2022-02-24
我们提出了一种从基于隐式对象编码器，神经辐射字段（NERFS）和图神经网络的图像观测值中学习组成多对象动力学模型的方法。由于其强大的3D先验，NERF已成为代表场景的流行选择。但是，大多数NERF方法都在单个场景上进行了训练，以全球模型代表整个场景，从而对新型场景进行概括，其中包含不同数量的对象，具有挑战性。取而代之的是，我们提出了一个以对象为中心的自动编码器框架，该框架将场景的多个视图映射到一组分别表示每个对象的潜在向量。潜在矢量参数化可以从中重建场景的单个nerf。基于那些潜在向量，我们在潜在空间中训练图形神经网络动力学模型，以实现动力学预测的组成性。我们方法的一个关键特征是，潜在向量被迫通过NERF解码器编码3D信息，这使我们能够在学习动力学模型中纳入结构先验，从而使长期预测与多个基线相比更加稳定。模拟和现实世界的实验表明，我们的方法可以建模和学习构图场景的动态，包括刚性和可变形对象。视频：https：//dannydriess.github.io/compnerfdyn/
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人类对我们周围的3D环境具有强烈直观的理解。我们大脑的物理学的心理模型适用于不同材料的物体，使我们能够执行远远超过当前机器人的范围的广泛操纵任务。在这项工作中，我们希望纯粹从2D视觉观测学习动态3D场景的模型。我们的模型将神经辐射字段（NERF）和时间对比学习与自动码框架相结合，这将学习ViewPoint-Invariant的3D感知场景表示。我们表明，通过学习的表示空间构造的动态模型使得能够控制涉及刚体和流体的挑战操纵任务，其中在不同于机器人操作的视点中指定目标。当与自动解码框架耦合时，它甚至可以从训练分布外的相机视点支持目标规范。我们进一步通过执行未来的预测和新颖观看综合来展示学习3D动态模型的丰富性。最后，我们提供了关于不同系统设计和对学习象征的定性分析的详细融合研究。
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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...
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机器学习的最近进步已经创造了利用一类基于坐标的神经网络来解决视觉计算问题的兴趣，该基于坐标的神经网络在空间和时间跨空间和时间的场景或对象的物理属性。我们称之为神经领域的这些方法已经看到在3D形状和图像的合成中成功应用，人体的动画，3D重建和姿势估计。然而，由于在短时间内的快速进展，许多论文存在，但尚未出现全面的审查和制定问题。在本报告中，我们通过提供上下文，数学接地和对神经领域的文学进行广泛综述来解决这一限制。本报告涉及两种维度的研究。在第一部分中，我们通过识别神经字段方法的公共组件，包括不同的表示，架构，前向映射和泛化方法来专注于神经字段的技术。在第二部分中，我们专注于神经领域的应用在视觉计算中的不同问题，超越（例如，机器人，音频）。我们的评论显示了历史上和当前化身的视觉计算中已覆盖的主题的广度，展示了神经字段方法所带来的提高的质量，灵活性和能力。最后，我们展示了一个伴随着贡献本综述的生活版本，可以由社区不断更新。
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where the highest resolution is required, using facial performance capture as a case in point.
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在现实世界中操纵体积变形物体，例如毛绒玩具和披萨面团，由于无限形状的变化，非刚性运动和部分可观察性带来了重大挑战。我们引入酸，这是一种基于结构性隐式神经表示的容量变形物体的动作条件视觉动力学模型。酸整合了两种新技术：动作条件动力学和基于大地测量的对比度学习的隐式表示。为了代表部分RGB-D观测值的变形动力学，我们学习了占用和基于流动的正向动态的隐式表示。为了准确识别在大型非刚性变形下的状态变化，我们通过新的基于大地测量的对比损失来学习一个对应嵌入场。为了评估我们的方法，我们开发了一个模拟框架，用于在逼真的场景中操纵复杂的可变形形状和一个基准测试，其中包含17,000多种动作轨迹，这些轨迹具有六种类型的毛绒玩具和78种变体。我们的模型在现有方法上实现了几何，对应和动态预测的最佳性能。酸动力学模型已成功地用于目标条件可变形的操纵任务，从而使任务成功率比最强的基线提高了30％。此外，我们将模拟训练的酸模型直接应用于现实世界对象，并在将它们操纵为目标配置中显示成功。有关更多结果和信息，请访问https://b0ku1.github.io/acid/。
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Figure 1. Given a monocular image sequence, NR-NeRF reconstructs a single canonical neural radiance field to represent geometry and appearance, and a per-time-step deformation field. We can render the scene into a novel spatio-temporal camera trajectory that significantly differs from the input trajectory. NR-NeRF also learns rigidity scores and correspondences without direct supervision on either. We can use the rigidity scores to remove the foreground, we can supersample along the time dimension, and we can exaggerate or dampen motion.
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由于真实的3D注释的类别数据的不可用，在合成数据集中，传统的学习3D对象类别的方法主要受到培训和评估。我们的主要目标是通过在与现有的合成对应物类似的幅度下收集现实世界数据来促进该领域的进步。因此，这项工作的主要贡献是一个大型数据集，称为3D中的常见对象，具有使用相机姿势和地面真相3D点云注释的对象类别的真实多视图图像。 DataSet总共包含从50 MS-Coco类别的近19,000个视频中捕获对象的150万帧，因此，在类别和对象的数量方面，它比替代更大。我们利用这款新数据集进行了几个新型综合和以类别为中心的3D重建方法的第一个大规模“野外”评估。最后，我们贡献了一种新型的神经渲染方法，它利用强大的变压器来重建对象，给出少量的视图。 CO3D DataSet可在HTTPS://github.com/facebookResearch/co3d获取。
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神经辐射场（NERFS）产生最先进的视图合成结果。然而，它们慢渲染，需要每像素数百个网络评估，以近似卷渲染积分。将nerfs烘烤到明确的数据结构中实现了有效的渲染，但导致内存占地面积的大幅增加，并且在许多情况下，质量降低。在本文中，我们提出了一种新的神经光场表示，相反，相反，紧凑，直接预测沿线的集成光线。我们的方法支持使用每个像素的单个网络评估，用于小基线光场数据集，也可以应用于每个像素的几个评估的较大基线。在我们的方法的核心，是一个光线空间嵌入网络，将4D射线空间歧管映射到中间可间可动子的潜在空间中。我们的方法在诸如斯坦福光场数据集等密集的前置数据集中实现了最先进的质量。此外，对于带有稀疏输入的面对面的场景，我们可以在质量方面实现对基于NERF的方法具有竞争力的结果，同时提供更好的速度/质量/内存权衡，网络评估较少。
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机器人操纵计划是找到一系列机器人配置的问题，该配置涉及与场景中的对象的交互，例如掌握，放置，工具使用等来实现这种相互作用，传统方法需要手工设计的特征和对象表示，它仍然是如何以灵活有效的方式描述与任意对象的这种交互的开放问题。例如，通过3D建模的最新进步启发，例如，NERF，我们提出了一种方法来表示对象作为神经隐式功能，我们可以在其中定义和共同列车交互约束函数。所提出的像素对准表示直接从具有已知相机几何形状的相机图像推断出，当时在整个操纵管道中作为感知组件，同时能够实现连续的机器人操纵计划。
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Unsupervised learning with generative models has the potential of discovering rich representations of 3D scenes. While geometric deep learning has explored 3Dstructure-aware representations of scene geometry, these models typically require explicit 3D supervision. Emerging neural scene representations can be trained only with posed 2D images, but existing methods ignore the three-dimensional structure of scenes. We propose Scene Representation Networks (SRNs), a continuous, 3Dstructure-aware scene representation that encodes both geometry and appearance. SRNs represent scenes as continuous functions that map world coordinates to a feature representation of local scene properties. By formulating the image formation as a differentiable ray-marching algorithm, SRNs can be trained end-toend from only 2D images and their camera poses, without access to depth or shape. This formulation naturally generalizes across scenes, learning powerful geometry and appearance priors in the process. We demonstrate the potential of SRNs by evaluating them for novel view synthesis, few-shot reconstruction, joint shape and appearance interpolation, and unsupervised discovery of a non-rigid face model. 1
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物体很少在人类环境中孤立地坐着。因此，我们希望我们的机器人来推理多个对象如何相互关系，以及这些关系在机器人与世界互动时可能会发生变化。为此，我们提出了一个新型的图形神经网络框架，用于多对象操纵，以预测对机器人行动的影响如何变化。我们的模型在部分视图点云上运行，可以推理操作过程中动态交互的多个对象。通过在学习的潜在图嵌入空间中学习动态模型，我们的模型使多步规划可以达到目标目标关系。我们展示了我们的模型纯粹是在模拟中训练的，可以很好地传输到现实世界。我们的计划器使机器人能够使用推送和拾取和地点技能重新排列可变数量的对象。
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计算机愿景中的经典问题是推断从几个可用于以交互式速率渲染新颖视图的图像的3D场景表示。以前的工作侧重于重建预定定义的3D表示，例如，纹理网格或隐式表示，例如隐式表示。辐射字段，并且通常需要输入图像，具有精确的相机姿势和每个新颖场景的长处理时间。在这项工作中，我们提出了场景表示变换器（SRT），一种方法，该方法处理新的区域的构成或未铺设的RGB图像，Infers Infers“设置 - 潜在场景表示”，并合成新颖的视图，全部在一个前馈中经过。为了计算场景表示，我们提出了视觉变压器的概括到图像组，实现全局信息集成，从而实现3D推理。一个有效的解码器变压器通过参加场景表示来参加光场以呈现新颖的视图。通过最大限度地减少新型视图重建错误，学习是通过最终到底的。我们表明，此方法在PSNR和Synthetic DataSets上的速度方面优于最近的基线，包括为纸张创建的新数据集。此外，我们展示了使用街景图像支持现实世界户外环境的交互式可视化和语义分割。
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我们介绍了神经点光场，它用稀疏点云上的轻场隐含地表示场景。结合可分辨率的体积渲染与学习的隐式密度表示使得可以合成用于小型场景的新颖视图的照片现实图像。作为神经体积渲染方法需要潜在的功能场景表示的浓密采样，在沿着射线穿过体积的数百个样本，它们从根本上限制在具有投影到数百个训练视图的相同对象的小场景。向神经隐式光线推广稀疏点云允许我们有效地表示每个光线的单个隐式采样操作。这些点光场作为光线方向和局部点特征邻域的函数，允许我们在没有密集的物体覆盖和视差的情况下插入光场条件训练图像。我们评估大型驾驶场景的新型视图综合的提出方法，在那里我们综合了现实的看法，即现有的隐式方法未能代表。我们验证了神经点光场可以通过显式建模场景来实现沿着先前轨迹的视频来预测沿着看不见的轨迹的视频。
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从物体及其在3D空间中的几何形状方面对世界的组成理解被认为是人类认知的基石。促进神经网络中这种表示形式的学习有望实质上提高标记的数据效率。作为朝着这个方向发展的关键步骤，我们在学习3D一致的复杂场景分解的问题上取得了进展，以无监督的方式将复杂场景分解为单个对象。我们介绍对象场景表示变压器（OSRT），这是一个以3D为中心的模型，其中各个对象表示通过新颖的视图合成自然出现。 OSRT比现有方法更为复杂，具有更大的对象和背景的复杂场景。同时，由于其光场参数化和新型的插槽混合器解码器，它在组成渲染时的多个数量级更快。我们认为，这项工作不仅将加速未来的建筑探索和扩展工作，而且还将成为以对象为中心和神经场景表示社区的有用工具。
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神经隐式表示在新的视图合成和来自多视图图像的高质量3D重建方面显示了其有效性。但是，大多数方法都集中在整体场景表示上，但忽略了其中的各个对象，从而限制了潜在的下游应用程序。为了学习对象组合表示形式，一些作品将2D语义图作为训练中的提示，以掌握对象之间的差异。但是他们忽略了对象几何和实例语义信息之间的牢固联系，这导致了单个实例的不准确建模。本文提出了一个新颖的框架ObjectsDF，以在3D重建和对象表示中构建具有高保真度的对象复合神经隐式表示。观察常规音量渲染管道的歧义，我们通过组合单个对象的签名距离函数（SDF）来对场景进行建模，以发挥明确的表面约束。区分不同实例的关键是重新审视单个对象的SDF和语义标签之间的牢固关联。特别是，我们将语义信息转换为对象SDF的函数，并为场景和对象开发统一而紧凑的表示形式。实验结果表明，ObjectSDF框架在表示整体对象组合场景和各个实例方面的优越性。可以在https://qianyiwu.github.io/objectsdf/上找到代码
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Input: 3 views of held-out scene NeRF pixelNeRF Output: Rendered new views Input Novel views Input Novel views Input Novel views Figure 1: NeRF from one or few images. We present pixelNeRF, a learning framework that predicts a Neural Radiance Field (NeRF) representation from a single (top) or few posed images (bottom). PixelNeRF can be trained on a set of multi-view images, allowing it to generate plausible novel view synthesis from very few input images without test-time optimization (bottom left). In contrast, NeRF has no generalization capabilities and performs poorly when only three input views are available (bottom right).
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捕获一般的变形场景对于许多计算机图形和视觉应用至关重要，当只有单眼RGB视频可用时，这尤其具有挑战性。竞争方法假设密集的点轨道，3D模板，大规模训练数据集或仅捕获小规模的变形。与这些相反，我们的方法UB4D在挑战性的情况下超过了先前的艺术状态，而没有做出这些假设。我们的技术包括两个新的，在非刚性3D重建的背景下，组件，即1）1）针对非刚性场景的基于坐标的和隐性的神经表示，这使动态场景无偏重建，2）新颖的新颖。动态场景流量损失，可以重建较大的变形。我们的新数据集（将公开可用）的结果表明，就表面重建精度和对大变形的鲁棒性而言，对最新技术的明显改善。访问项目页面https://4dqv.mpi-inf.mpg.de/ub4d/。
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我们为具有高维状态空间的复杂操纵任务的视觉动作计划提供了一个框架，重点是操纵可变形物体。我们为任务计划提出了一个潜在的空间路线图（LSR），这是一个基于图的结构，在全球范围内捕获了低维潜在空间中的系统动力学。我们的框架由三个部分组成：（1）映射模块（mm），该模块以图像的形式映射观测值，以提取各个状态的结构化潜在空间，并从潜在状态产生观测值，（2）LSR，LSR的LSR构建并连接包含相似状态的群集，以找到MM提取的开始和目标状态之间的潜在计划，以及（3）与LSR相应的潜在计划与相应的操作相辅相成的动作提案模块。我们对模拟的盒子堆叠和绳索/盒子操纵任务进行了彻底的调查，以及在真实机器人上执行的折叠任务。
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我们呈现NESF，一种用于单独从构成的RGB图像中生成3D语义场的方法。代替经典的3D表示，我们的方法在最近的基础上建立了隐式神经场景表示的工作，其中3D结构被点亮功能捕获。我们利用这种方法来恢复3D密度领域，我们然后在其中培训由构成的2D语义地图监督的3D语义分段模型。尽管仅在2D信号上培训，我们的方法能够从新颖的相机姿势生成3D一致的语义地图，并且可以在任意3D点查询。值得注意的是，NESF与产生密度场的任何方法兼容，并且随着密度场的质量改善，其精度可提高。我们的实证分析在复杂的实际呈现的合成场景中向竞争性2D和3D语义分割基线表现出可比的质量。我们的方法是第一个提供真正密集的3D场景分段，需要仅需要2D监督培训，并且不需要任何关于新颖场景的推论的语义输入。我们鼓励读者访问项目网站。
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