域的巨大进展，这些出版物显示了将被动组件注入渲染管道的不同方式。这种最先进的神经渲染进步的报告侧重于将经典渲染原则与学习的3D场景表示结合的方法，通常现在被称为神经场景表示。这些方法的一个关键优势在于它们是通过设计的3D-一致，使诸如新颖的视点合成捕获场景的应用。除了处理静态场景的方法外，我们还涵盖了用于建模非刚性变形对象的神经场景表示...

我们提出了一种有效的方法，用于从多视图图像观察中联合优化拓扑，材料和照明。与最近的多视图重建方法不同，通常在神经网络中产生纠缠的3D表示，我们将三角形网格输出具有空间不同的材料和环境照明，这些方法可以在任何传统的图形引擎中未修改。我们利用近期工作在可差异化的渲染中，基于坐标的网络紧凑地代表体积纹理，以及可微分的游行四边形，以便直接在表面网上直接实现基于梯度的优化。最后，我们介绍了环境照明的分流和近似的可分辨率配方，以有效地回收全频照明。实验表明我们的提取模型用于高级场景编辑，材料分解和高质量的视图插值，全部以三角形的渲染器（光栅化器和路径示踪剂）的交互式速率运行。

传统的变形面模型提供了对表达的细粒度控制，但不能轻易捕获几何和外观细节。神经体积表示方法是光学 - 现实主义，但很难动画，并没有概括到看不见的表达。为了解决这个问题，我们提出了iMavatar（隐式的可变头像），这是一种从单眼视频学习隐含头头像的新方法。灵感来自传统3DMMS提供的细粒度控制机制，我们代表了通过学习的闪打和剥皮领域的表达和与姿势相关的变形。这些属性是姿势独立的，可用于使规范几何形状和纹理字段变成新颖的表达和姿势参数。我们使用射线跟踪和迭代根发现来定位每个像素的规范表面交叉点。关键贡献是我们的新型分析梯度制定，可实现来自视频的imavatars的端到端培训。我们的定量和定性地显示了我们的方法改善了几何形状，并与最先进的方法相比，涵盖了更完整的表达空间。

对于场景重建和新型视图综合的数量表示形式的普及最近，人们的普及使重点放在以高视觉质量和实时为实时的体积内容动画上。尽管基于学习功能的隐性变形方法可以产生令人印象深刻的结果，但它们是艺术家和内容创建者的“黑匣子”，但它们需要大量的培训数据才能有意义地概括，并且在培训数据之外不会产生现实的外推。在这项工作中，我们通过引入实时的音量变形方法来解决这些问题，该方法是实时的，易于使用现成的软件编辑，并且可以令人信服地推断出来。为了证明我们方法的多功能性，我们将其应用于两种情况：基于物理的对象变形和触发性，其中使用Blendshapes控制着头像。我们还进行了彻底的实验，表明我们的方法与两种体积方法相比，结合了基于网格变形的隐式变形和方法。

隐式辐射功能作为重建和渲染3D场景的照片真实观点的强大场景表示形式出现。但是，这些表示的编辑性差。另一方面，诸如多边形网格之类的显式表示允许易于编辑，但不适合重建动态的人头中的准确细节，例如精细的面部特征，头发，牙齿，牙齿和眼睛。在这项工作中，我们提出了神经参数化（NEP），这是一种混合表示，提供了隐式和显式方法的优势。 NEP能够进行照片真实的渲染，同时允许对场景的几何形状和外观进行细粒度编辑。我们首先通过将3D几何形状参数化为2D纹理空间来解开几何形状和外观。我们通过引入显式线性变形层来启用几何编辑性。变形由一组稀疏的密钥点控制，可以明确和直观地移位以编辑几何形状。对于外观，我们开发了一个混合2D纹理，该纹理由明确的纹理图组成，以易于编辑和隐式视图以及时间相关的残差，以建模时间和视图变化。我们将我们的方法与几个重建和编辑基线进行比较。结果表明，NEP在保持高编辑性的同时达到了几乎相同的渲染精度。

人类性能捕获是一种非常重要的计算机视觉问题，在电影制作和虚拟/增强现实中具有许多应用。许多以前的性能捕获方法需要昂贵的多视图设置，或者没有恢复具有帧到帧对应关系的密集时空相干几何。我们提出了一种新颖的深度致密人体性能捕获的深层学习方法。我们的方法是基于多视图监督的弱监督方式培训，完全删除了使用3D地面真理注释的培训数据的需求。网络架构基于两个单独的网络，将任务解散为姿势估计和非刚性表面变形步骤。广泛的定性和定量评估表明，我们的方法在质量和稳健性方面优于现有技术。这项工作是DeepCAP的扩展版本，在那里我们提供更详细的解释，比较和结果以及应用程序。

Humans constantly interact with objects in daily life tasks. Capturing such processes and subsequently conducting visual inferences from a fixed viewpoint suffers from occlusions, shape and texture ambiguities, motions, etc. To mitigate the problem, it is essential to build a training dataset that captures free-viewpoint interactions. We construct a dense multi-view dome to acquire a complex human object interaction dataset, named HODome, that consists of $\sim$75M frames on 10 subjects interacting with 23 objects. To process the HODome dataset, we develop NeuralDome, a layer-wise neural processing pipeline tailored for multi-view video inputs to conduct accurate tracking, geometry reconstruction and free-view rendering, for both human subjects and objects. Extensive experiments on the HODome dataset demonstrate the effectiveness of NeuralDome on a variety of inference, modeling, and rendering tasks. Both the dataset and the NeuralDome tools will be disseminated to the community for further development.

最近，我们看到了照片真实的人类建模和渲染的神经进展取得的巨大进展。但是，将它们集成到现有的下游应用程序中的现有网络管道中仍然具有挑战性。在本文中，我们提出了一种全面的神经方法，用于从密集的多视频视频中对人类表演进行高质量重建，压缩和渲染。我们的核心直觉是用一系列高效的神经技术桥接传统的动画网格工作流程。我们首先引入一个神经表面重建器，以在几分钟内进行高质量的表面产生。它与多分辨率哈希编码的截短签名距离场（TSDF）的隐式体积渲染相结合。我们进一步提出了一个混合神经跟踪器来生成动画网格，该网格将明确的非刚性跟踪与自我监督框架中的隐式动态变形结合在一起。前者将粗糙的翘曲返回到规范空间中，而后者隐含的一个隐含物进一步预测了使用4D哈希编码的位移，如我们的重建器中。然后，我们使用获得的动画网格讨论渲染方案，从动态纹理到各种带宽设置下的Lumigraph渲染。为了在质量和带宽之间取得复杂的平衡，我们通过首先渲染6个虚拟视图来涵盖表演者，然后进行闭塞感知的神经纹理融合，提出一个分层解决方案。我们证明了我们方法在各种平台上的各种基于网格的应用程序和照片真实的自由观看体验中的功效，即，通过移动AR插入虚拟人类的表演，或通过移动AR插入真实环境，或带有VR头戴式的人才表演。

We propose RANA, a relightable and articulated neural avatar for the photorealistic synthesis of humans under arbitrary viewpoints, body poses, and lighting. We only require a short video clip of the person to create the avatar and assume no knowledge about the lighting environment. We present a novel framework to model humans while disentangling their geometry, texture, and also lighting environment from monocular RGB videos. To simplify this otherwise ill-posed task we first estimate the coarse geometry and texture of the person via SMPL+D model fitting and then learn an articulated neural representation for photorealistic image generation. RANA first generates the normal and albedo maps of the person in any given target body pose and then uses spherical harmonics lighting to generate the shaded image in the target lighting environment. We also propose to pretrain RANA using synthetic images and demonstrate that it leads to better disentanglement between geometry and texture while also improving robustness to novel body poses. Finally, we also present a new photorealistic synthetic dataset, Relighting Humans, to quantitatively evaluate the performance of the proposed approach.

We propose a novel method for high-quality facial texture reconstruction from RGB images using a novel capturing routine based on a single smartphone which we equip with an inexpensive polarization foil. Specifically, we turn the flashlight into a polarized light source and add a polarization filter on top of the camera. Leveraging this setup, we capture the face of a subject with cross-polarized and parallel-polarized light. For each subject, we record two short sequences in a dark environment under flash illumination with different light polarization using the modified smartphone. Based on these observations, we reconstruct an explicit surface mesh of the face using structure from motion. We then exploit the camera and light co-location within a differentiable renderer to optimize the facial textures using an analysis-by-synthesis approach. Our method optimizes for high-resolution normal textures, diffuse albedo, and specular albedo using a coarse-to-fine optimization scheme. We show that the optimized textures can be used in a standard rendering pipeline to synthesize high-quality photo-realistic 3D digital humans in novel environments.

尽管最近在开发动画全身化身方面取得了进展，但服装的现实建模（人类自我表达的核心方面之一）仍然是一个开放的挑战。最先进的物理模拟方法可以以交互速度产生现实行为的服装几何形状。但是，建模光真逼真的外观通常需要基于物理的渲染，这对于交互式应用来说太昂贵了。另一方面，数据驱动的深度外观模型能够有效地产生逼真的外观，但在合成高度动态服装的几何形状和处理具有挑战性的身体套构型方面挣扎。为此，我们通过对服装的明确建模介绍了姿势驱动的化身，这些化身表现出逼真的服装动力学和从现实世界数据中学到的逼真的外观。关键的想法是引入一个在显式几何形状之上运行的神经服装外观模型：在火车时，我们使用高保真跟踪，而在动画时期，我们依靠物理模拟的几何形状。我们的关键贡献是一个具有物理启发的外观网络，能够生成具有视图依赖性和动态阴影效果的影像逼真的外观，即使对于看不见的身体透明构型也是如此。我们对我们的模型进行了彻底的评估，并在几种受试者和不同类型的衣服上展示了不同的动画结果。与以前关于影迷全身化身的工作不同，我们的方法甚至可以为宽松的衣服产生更丰富的动力和更现实的变形。我们还证明，我们的配方自然允许服装与不同人的头像一起使用，同时保持完全动画，因此首次可以采用新颖的衣服来实现逼真的化身。

我们提出了神经演员（NA），一种用于从任意观点和任意可控姿势的高质量合成人类的新方法。我们的方法是基于最近的神经场景表示和渲染工作，从而从仅从2D图像中学习几何形状和外观的表示。虽然现有的作品令人兴奋地呈现静态场景和动态场景的播放，具有神经隐含方法的照片 - 现实重建和人类的渲染，特别是在用户控制的新颖姿势下，仍然很困难。为了解决这个问题，我们利用一个粗体模型作为将周围的3D空间的代理放入一个规范姿势。神经辐射场从多视图视频输入中了解在规范空间中的姿势依赖几何变形和姿势和视图相关的外观效果。为了综合高保真动态几何和外观的新颖视图，我们利用身体模型上定义的2D纹理地图作为预测残余变形和动态外观的潜变量。实验表明，我们的方法能够比播放的最先进，以及新的姿势合成来实现更好的质量，并且甚至可以概括到新的姿势与训练姿势不同的姿势。此外，我们的方法还支持对合成结果的体形控制。

我们提出了一个新颖的范式，该范式是通过单眼视频输入来构建可动画的3D人类代表，以便可以以任何看不见的姿势和观点呈现。我们的方法基于由基于网格的参数3D人类模型操纵的动态神经辐射场（NERF），该模型用作几何代理。以前的方法通常依靠多视频视频或准确的3D几何信息作为其他输入；此外，大多数方法在概括地看不见的姿势时会降解质量。我们确定概括的关键是查询动态NERF的良好输入嵌入：良好的输入嵌入应定义完整量化空间中的注入映射，并在姿势变化下表面网格变形引导。基于此观察结果，我们建议将输入查询嵌入其与局部表面区域的关系，并在网格顶点上跨越一组地球的最近邻居跨越。通过包括位置和相对距离信息，我们的嵌入式定义了距离保存的变形映射，并可以很好地概括为看不见的姿势。为了减少对其他输入的依赖性，我们首先使用现成的工具初始化人均3D网格，然后提出一条管道以共同优化NERF并完善初始网格。广泛的实验表明，我们的方法可以在看不见的姿势和观点下合成合理的人类渲染结果。

我们介绍了一个自由视的渲染方法 - Humannerf - 这对人类进行了复杂的身体运动的给定单曲视频工作，例如，来自YouTube的视频。我们的方法可以在任何帧中暂停视频，并从任意新相机视点呈现对象，甚至是该特定帧和身体姿势的完整360度摄像机路径。这项任务特别具有挑战性，因为它需要合成身体的光电型细节，如从输入视频中可能不存在的各种相机角度所见，以及合成布折叠和面部外观的细细节。我们的方法优化了在规范T型姿势中的人的体积表示，同时通过运动场，该运动场通过向后的警报将估计的规范表示映射到视频的每个帧。运动场分解成骨骼刚性和非刚性运动，由深网络产生。我们对现有工作显示出显着的性能改进，以及从移动人类的单眼视频的令人尖锐的观点渲染的阐释示例，以挑战不受控制的捕获场景。